CN109176461A - 轮腿式越障机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种轮腿式越障机器人，属于移动机器人领域，其包括相连接的机架和轮腿机构；轮腿机构包括机架关节、机械臂转向装置、机械臂、轮体转向装置和轮体装置；机械臂转向装置与机架关节转动连接，机械臂一端与机械臂转向装置连接，另一端连接轮体转向装置，轮体装置与轮体转向装置转动连接，机械臂包括伸缩驱动装置以及能够折叠变形的四边形机构，伸缩驱动装置的固定端和伸缩端分别连接四边形机构的对角线的两端。利用机械臂转向装置能够驱动机械臂水平转动，利用轮体转向装置能够驱动轮体装置水平转动，机械臂通过其自身的伸缩驱动装置实现沿高度方向的运动，达到多个自由度的全方位行驶，具有良好的越障性能。

Description

轮腿式越障机器人
技术领域
本发明涉及移动机器人领域，具体涉及一种轮腿式越障机器人。
背景技术
机器人技术发展迅速，其中，移动机器人是目前机器人科学技术发展最活跃的领域之一。
随着性能的不断完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、林业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在城市安全、国防和空间探索领域等有害与危险场合得到很好的应用。
根据移动方式来分，可将地面移动机器人分为轮式、履带式、足式等。近年来各国研究者对轮腿复合式移动机器人进行了大量研究。
其中轮式机器人工作高速高效，但对应用场景要求较高，往往只适用于平坦路面；足式机器人越障性及复杂地形适用性较好，可用于岩石或土坡等环境，但其效率较低且控制结构复杂。因此，设计结合了轮式和足式两种移动方式的轮腿复合式机器人，更加符合实际复杂环境的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轮腿式越障机器人，用以解决现有技术存在的上述技术问题，能够实现多个自由度的全方位行驶、具有良好的越障性。
基于上述目的，本发明提供的轮腿式越障机器人，包括：机架和轮腿机构；所述轮腿机构设置在所述机架的周侧并与所述机架连接；
所述轮腿机构包括机架关节、机械臂转向装置、机械臂、轮体转向装置和轮体装置；
所述机架关节与所述机架连接，所述机械臂转向装置与所述机架关节转动连接，所述机械臂一端与所述机械臂转向装置连接，所述机械臂转向装置用以驱动机械臂水平转动，所述机械臂另一端连接所述轮体转向装置，所述轮体装置与所述轮体转向装置转动连接，所述轮体转向装置用以驱动所述轮体装置水平转动；
所述机械臂包括伸缩驱动装置以及能够折叠变形的四边形机构，所述伸缩驱动装置的固定端和伸缩端分别连接所述四边形机构的对角线的两端，通过控制伸缩驱动装置的伸缩量以调节四边形机构的对角线长度，使得机械臂能够沿高度方向运动。
上述技术方案中，利用机械臂转向装置能够驱动机械臂水平转动，利用轮体转向装置能够驱动轮体装置水平转动，同时，机械臂通过其自身的伸缩驱动装置能够实现沿高度方向运动，达到多个自由度的全方位行驶，具有良好的越障性。
进一步的，所述轮腿机构设置四个，四个所述轮腿机构分别均布在所述机架周侧。
进一步的，所述机械臂转向装置采用外转子电机，所述外转子电机的转轴与所述机架关节连接，所述外转子电机外壳与所述机械臂一端连接。
进一步的，所述四边形机构包括关节连杆、轮体连杆、第一连杆和第二连杆；
所述关节连杆与所述机械臂转向装置的外壳连接，所述轮体连杆与所述轮体转向装置连接；
所述第一连杆和所述第二连杆位于所述关节连杆和所述轮体连杆之间，所述第一连杆位于所述第二连杆上方，所述第一连杆和第二连杆的两端部分别通过销轴与所述关节连杆和所述轮体连杆转动连接，所述伸缩驱动装置的固定端与所述关节连杆通过销轴转动连接，所述伸缩驱动装置的伸缩端与所述轮体连杆通过销轴转动连接。
上述技术方案中，由关节连杆、轮体连杆、第一连杆和第二连杆组成的平行四边形结构，具有折叠功能，通过伸缩驱动装置的伸缩量调节能够使四边形机构相对于机架关节沿高度方向运动。
进一步的，所述轮体装置包括车轮架、轮毂电机和车轮，所述车轮架一端与所述轮体转向装置连接，所述车轮架另一端通过所述轮毂电机连接车轮。
上述技术方案中，利用轮毂电机能够驱动车轮转动，从而实现轮腿式越障机器人的移动。
进一步的，还包括压力传感器和位移传感器；
所述压力传感器安装在所述轮体转向装置的旋转端，所述位移传感器安装在轮毂电机的转轴上。
上述技术方案中，压力传感器用以检测轮体转向装置的旋转端的压力数据，位移传感器用以检测转轴的转动圈数数据，从而便于监控运行状态。
进一步的，还包括控制系统和环境感知系统；所述控制系统设置在所述机架内部，所述环境感知系统设置在所述机架上；
所述环境感知系统用以采集外部环境信息并转换为电信号输送至控制系统，所述控制系统用以接收处理所述环境感知系统传输的电信号并输送至远程监控系统，同时，所述控制系统还用以接收处理所述远程监控系统发送的动作控制指令以控制机械臂转向装置、轮体转向装置、伸缩驱动装置和轮体装置执行动作指令。
进一步的，所述环境感知系统包括红外摄像头、可见光摄像头和激光雷达。
上述技术方案中，利用红外摄像头、可见光摄像头和激光雷达能够充分采集外部环境信息，使该轮腿式越障机器人的能够根据外部环境调整运动策略，更加符合实际复杂环境的要求；
进一步的，所述控制系统包括主控制器、轮腿运动控制器和外部感知控制器；
所述外部感知控制器用于接收并处理所述环境感知系统的检测数据，并将所述检测数据传输至主控制器，同时，所述外部感知控制器能够接收主控器的控制指令以控制所述外部感知控制器的开启或关闭；
所述轮腿运动控制器用于接收并处理轮腿压力传感器和位移传感器的检测数据，将所述检测数据传输至主控制器，同时，所述轮腿运动控制器能够接收主控器的控制指令以控制所述轮腿机构动作；
所述主控制器接用于接收处理远程监控系统发送的控制指令，并发送控制指令至所述外部感知控制器和所述轮腿运动控制器。
进一步的，还包括导航系统，所述导航系统设置在所述机架上，所述导航系统用于检测所述机架位置信息，并能够将所述位置信息输送至所述控制系统。
采用上述技术方案，本发明提供的轮腿式越障机器人的技术效果有：
利用机械臂转向装置能够驱动机械臂水平转动，利用轮体转向装置能够驱动轮体装置水平转动，同时，机械臂通过其自身的伸缩驱动装置能够实现沿高度方向的运动，达到多个自由度的全方位行驶，具有良好的越障性，能够在行进间进行运动隔振，保持机身水平稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的轮腿式越障机器人的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的轮腿机构的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的环境感知系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的轮腿式越障机器人的第一种运动状态示意图；
图5为本发明实施例提供的轮腿式越障机器人的第二种运动状态示意图；
图6为本发明实施例提供的轮腿式越障机器人的控制原理图。
附图标记：100.机架，200.轮腿机构，210.机架关节，220.机械臂转向装置，230.机械臂，231.关节连杆，232.轮体连杆，233.第一连杆，234.第二连杆，235.伸缩驱动装置，236.销轴，240.轮体转向装置，250.轮体装置，251.车轮架，252.轮毂电机，253.车轮，300.压力传感器；400.位移传感器，500.环境感知系统，510.红外摄像头，520.可见光摄像头，530.激光雷达，600.导航系统，700.蓄电池组。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1、图2和图3所示，本发明实施例中提供的轮腿式越障机器人，包括：机架100和轮腿机构200。
轮腿机构200设置在机架100的周侧并与机架100连接，轮腿机构200起到支撑机架100并能够实现多自由度移动的作用，本实施例中，优选地，轮腿机构200设置四个，四个轮腿机构200分别均布在机架100周侧，采用四个轮腿机构200具有平衡性能好的特点，当然，本领域技术人员应当理解，根据实际使用情况，轮腿机构200可以进行适当的增加或者减少，例如可以是两个、三个或六个等。
轮腿机构200包括机架关节210、机械臂转向装置220、机械臂230、轮体转向装置240和轮体装置250。
其中，机架关节210与机架100连接，机架关节210起支撑作用，机械臂转向装置220与机架关节210转动连接，机械臂转向装置220起到调节机械臂230转向功能的作用，机械臂230一端与机械臂转向装置220连接，机械臂转向装置220能够驱动机械臂230水平转动，机械臂230另一端连接轮体转向装置240，轮体转向装置240起到调节轮体装置250转向功能的作用，轮体装置250与轮体转向装置240转动连接，轮体转向装置240能够驱动轮体装置250水平转动；
上述的机械臂230包括伸缩驱动装置235以及能够折叠变形的四边形机构，伸缩驱动装置235的固定端和伸缩端分别连接四边形机构的对角线的两端，通过控制伸缩驱动装置235的伸缩量以调节四边形机构的对角线长度，使得机械臂230能够沿高度方向运动。
本实施例技术方案中提供的上述轮腿式越障机器人，利用机械臂转向装置220能够驱动机械臂230水平转动，利用轮体转向装置240能够驱动轮体装置250水平转动，同时，机械臂230通过其自身的伸缩驱动装置235能够实现沿高度方向运动，达到多个自由度的全方位行驶，具有良好的越障性。
一个优选实施方案中，上述的机械臂转向装置220采用外转子电机，外转子电机的转轴与机架关节210连接，外转子电机外壳与机械臂230一端连接，通过外转子转动能够调节机械臂230水平转动的功能。当然，机械臂转向装置220还可以采用舵机和齿轮传动机构，舵机固定在机械关节上，舵机通过齿轮传动机构与机械臂230一端连接，从而驱动机械臂230水平转动。
一个优选实施方案中，请参照图2，上述的机械臂230中的四边形机构包括关节连杆231、轮体连杆232、第一连杆233和第二连杆234。
其中，关节连杆231与机械臂转向装置220(采用外转子电机时)的外壳连接，轮体连杆232与轮体转向装置240连接；
第一连杆233和第二连杆234位于关节连杆231和轮体连杆232之间，第一连杆233位于第二连杆234上方，第一连杆233和第二连杆234的两端部分别通过销轴236与关节连杆231和轮体连杆232转动连接，第一连杆233、第二连杆234、第一连杆233和第二连杆234共同组成一个平行四边形结构，并且，第一连杆233和第二连杆234能够同步以与关节连杆231连接的销轴236为轴心在高度方向转动；
伸缩驱动装置235优选采用电动推杆，伸缩驱动装置235的固定端与关节连杆231通过销轴236转动连接，伸缩驱动装置235的伸缩端与轮体连杆232通过销轴236转动连接，调节电动推杆的伸缩量变化，能够使四边形机构位置变动，即实现高度的调节。
上述技术方案中，由关节连杆231、轮体连杆232、第一连杆233和第二连杆234组成的平行四边形结构，具有折叠功能，通过伸缩驱动装置235的伸缩量调节能够使四边形机构相对于机架关节210沿高度方向运动。
一个优选实施方案中，轮体转向装置240优选采用驱动电机，其与轮体连杆232固定连接，驱动电机的转动轴与轮体装置250连接，用以驱动轮体装置250水平转动。
一个优选实施方案中，轮体装置250包括车轮架251、轮毂电机252和车轮253，车轮架251一端与轮体转向装置240(即驱动电机的输出轴)连接，车轮架251另一端通过轮毂电机252连接车轮253。利用轮毂电机252能够驱动车轮253转动，从而实现轮腿式越障机器人的移动。
一个优选实施方案中，该轮腿式越障机器人还包括压力传感器300和位移传感器400；
压力传感器300安装在轮体转向装置240的旋转端，位移传感器400安装在轮毂电机252的转轴上。
上述技术方案中，压力传感器300用以检测轮体转向装置240的旋转端的压力数据，位移传感器400用以检测转轴的转动圈数数据，从而便于监控运行状态。
一个优选实施方案中，该轮腿式越障机器人还包括控制系统和环境感知系统500；
控制系统设置在机架100内部，环境感知系统500设置机架100上；
环境感知系统500用以采集外部环境信息并转换为电信号输送至控制系统，控制系统用以接收处理环境感知系统500传输的电信号并输送至远程监控系统，同时，控制系统还用以接收处理远程监控系统发送的动作控制指令以控制机械臂转向装置220、轮体转向装置240、伸缩驱动装置235和轮体装置250执行动作指令。
一个优选实施方案中，请参照图3，环境感知系统500包括红外摄像头510、可见光摄像头520和激光雷达530。红外摄像头510优选设置两个，利用红外摄像头510、可见光摄像头520和激光雷达530能够充分采集外部环境信息，使该轮腿式越障机器人的能够根据外部环境调整运动策略，更加符合实际复杂环境的要求。
请参照图6，上述的控制系统包括主控制器、轮腿运动控制器和外部感知控制器；
外部感知控制器用于接收并处理环境感知系统500的检测数据，并将检测数据传输至主控制器，同时，外部感知控制器能够接收主控器的控制指令以控制外部感知控制器的开启或关闭；
轮腿运动控制器用于接收并处理轮腿压力传感器300和位移传感器400的检测数据，将检测数据传输至主控制器，同时，轮腿运动控制器能够接收主控器的控制指令以控制轮腿机构200(即图6中的轮腿执行机构)动作；
主控制器接用于接收处理远程监控系统(即远程监控计算机)发送的控制指令，并发送控制指令至外部感知控制器和轮腿运动控制器。
一个优选实施方案中，该轮腿式越障机器人还包括导航系统600，导航系统600设置在机架上，导航系统600采用北斗卫星导航系统，导航系统600用于检测所述机架位置信息，并能够将位置信息输送至控制系统。
一个优选实施方案中，该轮腿式越障机器人还包括蓄电池组700，蓄电池组700设置在机架100上，蓄电池组700起到对控制系统、环境感知系统500、机械臂转向装置220、轮体转向装置240、轮体装置250、压力传感器300和位移传感器400等用电元件的供电作用。
本发明实施例提供的轮腿式越障机器人能够实现如下几种运动模式：
轮式运动模式：
(1)控制系统通过对轮体转向装置240的控制可实现轮体装置250的全向运动，从而完成机器人任意方向的移动和原地转动；
(2)如图4所示，控制系统通过对机械臂转向装置220的控制可实现四条机械臂230绕机架关节210的圆周运动(图中箭头所示方向)，从而完成机器人变轮距和变轴距运动；
(3)如图5所示，控制系统通过对伸缩驱动装置235的伸长量的控制可改变平行四边形机构的对角线长度实现四条机械臂230的变形，从而完成机器人变高度运动(图中箭头所示方向)；
(4)控制系统同时控制轮边轮体转向装置240、机械臂转向装置220和对伸缩驱动装置235，从而完成机器人在空间中的稳定平动。
足式运动模式：
(1)控制系统通过对机械臂转向装置220和伸缩驱动装置235的控制可实现四个轮腿机构200的依次抬起与下落并向指定方向迈步，从而完成机器人足式行走运动；
轮足复合式运动模式：
控制系统控制机器人同时进行轮式运动和足式运动实现移动。
利用以上三种运动模式可以满足多种地形下的越障任务。使轮腿式越障机器人能够全方位行驶、具有良好的越障性，可以改变轮距、轴距和机身高度。具有环境适应性强、越障能力好，能够在行进间进行运动隔振，保持机身水平稳定的特点。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种轮腿式越障机器人，其特征在于，包括机架和轮腿机构；所述轮腿机构设置在所述机架的周侧并与所述机架连接；
所述轮腿机构包括机架关节、机械臂转向装置、机械臂、轮体转向装置和轮体装置；
所述机架关节与所述机架连接，所述机械臂转向装置与所述机架关节转动连接，所述机械臂一端与所述机械臂转向装置连接，所述机械臂转向装置用以驱动机械臂水平转动，所述机械臂另一端连接所述轮体转向装置，所述轮体装置与所述轮体转向装置转动连接，所述轮体转向装置用以驱动所述轮体装置水平转动；
所述机械臂包括伸缩驱动装置以及能够折叠变形的四边形机构，所述伸缩驱动装置的固定端和伸缩端分别连接所述四边形机构的对角线的两端，通过控制伸缩驱动装置的伸缩量以调节四边形机构的对角线长度，使得机械臂能够沿高度方向运动。
2.根据权利要求1所述的轮腿式越障机器人，其特征在于，所述轮腿机构设置四个，四个所述轮腿机构分别均布在所述机架周侧。
3.根据权利要求1所述的轮腿式越障机器人，其特征在于，所述机械臂转向装置采用外转子电机，所述外转子电机的转轴与所述机架关节连接，所述外转子电机外壳与所述机械臂一端连接。
4.根据权利要求3所述的轮腿式越障机器人，其特征在于，所述四边形机构包括关节连杆、轮体连杆、第一连杆和第二连杆；
所述关节连杆与所述机械臂转向装置的外壳连接，所述轮体连杆与所述轮体转向装置连接；
所述第一连杆和所述第二连杆位于所述关节连杆和所述轮体连杆之间，所述第一连杆位于所述第二连杆上方，所述第一连杆和第二连杆的两端部分别通过销轴与所述关节连杆和所述轮体连杆转动连接，所述伸缩驱动装置的固定端与所述关节连杆通过销轴转动连接，所述伸缩驱动装置的伸缩端与所述轮体连杆通过销轴转动连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的轮腿式越障机器人，其特征在于，所述轮体装置包括车轮架、轮毂电机和车轮，所述车轮架一端与所述轮体转向装置连接，所述车轮架另一端通过所述轮毂电机连接车轮。
6.根据权利要求5所述的轮腿式越障机器人，其特征在于，还包括压力传感器和位移传感器；
所述压力传感器安装在所述轮体转向装置的旋转端，所述位移传感器安装在轮毂电机的转轴上。
7.根据权利要求6所述的轮腿式越障机器人，其特征在于，还包括控制系统和环境感知系统；所述控制系统设置在所述机架内部，所述环境感知系统设置在所述机架上；
所述环境感知系统用以采集外部环境信息并转换为电信号输送至控制系统，所述控制系统用以接收处理所述环境感知系统传输的电信号并输送至远程监控系统，同时，所述控制系统还用以接收处理所述远程监控系统发送的动作控制指令以控制机械臂转向装置、轮体转向装置、伸缩驱动装置和轮体装置执行动作指令。
8.根据权利要求7所述的轮腿式越障机器人，其特征在于，所述环境感知系统包括红外摄像头、可见光摄像头和激光雷达。
9.根据权利要求7所述的轮腿式越障机器人，其特征在于，所述控制系统包括主控制器、轮腿运动控制器和外部感知控制器；
所述外部感知控制器用于接收并处理所述环境感知系统的检测数据，并将所述检测数据传输至主控制器，同时，所述外部感知控制器能够接收主控器的控制指令以控制所述外部感知控制器的开启或关闭；
所述轮腿运动控制器用于接收并处理轮腿压力传感器和位移传感器的检测数据，将所述检测数据传输至主控制器，同时，所述轮腿运动控制器能够接收主控器的控制指令以控制所述轮腿机构动作；
所述主控制器接用于接收处理远程监控系统发送的控制指令，并发送控制指令至所述外部感知控制器和所述轮腿运动控制器。
10.根据权利要求7所述的轮腿式越障机器人，其特征在于，还包括导航系统，所述导航系统设置在所述机架上，所述导航系统用于检测所述机架位置信息，并能够将所述位置信息输送至所述控制系统。
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