CN108839822B - 一种可重复飞行轮腿复合移动机器人 - Google Patents

Abstract

一种可重复飞行轮腿复合移动机器人，包括主舱体、轮腿复合移动机构、推进系统、测控和载荷；主舱体作为机器人的主承力结构，为轮腿复合移动机构、推进系统、制导导航与控制系统、电源、测控和载荷提供安装接口；轮腿复合移动机构作为机器人的移动装置，安装在主舱体上；推进系统布局采用主推力器中心安装和辅推力器边缘对称安装的方式安装在主舱体上。该机器人能够以轮腿联动、轮式或足式等方式实现非结构化地形表面移动，又能够喷气低空飞行，解决单纯轮式、足式机器人在移动能力上的局限性，实现星球表面复杂地形的全地形通过。

Description

一种可重复飞行轮腿复合移动机器人

技术领域

本发明涉及一种可重复飞行轮腿复合移动机器人技术。

背景技术

面向未来月球基地建设和探测的月面移动机器人需要长时间工作(月球车应具备在月球表面工作至少数月的能力)，探测范围要求显著增加(行驶距离要达到数百公里)，需要适应大部分月球表面大部分地形。同时月球原位资源利用需要移动机器人具有较高的移动效率。已有月球/火星探测主要采用纯轮式或摇臂-悬架式移动机构。纯轮式移动速度快，但越障能力弱；摇臂—悬架机构虽然能使月面轮式移动机器人在移动过程中被动适应地形，保持一定的越障能力(具有相同车轮尺寸情况下，采用摇臂-转向架式系统的六轮月球车能够跨越的障碍尺寸，约是四轮无悬挂系统月球车的三倍。)，但限于摇臂长度和转动角度等约束，越障能力仍很有限，且需要较强的障碍识别和避障规划能力，使自主避障时的平均移动速度非常低(勇气号和机遇号平均移动速度为40m/h，好奇号平均移动速度为30m/h)，轮式移动机构速度快的优势没有得到发挥。一旦障碍识别和避障规划失误，会导致移动机器人沉陷或卡住，而被动适应地形的摇臂—悬架机构脱困能力非常有限，特别是在松软的月球表面。

增大车轮或采用主动摇臂-悬架方式是提高越障能力的技术途径。其中增大车轮直径会导致重量提升，且越障能力提高有限，若采用车轮轻薄减重设计，会导致在复杂地面被尖锐突起障碍扎破；主动摇臂悬架方式一定程度上增强了火星车的脱困能力，但对正常移动能力没有提高，面对陡坡、密集岩石和沟壑等地形仍然无法驶入探测。

综上，我国未来月球基地探测任务需要研究一种具有能够适应更复杂地形，并能有效提高探测效率的新型移动机器人。针对上述需求和面临的问题，本项目提出了具有可重复飞行能力的轮腿复合移动机器人。与已有月球/火星车的轮式移动机构相比，足式机器人具有障碍跨越、沙地及崎岖等特殊路面行走能力，其运动的盲区远小于轮式或履带式。足式移动机器人既能以静态方式在复杂地形上行走，又能以动态方式(步行过程任意时刻均少于三条腿同时处于支撑状态的步行方式)实现高速行走。足式运动的缺点是结构复杂，对控制的要求比较高。另外，在现有技术条件下，足式机器人的能耗会高于轮式结构，不适合长时和长距离探测，轮腿复合移动机构能够结合两种运动机构的优点，是一种兼顾运动高效能与环境适应性的运动模式，可以实现良好的运动灵活性和较高的移动速度。据调研，具有相同通过能力的要求下，轮腿式运动系统预计比轮式运动系统的重量减少约25％，是月面机器人的一种优选机构。

轮腿式移动机构基本可以实现大部分复杂地形探测。月面上除了环形山、月海、月坑等地理特征外，还存在大小不一的沟谷。较宽的称为月谷，较细长的称为月溪。轮腿式移动机构在遇到这类地形时，只能绕行或停止探测，无法越过。此外月球南极地区存在较大月球坑，坑壁外沿陡峭，坑底为永久阴影区，所以仅靠轮腿移动方式难以到达对月球坑进行探测。

发明内容

本发明技术解决问题：克服复杂地形下轮式、足式和轮足机器人在移动效率方面的，提出一种可重复飞行轮腿复合移动机器人，同时具有重复喷气飞行和复杂地形表面高效移动能力。

本发明采用的技术方案：一种可重复飞行轮腿复合移动机器人，包括主舱体、轮腿复合移动机构、推进系统、测控和载荷；主舱体作为机器人的主承力结构，为轮腿复合移动机构、推进系统、制导导航与控制系统、电源、测控和载荷提供安装接口；轮腿复合移动机构作为机器人的移动装置，安装在主舱体上；推进系统布局采用主推力器中心安装和辅推力器边缘对称安装的方式安装在主舱体上。

所述主舱体采用中心对称蝶形或半锥形结构。

所述机器人包括四个轮腿复合移动机构，每个轮腿复合移动机构包括大腿、小腿、轮足、腿部关节、重复缓冲减震机构和力传感器；腿部关节包括双自由度髋关节和单自由度膝关节，各关节均采用直流电机驱动；每个腿部关节由防尘盖、绝对编码器、谐波减速器、联轴器、行星齿轮箱、伺服电机、相对编码器、电机控制器组成；大腿和主舱体之间安装双自由度髋关节，大腿和小腿之间安装单自由度膝关节，小腿的另一端安装轮足；重复缓冲减震机构集成在小腿上，用于克服机器人降落时与地面产生的冲击；重复缓冲减震机构接收上层控制，进行缓冲状态设置，实现多次重复缓冲减震；力传感器安装在重复缓冲减震机构上端与膝关节连接处。

推进系统的主结构底部采用圆锥形空心设计，为主推力器预留安装接口，主推力器喷管的下边缘高于主结构舱体底盖下边缘；主结构舱体底盖的正前、正后、正左、正右的边缘处安装有4组辅推力器，每组由三个辅推力器组成，中间辅推力器垂直安装，两侧辅推力器水平向下倾斜对称安装；主推力器安装在主结构体底部中心。

所述力传感器采用ATI多维力传感器测量系统，量程≥300N，测量精度≤0.2％；推进剂采用绿色低压ADN推进系统。

所述机器人还包括用于完成机器人的自主感知、导航、规划与控制的制导导航与控制系统。

所述机器人还包括电源系统，所述电源系统采用“蓄电池+太阳电池板”供电，蓄电池一主一备，安装在主舱体内部；太阳电池板外布在主舱体的顶盖上。

所述制导导航与控制系统包括配备在机器人顶部和底部的相机和激光雷达，实现对阴影区和阳照区地形的自主准确感知；采用基于主被动视觉融合技术，自主识别突起和凹陷的障碍，为低空飞行和表面移动提供障碍识别信息。

所述制导导航与控制系统还包括配备在机器人顶部得太阳敏感器和星敏感器，内部配备高精度惯导敏感器，基于天文、惯性和视觉导航方法，实现机器人的自主导航，实时确定机器人的位置和姿态信息。

所述制导导航与控制系统还配备GPU处理器，用于进行大数据处理，面临新环境时具有基于深度强化学习的自学习训练能力。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)机器人具有星球复杂表面多维移动能力，能够适应复杂全地形条件。

a.轮腿协动方式：平缓起伏地形下，通过轮足复合协调控制快速巡视；

b.四足方式：大障碍离散分布地形，通过足式移动绕过或越过障碍；

c.(超)低空飞行方式：障碍密集分布、陡坡或深沟等地形或者要求快速到达远距离探测目标，通过(超)低空飞行方式掠过障碍。

(2)机器人具有较高智能水平。能够自主导航、自主识别地形，根据探测任务需求自主决策移动方式。在前进、后退、转向、越障、跨越沟壑、爬越斜坡、着陆或起飞等外力冲击等情况，机器人都保持姿态稳定性，并通过多种移动方式提高综合移动效率。能够通过自学习适应未知新环境，更新规划和控制策略。

(3)具有较长的飞行续航能力。推进系统采用可补加可更换模块化设计，可以通过月球基地/科研站补加燃料、更换或增加储箱；轮腿复合机构既是移动机构，也是可重复减震的缓冲机构，支持机器人多次重复飞行。

附图说明

图1为机器人组成示意图；

图2为机器人推进系统布局示意图；

图3为轮腿设计图；

图4为足式运动规划与控制示意图；

图5为机器人感知敏感器配置示意图；

图6为机器人自主任务规划流程。

具体实施方式

如图1所示，一种可重复飞行轮腿复合移动机器人，包括主舱体、轮腿复合移动机构、推进系统、制导导航与控制系统、电源系统、测控和载荷；

主舱体作为机器人的主承力结构，采用中心对称蝶形或半锥形设计，为轮腿复合移动机构、推进系统、制导导航与控制系统、电源、测控和载荷提供安装接口；

机器人包括四个轮腿复合移动机构，每个轮腿复合移动机构包括大腿、小腿、轮足、腿部关节、重复缓冲减震机构和力传感器；

电源系统采用“蓄电池+太阳电池板”供电，蓄电池一主一备，安装在主舱体内部；太阳电池板外布在主舱体的顶盖上；

制导导航与控制系统用于完成机器人的自主感知、导航、规划与控制；

腿部关节和轮足联合控制，腿部关节调整各轮足高度，适应地形变化并保持姿态平稳；轮足运动实现快速移动，平稳通过起伏地形；

腿部关节包括双自由度髋关节和单自由度膝关节，各关节均采用直流电机驱动；每个腿部关节由防尘盖、绝对编码器、谐波减速器、联轴器、行星齿轮箱、伺服电机、相对编码器、电机控制器组成；大腿和主舱体之间安装双自由度髋关节，大腿和小腿之间安装单自由度膝关节，小腿的另一端安装轮足；

重复缓冲减震机构集成在小腿上，用于克服机器人降落时与地面产生的冲击；重复缓冲减震机构接收上层控制，进行缓冲状态设置，实现多次重复缓冲减震。

力传感器采用ATI多维力传感器测量系统，量程≥300N，测量精度≤0.2％，安装在重复缓冲减震机构上端与膝关节连接处；

推进系统布局采用主推力器中心安装和辅推力器边缘对称安装的方式；主结构底部采用圆锥形空心设计，为主推力器预留安装接口，主推力器喷管的下边缘高于主结构舱体底盖下边缘；主结构舱体底盖的正前、正后、正左、正右的边缘处安装有4组辅推力器，每组由三个辅推力器组成，中间辅推力器垂直安装，两侧辅推力器水平向下倾斜对称安装；主推力器安装在主结构体底部中心；

推进剂采用绿色低压ADN推进系统；

制导导航与控制系统：

机器人顶部和底部配备相机和激光雷达，实现对阴影区和阳照区地形的自主准确感知；采用基于主被动视觉融合技术，自主识别突起和凹陷的障碍，为低空飞行和表面移动提供障碍识别信息。

机器人顶部配备太阳敏感器和星敏感器，内部配备高精度惯导敏感器，基于天文、惯性和视觉导航方法，实现机器人的自主导航，实时确定机器人的位置和姿态信息；

机器人具有自主运动规划能力，能够根据三维实时地图和障碍信息，结合机器人任务要求以及能源、通信等需求，判断选择要到达的目标；结合移动机器人的运动能力，规划决策出最优的运动模式，正常情况下优先采取轮腿协动方式，大障碍情况下采用四足步行模式 (对角小跑为主，四足慢走备选)和低空飞行模式，故障情况下采取故障应急模式(单纯轮式运动或轮腿协动故障模式)。

机器人配备GPU处理器，可以进行大数据处理，面临新环境时具有基于深度强化学习的自学习训练能力。

轮腿联动协调运动时，足式关节和轮速联合控制，足式关节调整各轮足高度，适应地形变化并保持姿态平稳；轮足运动实现快速移动，平稳通过起伏地形；

重复缓冲减震机构集成在小腿上，能够克服机器人在2m高度降落时与地面产生的冲击，保护轮腿驱动电机在冲击及能量释放后正常工作。缓冲机构接收上层控制，能够进行缓冲状态设置，实现多次重复缓冲减震。

本发明具有突起或凹陷奇异地形的足式运动能力，通过足式运动跨越轮腿联动无法通过的突起或凹陷等突变障碍；

本发明轮腿协动过程中遇到较大突起或凹陷障碍，轮腿协动无法通过时，将轮足锁死，机器人通过慢走或小跑步态实现越障。

本发明具有短距离巡航飞行和远距离弹道飞行能力，可实现长距离大陡坡、岩壁、大直径深坑等复杂地形的高效探测，或者快速到达远距离探测目标；机器人轮腿复合机构的重复缓冲减震设计，能够支持机器人重复起飞降落；机器人装配有可自主补加的小型模块化设计推进系统，为机器人在真空/非真空环境多次重复飞行提供所需燃料；

本发明推进系统采用可补加可更换模块化设计，可以通过补加燃料、更换或增加储箱的方式，保持机器人多次重复飞行的能力；

本发明推力器布局采用主推力器中心安装和辅推力器边缘对称安装的方式。主结构底部采用圆锥形空心设计，为主推力器j0预留安装接口，以保证喷气时对本体的推力作用点在机器人重心上方，确保俯仰和滚转运动的静稳定性。推力器喷管的下边缘略高于主结构舱体底盖下边缘，可确保不干涉轮腿运动。主结构舱体底盖的正前正后和正左正右的边缘处安装有4组辅推力器，每组由三个辅推力器组成，中间辅推力器j1-j4垂直安装，两侧辅推力器水平向下倾斜对称安装，同时提供水平和垂直推力。推力器布局示意图如图2所示。

(超)低空飞行方式有两种：巡航飞行和弹道飞行。近距离航程(200m以内)时以巡航飞行为主，飞行高度一般不高于10m (5m～10m)。远距离航程(8km～15km)，采用弹道飞行方式，节约燃料。

本发明具有复杂自然地形下自主感知与规划、自主导航和智能自主控制能力，能够自主识别地形并切换对应的移动模式，实现全地形探测；机器人顶部和底部配备相机和激光雷达等主动和被动视觉敏感器，能够实现对阴影区和阳照区地形的自主准确感知；采用基于主被动视觉融合技术，自主识别突起和凹陷的障碍，包括岩石、斜坡、深坑等，为低空飞行和表面移动提供障碍识别信息。机器人顶部配备太阳敏感器和星敏感器，内部配备高精度惯导敏感器，基于天文、惯性和视觉导航方法，实现机器人的自主导航，实时确定机器人的位置和姿态信息；机器人具有自主运动规划能力，能够根据三维实时地图和障碍信息，结合机器人任务要求以及能源、通信等需求，判断选择要到达的目标；结合移动机器人的运动能力，规划决策出最优的运动模式，正常情况下优先采取轮腿协动方式，大障碍情况下采用四足步行模式(对角小跑为主，四足慢走备选)和低空飞行模式，故障情况下采取故障应急模式(单纯轮式运动或轮腿协动故障模式)。

机器人配备GPU处理器，可以进行大数据处理，面临新环境时具有基于深度强化学习的自学习训练能力。

具体实施方式如下：

机器人的主结构采用中心对称的碟形设计，由底盘和弧形顶盖组成。主舱体的底盘直径为1.2米，两腿根部中心距离为0.85米，标称站立高度为1.45米。底盘上预留推力器、轮腿机构、电气设备、控制设备和燃料箱等安装接口。机器人电源系统采用“蓄电池+太阳电池板”供电，蓄电池一主一备，安装在主舱体内部；太阳电池板外布在弧形顶盖上，此外可以增加可展开收拢的活动帆板，增加太阳能电池供电能力。

机器人主要指标：

自重：≤200kg；负载能力：≥20kg

表面移动速度：≥500m/h；低空飞行平均速度：≥5km/h

表面移动时最大越障高度：≥0.5m(足式)、≥0.35m(轮腿协动)；

(超)低空飞行时最大越障高度：≥5m

表面探测范围：优于1km；(超)低空飞行探测范围：优于10km；

(2)具有自然起伏地形下轮腿协调运动能力，通过腿部关节和轮速协调运动，实现起伏地形下的快速平稳通过。

具体实施方式如下：

四条轮腿在机器人本体上对称安装，每条轮腿复合机构如图3所示。每条腿包含4个运动自由度：髋关节2个自由度(髋横滚、髋俯仰)、膝关节1个自由度(膝俯仰)、轮足1个自由度(轮子转动)，各关节均采用直流电机驱动。每个腿部关节由防尘盖、绝对编码器、谐波减速器、联轴器、行星齿轮箱、伺服电机(包含抱闸)、相对编码器、电机控制器等组成。

重复缓冲减震机构采用弹簧式缓冲结构，适应真空、高低温等恶劣环境。

力传感器采用ATI多维力传感器测量系统，量程≥300N，测量精度≤0.2％，安装在缓冲机构上端与膝关节连接处。

(2)具有突起或凹陷奇异地形的足式运动能力，通过足式运动跨越轮腿联动无法通过的突起或凹陷等突变障碍。

具体实施方式如下：

采用四足机器人步态规划与控制方法，分为主步态规划模块与反馈控制模块两部分，如图4所示。主步态规划模块包括重心运动轨迹规划、摆动腿轨迹规划和腿部逆运动学模块。综合考虑复杂地形下的稳定性和能效比，实际应用中采用慢走步态和对角步态作为四足机器人在不平整地形下行走的主步态。反馈控制中采用自适应主动柔顺控制方法，针对不同地形情况自适应调整阻抗滤波器参数，实现阻抗控制和姿态控制。

(3)具有短距离巡航飞行和远距离弹道飞行能力，可实现长距离大陡坡、岩壁、大直径深坑等复杂地形的高效探测，或者快速到达远距离探测目标。

具体实施方式如下：

考虑低空飞行对安全性的要求，采用绿色低压ADN推进系统，由贮箱、流量控制阀、自锁阀、推力器及管路等组成。双贮箱总重约为15.8kg。

推力器分为垂直主推力器、垂直辅推力器和水平推力器。其中垂直主推力器推力在100N～250N之间连续可调，安装在主结构体底部中心，喷气矢量高于机器人质心，用作起飞上升加速或着陆下降减速的主发动机。垂直辅推力器有四个，选用5N推力，安装在主结构体底部边缘，用于辅助主推力器完成加速减速，并进行水平姿态控制；水平推力器有8个，选用1N推力，两两一组对称安装在主结构体边缘，分别用于产生水平推力，调整飞行方向。

(4)具有复杂自然地形下自主感知与规划、自主导航和智能自学习能力，能够自主识别地形并切换对应的移动模式，实现全地形探测。

具体实施方式如下：

为了适应机器人低空飞行和表面移动对环境感知的需求，感知敏感器分为三类：环形扫描激光雷达、全天时感知避障敏感器、主被视觉一体化敏感器。

环形扫描激光雷达安装于机器人主舱体的上端部位，具有360 度的水平视场，全天时工作能力，能够探测机器人周围环形区域内的地形起伏，辅助机器人进行路径规划，并探测潜在的地形危险。

全天时感知避障敏感器包含一对双目相机和主动照明光源，安装于机器人主舱体的前端，用于机器人行驶过程中的近处地形精细感知、障碍识别和获取星体表面的清晰的近摄图像。为实现对地形的快速、高分辨的探测，采用硬件化的图像处理和匹配算法，提高感知效率。

主被一体感知敏感器由激光雷达和单目相机组成，安装在机器人主舱体底面，用于机器人飞行着陆过程中对着陆区域的地形进行感知，识别障碍，选择安全着陆区。

三类敏感器在机器人上配置如图5所示。

机器人通过自身敏感器测量信息，确定环境和自身状态，并根据任务目标进行自主任务规划，规划流程如图6所示。

Claims (9)

1.一种可重复飞行轮腿复合移动机器人，其特征在于：包括主舱体、轮腿复合移动机构、推进系统、测控和载荷；主舱体作为机器人的主承力结构，为轮腿复合移动机构、推进系统、制导导航与控制系统、电源、测控和载荷提供安装接口；轮腿复合移动机构作为机器人的移动装置，安装在主舱体上；推进系统布局采用主推力器中心安装和辅推力器边缘对称安装的方式安装在主舱体上；

推进系统的主结构底部采用圆锥形空心设计，为主推力器预留安装接口，主推力器喷管的下边缘高于主结构舱体底盖下边缘；主结构舱体底盖的正前、正后、正左、正右的边缘处安装有4组辅推力器，每组由三个辅推力器组成，中间辅推力器垂直安装，两侧辅推力器水平向下倾斜对称安装；主推力器安装在主结构体底部中心。

2.根据权利要求1所述的一种可重复飞行轮腿复合移动机器人，其特征在于：所述主舱体采用中心对称蝶形或半锥形结构。

3.根据权利要求1所述的一种可重复飞行轮腿复合移动机器人，其特征在于：所述机器人包括四个轮腿复合移动机构，每个轮腿复合移动机构包括大腿、小腿、轮足、腿部关节、重复缓冲减震机构和力传感器；腿部关节包括双自由度髋关节和单自由度膝关节，各关节均采用直流电机驱动；每个腿部关节由防尘盖、绝对编码器、谐波减速器、联轴器、行星齿轮箱、伺服电机、相对编码器、电机控制器组成；大腿和主舱体之间安装双自由度髋关节，大腿和小腿之间安装单自由度膝关节，小腿的另一端安装轮足；重复缓冲减震机构集成在小腿上，用于克服机器人降落时与地面产生的冲击；重复缓冲减震机构接收上层控制，进行缓冲状态设置，实现多次重复缓冲减震；力传感器安装在重复缓冲减震机构上端与膝关节连接处。

4.根据权利要求3所述的一种可重复飞行轮腿复合移动机器人，其特征在于：所述力传感器采用多维力传感器测量系统，量程≥300N，测量精度≤0.2％；推进剂采用绿色低压ADN推进系统。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种可重复飞行轮腿复合移动机器人，其特征在于：所述机器人还包括用于完成机器人的自主感知、导航、规划与控制的制导导航与控制系统。

6.根据权利要求1-4任一所述的一种可重复飞行轮腿复合移动机器人，其特征在于：所述机器人还包括电源系统，所述电源系统采用“蓄电池+太阳电池板”供电，蓄电池一主一备，安装在主舱体内部；太阳电池板外布在主舱体的顶盖上。

7.根据权利要求5所述的一种可重复飞行轮腿复合移动机器人，其特征在于：所述制导导航与控制系统包括配备在机器人顶部的相机，和配备在机器人底部的激光雷达，实现对阴影区和阳照区地形的自主准确感知；采用基于主被动视觉融合技术，自主识别突起和凹陷的障碍，为低空飞行和表面移动提供障碍识别信息。

8.根据权利要求5所述的一种可重复飞行轮腿复合移动机器人，其特征在于：所述制导导航与控制系统还包括配备在机器人顶部的太阳敏感器和星敏感器，内部配备高精度惯导敏感器，基于天文、惯性和视觉导航方法，实现机器人的自主导航，实时确定机器人的位置和姿态信息。

9.根据权利要求5所述的一种可重复飞行轮腿复合移动机器人，其特征在于：所述制导导航与控制系统还配备GPU处理器，用于进行大数据处理。

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