CN107685785A - 一种足式行走机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种足式行走机器人，属于农用机械领域，该发明包括第一行走支架1、工作系统2、第二行走支架3、动力控制系统4、转向系统5、伸缩支腿6，第一行走支架1和第二行走支架3上都配有伸缩支腿6，第一行走支架1和第二行走支架3之间可以做相对运动，工作系统2可以相对第一行走支架1运动，工作系统2用于对农田劳动作业，转向系统5可以驱动第一行走支架1和第二行走支架3之间发生转动，使得机器人整体在工作过程中可以进行转向、调向动作，动力控制系统4控制各部分协同工作，并为整个机器人工作提供能量，本发明相比现有技术方案，结构更加简洁，控制更加简单，行走更加平稳、使用更加便捷。

Description

一种足式行走机器人

技术领域

本发明涉及一种农用机械设备，具体说涉及一种足式行走机器人。

背景技术

现有的农用机械多为轮式结构作为底盘，但是轮式结构在田地里行走容易损坏农作物，例如在农田进行喷药作业、套种作业时就不适合使用轮式结构作为行走底盘。为解决这个问题，我公司对之进行了创新研究，并且已经申请了两项专利，一种农用喷药机器人（专利申请号2016100111412），一种新型机器人行走底盘（专利申请号2016111633577），这两个专利都是使用足式行走机构作为底盘，这两种方案都能满足足式行走的基本功能，但是这两个方案的整体结构以及控制过程还较为复杂，经过我们团队深入实践，创新改进，我们又设计出一种新的改进方案，本发明公开的设计方案与之前公开的方案相比，结构更加简洁，控制更加简单，行走更加平稳、使用更加便捷。

发明内容

为了实现一种足式行走机器人结构更加简洁，控制更加简单，行走更加平稳、使用更加便捷，这一目的，本发明公开一种足式行走机器人，该发明包括第一行走支架、工作系统、第二行走支架、动力控制系统、转向系统、伸缩支腿，第一行走支架和第二行走支架上都配有伸缩支腿，第一行走支架和第二行走支架之间可以做相对运动，工作系统可以相对第一行走支架运动，工作系统用于对农田劳动作业，转向系统可以驱动第一行走支架和第二行走支架之间发生转动，使得机器人整体在工作过程中可以进行转向、调向动作，动力控制系统控制各部分协同工作，并为整个机器人工作提供能量，通过控制第一行走支架和第二行走支架之间的相对运动并配合伸缩支腿的伸缩，使得机器人可以整体进行前进、后退动作，通过控制工作系统相对第一行走支架的运动，并且配合第一行走支架和第二行走支架之间的相对运动，可以实现工作系统相对大地进行匀速运动。

优选地，所述第一行走支架和第二行走支架上设有伸缩支腿，第一行走支架和第二行走支架上伸缩支腿的数量各优选3个，这样既能维持机器人整机平衡，又能以最少的支腿数量降低机器人制造成本以及减少支腿对农作物的损坏率。

优选地，所述第一行走支架由第一行走支架前支架和第一行走支架后支架两部分组成，第一行走支架前支架和第一行走支架后支架之间嵌套连接，两者可以相互伸缩。

优选地，所述第一行走支架前支架和第一行走支架后支架之间设置第一驱动轮，可以驱动第一行走支架前支架和第一行走支架后支架之间相对移动。

优选地，所述工作系统上设有第一导向座，第一行走支架上设有第一导轨，第一导向座和第一导轨嵌套配合，确保工作系统可以沿第一行走支架平稳的运动，工作系统上设有第二驱动轮，第二驱动轮可以驱动工作系统沿第一行走支架运动。

优选地，所述第二行走支架上设有第二导向座，第一行走支架上设有第二导轨，第二导向座和第二导轨嵌套配合，可以确保第一行走支架和第二行走支架之间可以平稳运动，第二行走支架上设有第三驱动轮，第三驱动轮可以驱动第一行走支架和第二行走支架之间相对运动。

优选地，所述各驱动轮接触的机器人结构表面设有防滑面层，防滑面层可以增加驱动轮的驱动效果，防滑面层优选摩擦系数高又耐磨损的材料，优选橡胶材料。

优选地，所述转向系统上设有转向马达，转向马达设置在第一行走支架和第二行走支架之间，可以驱动第一行走支架和第二行走支架之间发生相互转动，转向马达优选具有减速变速箱的步进电机。

优选地，所述伸缩支腿上设有感应器，感应器可以识别支腿下是否有农作物或者有不宜踩踏的农作物，感应器将感应数据传输给动力控制系统，动力控制系统分析数据后可以对选择伸缩支腿的支撑点进行优化，这样将能最大限度的减少支腿支撑对农作物的损坏，感应器优选图像识别传感器。

优选地，所述工作系统可以在第二驱动轮驱动下沿第一行走支架前后运动，工作系统相对于第一行走支架的运动速度为第一运动速度，第一行走支架相对于第二行走支架的运动速度为第二运动速度，当第二运动速度为零时，第一运动速度就是工作系统的工作速度，当第一行走支架向前运动时，第二运动速度逐渐增大，与此同时第一运动速度将相应减小，此时工作系统相对于大地的速度就是第一运动速度和第二运动速度之和，第一运动速度减小到零后，工作系统相对于第一行走支架将反向运动，第二运动速度继续增大，直至第一运动速度和第二运动速度都达到一个稳定值，整个过程，第一运动速度和第二运动速度之和都是一个定值，当各部分达到设定位置后，第二运动速度将逐渐减小，同时第一运动速度反方向等量减小，直至第一运动速度再次反方向恢复初始速度后，第二运动速度降至零，如此周而复始，即能保证工作系统平稳运行，同时工作系统相对于第一行走支架往复运动，也保证了整个机器人可以持续稳定的工作下去。

通过上述技术方案，本发明可以实现结构更加简洁，控制更加简单，行走更加平稳、使用更加便捷，这一有益效果。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是机器人整体结构布局示意图；

图2是机器人驱动部分结构示意图；

图3是机器人导轨部分结构示意图；

图4是机器人工作系统均速控制方法示意图；

图5是机器人第一行走支架前支架运动状态示意图；

图6是机器人第二行走支架运动状态示意图；

图7是机器人第一行走支架运动状态示意图；

图8是机器人进行转向运动状态示意图；

附图标记说明

1、第一行走支架；101、第一行走支架前支架；102、第一驱动轮；103、第一行走支架后支架；104、第一导轨；105、第二导轨；2、工作系统；201、第二驱动轮；202、第一导向座；3、第二行走支架；301、第三驱动轮；302、第二导向座；4、动力控制系统；5、转向系统；501、转向马达；6、伸缩支腿；601、感应器；V1、第一运动速度；V2、第二运动速度。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。使用的方位词如“左、右”是指附图中的左、右方位。

如图1所示，本发明提供了一种足式行走机器人，该发明包括第一行走支架1、工作系统2、第二行走支架3、动力控制系统4、转向系统5、伸缩支腿6，第一行走支架1和第二行走支架3上都配有伸缩支腿6，第一行走支架1和第二行走支架3之间可以做相对运动，工作系统2可以相对第一行走支架1运动，工作系统2用于对农田劳动作业，转向系统5可以驱动第一行走支架1和第二行走支架3之间发生转动，使得机器人整体在行走过程中进行转向、调向动作，动力控制系统4控制各部分协同工作，并为整个机器人工作提供能量，通过控制第一行走支架1和第二行走支架3之间的相对运动并配合伸缩支腿6的伸缩，使得机器人可以整体进行前进、后退动作，通过控制工作系统2相对第一行走支架1的运动，并且配合第一行走支架1和第二行走支架3之间的相对运动，可以实现工作系统2相对大地进行匀速运动。

第一行走支架1和第二行走支架3上设有伸缩支腿6，伸缩支腿6的数量根据实际需要选择，正常情况下，第一行走支架1和第二行走支架3上伸缩支腿6数量各优选3个，这样既能维持机器人整机平衡，又能以最少的支腿数量降低机器人制造成本以及减少支腿对农作物的损坏率。

如图2所示，结合图3，第一行走支架1由第一行走支架前支架101和第一行走支架后支架103两部分组成，第一行走支架前支架101和第一行走支架后支架103之间嵌套连接，两者可以相互伸缩。第一行走支架前支架101和第一行走支架后支架103之间设置第一驱动轮102，可以驱动第一行走支架前支架101和第一行走支架后支架103之间相对移动。通过设置伸缩结构，可以使得第一行走支架1在不使用时有一个较小的占地尺寸，这样便于存储运输，当然，可以理解的是同样的结构也适用于第二行走支架3，再次不再赘述。

工作系统2上设有第一导向座202，第一行走支架1上设有第一导轨104，第一导向座202和第一导轨104嵌套配合，可以确保工作系统2可以沿第一行走支架1平稳的运动，工作系统2上设有第二驱动轮201，第二驱动轮201可以驱动工作系统2沿第一行走支架1运动。

第二行走支架3上设有第二导向座302，第一行走支架1上设有第二导轨105，第二导向座302和第二导轨105嵌套配合，可以确保第一行走支架1和第二行走支架3之间可以平稳运动，第二行走支架3上设有第三驱动轮301，第三驱动轮301可以驱动第一行走支架1和第二行走支架之间相对运动。

各驱动轮接触的机器人结构表面设有防滑面层，防滑面层可以增加驱动轮的驱动效果，防滑面层优选摩擦系数高又耐磨损的材料，优选橡胶材料。

可以理解的是，机器人各个需要相对运动的部分，可以采用上述驱动轮的方案，也可以是采用直线电机，齿轮齿条、液压缸、气缸、丝杠等结构形式，这些形式都是常用的运动执行器件，在此不再赘述。

转向系统5上设有转向马达501，转向马达501设置在第一行走支架1和第二行走支架3之间，可以驱动第一行走支架1和第二行走支架3之间发生相互转动，转向马达501优选具有减速变速箱的步进电机，使用步进电机方便精确控制转动角度，使用减速变速箱有助于增加转向扭矩，这都有助于提高转向的准确性。当然，可以理解的是，转向马达501也可以采用伺服电机、液压马达、气动马达等形式为机器人转向提供动力。

伸缩支腿6上设有感应器601，感应器601可以识别支腿下是否有农作物或者有不宜踩踏的农作物，感应器601将感应数据传输给动力控制系统4，动力控制系统4分析数据后可以对选择伸缩支腿6的支撑点进行优化，这样将能最大限度的减少支腿支撑对农作物的损坏。

足式行走底盘有一个比较大的缺陷就是行走过程具有间歇性，但是工作系统往往需要一个比较平稳的运动过程，为了解决这个问题，在我们之前专利方案中都是采用我们设计的运动均衡装置来平衡间歇性运动以实现工作系统工作的平稳性，在该专利方案中，我们将优先采用电控方法来解决这一问题，当然，可以理解的是，将我们之前方案中的运动均衡装置安装到该专利方案中也是该技术领域内的技术人员可以很容易实现的，在此我们就不再赘述。根据该专利介绍的机器人具体结构，在该方案中，我们将采用电控方式来实现工作系统的平稳运动。

如图4所示，结合以上诸图，工作系统2可以在第二驱动轮201驱动下沿第一行走支架1前后运动，工作系统2相对于第一行走支架1的运动速度为第一运动速度V1，第一行走支架1可以在第三驱动轮301驱动下相对于第二行走支架3前后运动，第一行走支架1相对于第二行走支架3的运动速度为第二运动速度V2，由于第一行走支架1相对于第二行走支架3运动时，第二行走支架3相对于大地是静止的，故第一行走支架1相对于大地的运动速度为第二运动速度V2，第一行走支架1相对于大地是静止时，即第二运动速度V2为零时，第一运动速度V1就是工作系统2的工作速度，当第一行走支架1向前运动时，第二运动速度V2逐渐增大，与此同时第一运动速度V1将相应减小，此时工作系统2相对于大地的速度就是V1+V2，第一运动速度V1减小到零后，工作系统2相对于第一行走支架1将反向运动，第二运动速度V2继续增大，直至V1、V2都达到一个稳定值，整个过程，V1+V2都是一个定值，当各部分达到设定位置后，第二运动速度V2将逐渐减小，同时第一运动速度V1反方向等量减小，直至第一运动速度V1再次反方向恢复初始速度后，第二运动速度V2降至零，如此周而复始，即保证了工作系统2平稳的运行，在这个过程中，工作系统2相对于第一行走支架1做往复运动，也使得整个机器人可以持续稳定的工作下去。

动力控制系统4根据机器人具体动作需要，控制机器人各部分配合运动，并为整个装置提供能量支持。由于机电设备的驱动控制根据机械构造不同以及运动过程不同会有相应的控制流程，但都属于现有成熟的技术范围，在此不再赘述。

工作系统2可以根据农田具体需要，换装不同的工作装置，如换成采摘功能模块、浇灌功能模块、播种功能模块、施肥功能模块、观赏功能模块等，工作系统2优选为农药喷洒模块和农作物套种模块。当然，可以理解的是，该机器人主要用于农田作业，但也可以用于其它适合场合，农用是该机器人最主要的适用场合，但并不是对机器人使用范围的限定。

为了更清楚的反应该机器人的结构和功能，现在介绍该机器人的工作过程，此举例仅为多种选择方案中的一种，不是对本发明的限制。

如图1所示，结合以下诸图，机器人处于初始状态，将机器人运至需要作业的田地中，工作系统2开始工作，比如进行农药喷洒作业等，工作系统2会沿第一行走支架1的第一导轨104向前运动，同时第一行走支架前支架101上的伸缩支腿6收缩后向前伸出，伸出到预设位置后，第一行走支架前支架101上的伸缩支腿6伸出对机器人进行支撑，在这个过程中工作系统2一直沿第一导轨104平稳的移动，如图5所示。下一步，第二行走支架3上的所有伸缩支腿6收缩，在第三驱动轮301作用下第二行走支架3相对大地向前移动，到达预设位置后，第二行走支架3上的所有伸缩支腿6伸出对机器人进行支撑，在这个过程中工作系统2仍然沿第一导轨104平稳的移动，如图6所示。接下来，第一行走支架1上的所有伸缩支腿6收缩，在第三驱动轮301作用下第一行走支架1相对大地向前移动，在此过程中，第一行走支架1相对大地逐渐加速，工作系统2相对第一行走支架1逐渐减速，但是工作系统2相对大地仍然匀速运动，工作系统2相对第一行走支架1减速到零后，将反向运动，到预设位置后，工作系统2配合第一行走支架1再次减速，再次反向运动，这样工作系统2即能回到初始位置，又在整个过程中相对于大地保持匀速运动。如此周而复始，就可以实现机器人向前移动，并且保持工作系统相对于大地匀速运动，实现工作系统2可以均匀工作的目的。

如图8所示，结合以上诸图，在机器人需要转向时，第二行走支架3移动至预设位置，第二行走支架3上的所有伸缩支腿6收缩，在转向系统5上的转向马达501作用下，第二行走支架3相对于第一行走支架1发生转动，转动的角度根据需要控制，到达预设角度后，第二行走支架3上的所有伸缩支腿6伸出对机器人进行支撑，第一行走支架1上的所有伸缩支腿6收缩，在转向系统5上的转向马达501作用下，第一行走支架1相对于第二行走支架3发生转动，转动的角度大小就是第二行走支架3相对于第一行走支架1发生转动的角度，这样第一行走支架1和第二行走支架3就恢复原有的相对位置，机器人整体就实现了转向，并且可以在360度范围内实现任意角度的转向。当然，可以理解的是，机器人在行走过程中还有走偏的现象，这需要在行走过程中对机器人走向进行方向纠偏，纠偏的过程类似于转向的步骤，只是相当于小角度转向，并且在调向过程中，工作系统2可以正常工作。

进行远距离遥控以及自主导航工作，都已经属于现有技术，对于怎样嫁接到该机器人设备上，对该领域内的工程技术人员来说，不需要再进行创造性的工作，在此也不再赘述。

通过上述技术方案，本发明相比现有技术方案，结构更加简洁，控制更加简单，行走更加平稳、使用更加便捷。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，以及与我公司已公布专利方案中的部分功能结构进行组合，这些简单变型、组合均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种足式行走机器人，其特征在于，该种机器人包括第一行走支架（1）、工作系统（2）、第二行走支架（3）、动力控制系统（4）、转向系统（5）、伸缩支腿（6），第一行走支架（1）和第二行走支架（3）上都配有伸缩支腿（6），第一行走支架（1）和第二行走支架（3）之间可以做相对运动，工作系统（2）可以相对第一行走支架（1）运动，转向系统（5）可以驱动第一行走支架（1）和第二行走支架（3）之间发生转动，使得机器人整体在工作过程中可以进行转向、调向动作，动力控制系统（4）控制各部分协同工作，并为整个机器人工作提供能量，通过控制第一行走支架（1）和第二行走支架（3）之间的相对运动并配合伸缩支腿（6）的伸缩，使得机器人可以整体进行前进、后退动作，通过控制工作系统（2）相对第一行走支架（1）的运动，并且配合第一行走支架（1）和第二行走支架（3）之间的相对运动，可以实现工作系统（2）相对大地进行匀速运动。

2.根据权利要求1所述的一种足式行走机器人，其特征在于，所述第一行走支架（1）和第二行走支架（3）上设有伸缩支腿（6），第一行走支架（1）和第二行走支架（3）上伸缩支腿（6）的数量各优选3个腿，这样既能维持机器人整机平衡，又能以最少的支腿数量降低机器人制造成本以及减少支腿对农作物的损坏率。

3.根据权利要求1所述的一种足式行走机器人，其特征在于，所述第一行走支架（1）由第一行走支架前支架（101）和第一行走支架后支架（103）两部分组成，第一行走支架前支架（101）和第一行走支架后支架（103）之间嵌套连接，两者可以相互伸缩。

4.根据权利要求3所述的一种足式行走机器人，其特征在于，所述第一行走支架前支架（101）和第一行走支架后支架（103）之间设置第一驱动轮（102），可以驱动第一行走支架前支架（101）和第一行走支架后支架（103）之间相对移动。

5.根据权利要求1所述的一种足式行走机器人，其特征在于，所述工作系统（2）上设有第一导向座（202），第一行走支架（1）上设有第一导轨（104），第一导向座（202）和第一导轨（104）嵌套配合，确保工作系统（2）可以沿第一行走支架（1）平稳的运动，工作系统（2）上设有第二驱动轮（201），第二驱动轮（201）可以驱动工作系统（2）沿第一行走支架（1）运动。

6.根据权利要求1所述的一种足式行走机器人，其特征在于，所述第二行走支架（3）上设有第二导向座（302），第一行走支架（1）上设有第二导轨（105），第二导向座（302）和第二导轨（105）嵌套配合，可以确保第一行走支架（1）和第二行走支架（3）之间可以平稳运动，第二行走支架（3）上设有第三驱动轮（301），第三驱动轮（301）可以驱动第一行走支架（1）和第二行走支架（3）之间相对运动。

7.根据权利要求4、5、6所述的一种足式行走机器人，其特征在于，所述各驱动轮所接触的机器人结构表面设有防滑面层，防滑面层可以增加驱动轮的驱动效果，防滑面层优选摩擦系数高又耐磨损的材料，优选橡胶材料。

8.根据权利要求1所述的一种足式行走机器人，其特征在于，所述转向系统（5）上设有转向马达（501），转向马达（501）设置在第一行走支架（1）和第二行走支架（3）之间，可以驱动第一行走支架（1）和第二行走支架（3）之间发生相互转动，转向马达（501）优选具有减速变速箱的步进电机。

9.根据权利要求1所述的一种足式行走机器人，其特征在于，所述伸缩支腿（6）上设有感应器（601），感应器（601）可以识别支腿下是否有农作物或者有不宜踩踏的农作物，感应器（601）将感应数据传输给动力控制系统（4），动力控制系统（4）分析数据后可以对选择伸缩支腿（6）的支撑点进行优化，这样将能最大限度的减少支腿支撑对农作物的损坏，感应器（601）优选图像识别传感器。

10.根据权利要求1所述的一种足式行走机器人，其特征在于，所述工作系统（2）可以在第二驱动轮（201）驱动下沿第一行走支架（1）前后运动，工作系统（2）相对于第一行走支架（1）的运动速度为第一运动速度（V1），第一行走支架（1）相对于第二行走支架（3）的运动速度为第二运动速度（V2），当第二运动速度（V2）为零时，第一运动速度V1就是工作系统（2）的工作速度，当第一行走支架（1）向前运动时，第二运动速度（V2）逐渐增大，与此同时第一运动速度（V1）将相应减小，此时工作系统（2）相对于大地的速度就是（V1+V2），第一运动速度（V1）减小到零后，工作系统（2）相对于第一行走支架（1）将反向运动，第二运动速度（V2）继续增大，直至第一运动速度（V1）、第二运动速度（V2）都达到一个稳定值，整个过程，（V1+V2）都是一个定值，当各部分达到设定位置后，第二运动速度（V2）将逐渐减小，同时第一运动速度（V1）反方向等量减小，直至第一运动速度（V1）再次反方向恢复初始速度后，第二运动速度（V2）降至零，如此周而复始，即能保证工作系统（2）平稳的运动，同时工作系统（2）相对于第一行走支架（1）往复运动，也保证了整个机器人可以持续稳定的工作下去。