CN109178122B - 轮腿履带复合式复杂地面自适应微小机器人及控制方法 - Google Patents

轮腿履带复合式复杂地面自适应微小机器人及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种轮腿履带复合式复杂地面自适应微小机器人及控制方法，属于机械制造领域。三维扫描仪通过螺钉固定连接在车身上端面的前侧，自平衡模块通过螺钉固定连接在车身上端面的正中位置，动力传递机构有四个，分别固定连接车身内部的左右两端底部，每个动力传递机构与可变形履带固定连接。优点是：行走机构采用可变形轮的设计，可以通过变形为轮、履带、腿，适应地形能力强，能很好地跨越障碍，并且通过效率高，采用三维扫描仪探查地形并根据具体情况自动适应复杂地形，利用反作用飞轮产生的力矩克服机器人倾覆力矩以保持平衡，采用PID算法进行控制保持平衡灵敏度高强。

Description

轮腿履带复合式复杂地面自适应微小机器人及控制方法
技术领域
本发明属于机械制造领域，尤其涉及一种轮腿履带复合式复杂地面自适应微小机器人。
背景技术
随着机器人技术的发展，机器人技术开始在越来越多的领域上使用，这对机器人对于复杂地面的适应能力提出了很高的要求，但目前的技术中存在着对于复杂地面的适应能力差，通过效率低，速度慢等缺点，因此研究出一种适应地形能力强的机器人尤为重要，而且有着重要的应用价值。
发明内容
本发明提供一种轮腿履带复合式复杂地面自适应微小机器人及控制方法，以解决目前存在的对于复杂地面适应能力差，通过效率低，速度慢的问题。
本发明采用的技术方案是：包括车身、三维扫描仪、自平衡模块、动力传递机构、可变形轮，其中三维扫描仪通过螺钉固定连接在车身上端面的前侧，自平衡模块通过螺钉固定连接在车身上端面的正中位置，动力传递机构有四个，分别固定连接车身内部的左右两端底部，每个动力传递机构与可变形履带固定连接。
所述的自平衡模块包括壳体、反作用飞轮、端盖、滑动轴承、轴承座、轴承端盖、电机、陀螺仪，其中轴承座有两个，分别通过螺钉固定连接在壳体底部的前侧和左侧，滑动轴承有四个，分别固定连接在壳体的箱体孔内和轴承座的轴承孔内，端盖有两个，分别通过螺钉固定连接在壳体的前端面和左端面，轴承端盖有两个，分别通过螺钉固定连接在两个轴承座的端面，反作用飞轮有两个，分别穿过滑动轴承的内孔，且通过端盖和轴承端盖两端固定，电机有两个，分别通过螺钉固定连接在壳体底面，陀螺仪通过螺钉固定连接在壳体底面的正中。
所述的动力传递机构包括电机一、联轴器、蜗杆轴、轴承座一、蜗轮、角度传感器、圆螺母、轴承座二、电机二、同步带、空心输出轴、输出轴、端盖，其中电机一通过螺钉固定连接在车身内部的底部，轴承座一通过螺钉固定连接在车身内部的底部，轴承座二通过螺钉固定连接在车身内部的底部，蜗杆轴穿过轴承座一和轴承座二的轴承内圈采用两端固定的方式固定，联轴器与电机一的主轴通过键连接、与蜗杆轴通过键连接，所述的电机二通过螺钉固定连接在车身内部的底部，空心输出轴采用两端固定的方式固定连接在车身的箱体孔内，同步带包裹在电机二的主动齿轮和空心输出轴的齿轮上，角度传感器通过螺钉固定连接在车身内部的底部，输出轴采用两端固定的方式固定连接在空心输出轴的孔内、且端部通过角度传感器的内孔，端盖通过螺钉固定连接在车身的侧面，蜗轮通过键连接周向固定在输出轴上，并通过圆螺母实现轴向固定。
所述的可变形轮包括橡胶齿形带、支撑轮系、辅助齿轮、主动齿轮、液压缸、压块、六边形基体，其中主动齿轮通过螺钉固定连接在空心输出轴上，六边形基体通过键连接与输出轴周向固定，所述的液压缸通过螺钉与六边形基体固定连接，所述的支撑轮系与液压缸的活塞杆固定连接，橡胶齿形带包围在支撑轮系的外部，辅助齿轮与六边形基体滑动连接，压块和输出轴固定连接。
所述的支撑轮系包括支撑轮、电磁铁、支撑架、抱闸器、滑块，所述的支撑轮有三个，其中两个与支撑架的轴承采用两端固定的方式固定，另外一个与滑块的轴承采用两端固定的方式固定，所述的滑块与支撑架滑动连接，所述的电磁铁与支撑架固定连接。
一种轮腿履带复合式复杂地面自适应微小机器人控制方法，包括：
一、复杂路况自适应
通过安装在车头的三维扫描仪扫描识别之后，根据路况信息变换适当的行走机构以适应不同的路况，平坦路面采用轮式，泥泞路面采用履带式，崎岖路面采用腿式；
二、轮式
当支撑轮系的滑块通过电磁铁与支撑架下侧吸合时，3个支撑轮的外包络面为一个圆弧，6个液压缸等量伸出，橡胶齿形带张紧，抱闸器抱闸，动力通过电机-蜗杆蜗轮传递给六边形基体，由于此时抱闸器抱闸，支撑轮自锁，六边形基体带动整个机构旋转，机器人行走机构切换为轮式；
三、履带式
当支撑轮系的滑块通过电磁铁与支撑架上侧吸合时，3个支撑轮的外包络面为一段直线，A、B、F号三个液压缸全部缩回，全部缩回时，支撑轮系的左右两侧的两个支撑轮刚好与辅助齿轮、主动齿轮外圆相切，最下侧的D号液压缸伸出长度使支撑轮的外包络面与辅助齿轮相切，C、E号两个液压缸对称伸出，使橡胶齿形带张紧，抱闸器不抱闸，动力通过电机-同步带传递给主动齿轮，此时抱闸器不抱闸，支撑轮处于自由转动状态，主动齿轮可以带动履带，机器人行走机构切换为履带式；
四、腿式
当支撑轮系的滑块通过电磁铁与支撑架上侧吸合时，3个支撑轮的外包络面为一段直线，上侧A、B、C、E、F号液压缸全部缩回，最下侧的D号液压缸伸出，伸出长度使塑料履带张紧，抱闸器抱闸，动力通过电机-蜗杆蜗轮传递六边形基体，此时抱闸器抱闸，支撑轮自锁，通过控制电机的正反转及正反转的圈数，实现六边形基体带动整个机构在一定角度内摆动，其中摆动角度可以通过角度传感器检测，机器人行走机构切换为腿式，当上侧A、B、C、E、F号液压缸伸出一小段，最下侧的D号液压缸缩回一小段，机器人完成伸抬腿动作；机器人工作在腿式状态下的行走方案模仿牛的行走姿态，采用四条腿两分、两合，左右交替成一个完步；
五、在有侧翻危险下的平衡
在要发生侧翻的临界位置，机器人的整体重心G在支撑点的垂直直线，当重心偏移超过临界位置的之后，电机会带动反作用飞轮旋转；
根据牛顿第三定律,反作用飞轮作用于机器人的反作用力矩即飞轮输出力矩Tr与作用于飞轮转子的力矩To大小相等,方向相反，其中，作用于飞轮转子的力矩To与飞轮角速率ω的微分成正比，即：
To＝Tr＝Jα
其中，J是飞轮转子转动惯量，α是飞轮角加速度，Tr是飞轮输出力矩，To是飞轮转子的力矩；
自平衡模块由两个相互垂直的反作用飞轮组成，可以在水平面内合成任意方向的转矩，用来克服倾覆机器人的力矩，要保证不侧翻需要保证：
综合以上各式，
当检测到机器人处于侧翻临界位置或者已经超过临界位置时，只要保证两个反作用飞轮的合成输出扭矩方向为平行于过两支撑点直线；扭矩大小为Tr≥G×d，即飞轮角加速度
六、发生在对角线上的失衡时的平衡
在行走过程中，如果机器人由于自身原因或者外部原因，支撑点落在对角线上的行走机构上，比如工作在腿式状态下的迈步动作，或者其中一个行走机构处于悬空状态；此时机器人一旦受到扰动，机器人可能会围绕对角线倾倒；对机器人受力分析:
式中，L是机器人腿长，θ是机器人偏移的角度，J1机器人总体的转动惯量；
系统输入为飞轮角加速度α，输出为机器人偏移的角度θ，考虑到θ很小，取sinθ＝θ，综合以上各式，
经过拉普拉斯变换：
Jα(s)-GLθ(s)＝J1θ(s)s2
即，系统的传递函数为：
PID算法的传递函数为：
最后采用临界比例法进行PID控制器参数的整定，这样当机器人处于腿式工作状态下时，就能根据控制飞轮角加速度α来维持机器人的平衡。
本发明行走机构采用可变形轮的方式，通过调节电磁铁与支撑架上侧或者下侧吸合时，支撑轮的外包络面为一段直线或者一段圆弧；通过调节液压缸伸缩，可变形轮变换为轮、履带或者腿，可根据具体地形变换姿态以自动适应地形；机器人平衡机构采用两个相互垂直放置的反作用飞轮，可以在水平面内合成任意方向的转矩，用来克服倾覆机器人的力矩。
本发明有益效果如下：
(1)本发明的行走机构采用可变形轮的设计，可以通过变形为轮、履带、腿，适应地形能力强，能很好地跨越障碍，并且通过效率高。
(2)本发明采用三维扫描仪探查地形并根据具体情况自动适应复杂地形，利用反作用飞轮产生的力矩克服机器人倾覆力矩以保持平衡，采用PID算法进行控制保持平衡灵敏度高强。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是本发明自平衡模块剖视图；
图3是本发明动力传递机构的结构示意图；
图4是本发明可变形轮剖视图；
图5是本发明支撑轮系的结构示意图；
图6是本发明可变形轮的结构示意图；
图7是本发明可变形轮实现轮式功能示意图；
图8是本发明支撑轮系外包络为圆弧的示意图；
图9是本发明可变形轮实现履带式功能示意图；
图10是本发明支撑轮系外包络为直线的示意图；
图11是本发明可变形轮实现腿式功能示意图；
图12是本发明发生侧翻受力分析图；
图13是机器人工作在腿式状态下的受力分析图一；
图14是机器人工作在腿式状态下的受力分析图二。
具体实施方式
包括车身1、三维扫描仪2、自平衡模块3、动力传递机构4、可变形轮5，其中三维扫描仪2通过螺钉固定连接在车身1上端面的前侧，自平衡模块3通过螺钉固定连接在车身1上端面的正中位置，动力传递机构4有四个，分别固定连接车身1内部的左右两端底部，每个动力传递机构4与可变形履带5固定连接。
所述的自平衡模块3包括壳体301、反作用飞轮302、端盖303、滑动轴承304、轴承座305、轴承端盖306、电机307、陀螺仪308，其中轴承座305有两个，分别通过螺钉固定连接在壳体301底部的前侧和左侧，滑动轴承304有四个，分别固定连接在壳体301的箱体孔内和轴承座305的轴承孔内，端盖303有两个，分别通过螺钉固定连接在壳体301的前端面和左端面，轴承端盖306有两个，分别通过螺钉固定连接在两个轴承座305的端面，反作用飞轮302有两个，分别穿过滑动轴承304的内孔，且通过端盖303和轴承端盖306两端固定，电机307有两个，分别通过螺钉固定连接在壳体301底面，陀螺仪308通过螺钉固定连接在壳体301底面的正中。
所述的动力传递机构4包括电机一401、联轴器402、蜗杆轴403、轴承座一404、蜗轮405、角度传感器406、圆螺母407、轴承座二408、电机二409、同步带410、空心输出轴411、输出轴412、端盖413，其中电机一401通过螺钉固定连接在车身1内部的底部，轴承座一404通过螺钉固定连接在车身1内部的底部，轴承座二408通过螺钉固定连接在车身1内部的底部，蜗杆轴403穿过轴承座一404和轴承座二408的轴承内圈采用两端固定的方式固定，联轴器402与电机一401的主轴通过键连接、与蜗杆轴403通过键连接，所述的电机二409通过螺钉固定连接在车身1内部的底部，空心输出轴411采用两端固定的方式固定连接在车身1的箱体孔内，同步带410包裹在电机二409的主动齿轮和空心输出轴411的齿轮上，角度传感器406通过螺钉固定连接在车身1内部的底部，输出轴412采用两端固定的方式固定连接在空心输出轴411的孔内、且端部通过角度传感器406的内孔，端盖413通过螺钉固定连接在车身1的侧面，蜗轮405通过键连接周向固定在输出轴412上，并通过圆螺母407实现轴向固定。
所述的可变形轮5包括橡胶齿形带501、支撑轮系502、辅助齿轮503、主动齿轮504、液压缸505、压块506、六边形基体507，其中主动齿轮504通过螺钉固定连接在空心输出轴411上，六边形基体507通过键连接与输出轴412周向固定，所述的液压缸505通过螺钉与六边形基体507固定连接，所述的支撑轮系502与液压缸505的活塞杆固定连接，橡胶齿形带501包围在支撑轮系502的外部，辅助齿轮503与六边形基体507滑动连接，压块506和输出轴412固定连接。
所述的支撑轮系502包括支撑轮50201、电磁铁50202、支撑架50203、抱闸器50204、滑块50205，所述的支撑轮50201有三个，其中两个与支撑架50203的轴承采用两端固定的方式固定，另外一个与滑块50205的轴承采用两端固定的方式固定，所述的滑块50205与支撑架50203滑动连接，所述的电磁铁50202与支撑架50203固定连接。
一种轮腿履带复合式复杂地面自适应微小机器人控制方法，包括：
一、复杂路况自适应
通过安装在车头的三维扫描仪扫描识别之后，根据路况信息变换适当的行走机构以适应不同的路况，平坦路面采用轮式，泥泞路面采用履带式，崎岖路面采用腿式；
二、轮式
当支撑轮系的滑块50205通过电磁铁与支撑架下侧吸合时，3个支撑轮的外包络面为一个圆弧，如图8所示，6个液压缸等量伸出，橡胶齿形带张紧，抱闸器抱闸，动力通过电机-蜗杆蜗轮传递给六边形基体507，由于此时抱闸器抱闸，支撑轮自锁，六边形基体带动整个机构旋转，机器人行走机构切换为轮式，如图7所示；
三、履带式
当支撑轮系的滑块通过电磁铁50205与支撑架上侧吸合时，3个支撑轮的外包络面为一段直线，如图10所示，A、B、F号三个液压缸全部缩回，全部缩回时，支撑轮系的左右两侧的两个支撑轮50201刚好与辅助齿轮503、主动齿轮504外圆相切，最下侧的4号液压缸伸出长度使支撑轮的外包络面与辅助齿轮相切，C、E号两个液压缸对称伸出，使橡胶齿形带张紧，抱闸器不抱闸，动力通过电机-同步带传递给主动齿轮504，此时抱闸器不抱闸，支撑轮处于自由转动状态，主动齿轮可以带动履带，机器人行走机构切换为履带式，如图9所示；
四、腿式
当支撑轮系的滑块50205通过电磁铁与支撑架上侧吸合时，3个支撑轮的外包络面为一段直线，如图8所示，上侧A、B、C、E、F号液压缸全部缩回，最下侧的D号液压缸伸出，伸出长度使塑料履带张紧，抱闸器抱闸，动力通过电机-蜗杆蜗轮传递六边形基体507，此时抱闸器抱闸，支撑轮自锁，通过控制电机的正反转及正反转的圈数，实现六边形基体带动整个机构在一定角度内摆动，其中摆动角度可以通过角度传感器406检测，机器人行走机构切换为腿式，如图11所示；当上侧A、B、C、E、F号液压缸伸出一小段，最下侧的D号液压缸缩回一小段，机器人完成伸抬腿动作；机器人工作在腿式状态下的行走方案模仿牛的行走姿态，采用四条腿两分、两合，左右交替成一个完步；
五、在有侧翻危险下的平衡
在要发生侧翻的临界位置，机器人的整体重心G在支撑点的垂直直线，当重心偏移超过临界位置的之后，电机会带动反作用飞轮旋转；
根据牛顿第三定律,反作用飞轮作用于机器人的反作用力矩即飞轮输出力矩Tr与作用于飞轮转子的力矩To大小相等,方向相反，其中，作用于飞轮转子的力矩To与飞轮角速率ω的微分成正比，即：
To＝Tr＝Jα
其中，J是飞轮转子转动惯量，α是飞轮角加速度，Tr是飞轮输出力矩，To是飞轮转子的力矩；
自平衡模块由两个相互垂直的反作用飞轮组成，可以在水平面内合成任意方向的转矩，用来克服倾覆机器人的力矩，要保证不侧翻需要保证：
综合以上各式，
当检测到机器人处于侧翻临界位置或者已经超过临界位置时，只要保证两个反作用飞轮的合成输出扭矩方向为平行于过两支撑点直线；扭矩大小为Tr≥G×d，即飞轮角加速度
六、发生在对角线上的失衡时的平衡
在行走过程中，如果机器人由于自身原因或者外部原因，支撑点落在对角线上的行走机构上，比如工作在腿式状态下的迈步动作，或者其中一个行走机构处于悬空状态；此时机器人一旦受到扰动，机器人可能会围绕对角线倾倒；对机器人受力分析:
式中，L是机器人腿长，θ是机器人偏移的角度，J1机器人总体的转动惯量；
系统输入为飞轮角加速度α，输出为机器人偏移的角度θ，考虑到θ很小，取sinθ＝θ，综合以上各式，
经过拉普拉斯变换：
Jα(s)-GLθ(s)＝J1θ(s)s2
即，系统的传递函数为：
PID算法的传递函数为：
最后采用临界比例法进行PID控制器参数的整定，这样当机器人处于腿式工作状态下时，就能根据控制飞轮角加速度α来维持机器人的平衡。
本发明的行走机构采用可变形轮的方式，通过调节电磁铁与支撑架上侧或者下侧吸合时，支撑轮的外包络面为一段直线或者一段圆弧；通过调节液压缸伸缩，可变形轮变换为轮、履带或者腿，可根据具体地形变换姿态以自动适应地形；机器人平衡机构采用两个相互垂直放置的反作用飞轮，可以在水平面内合成任意方向的转矩，用来克服倾覆机器人的力矩，采用PID算法控制，灵敏度高。

Claims (4)

1.一种轮腿履带复合式复杂地面自适应微小机器人，其特征在于：包括车身、三维扫描仪、自平衡模块、动力传递机构、可变形轮，其中三维扫描仪通过螺钉固定连接在车身上端面的前侧，自平衡模块通过螺钉固定连接在车身上端面的正中位置，动力传递机构有四个，分别固定连接在车身内部的左右两端底部，每个动力传递机构与可变形轮固定连接；
所述的可变形轮包括橡胶齿形带、支撑轮系、辅助齿轮、主动齿轮、液压缸、压块、六边形基体，其中主动齿轮通过螺钉固定连接在空心输出轴上，六边形基体通过键连接与输出轴周向固定，所述的液压缸通过螺钉与六边形基体固定连接，所述的支撑轮系与液压缸的活塞杆固定连接，橡胶齿形带包围在支撑轮系的外部，辅助齿轮与六边形基体滑动连接，压块和输出轴固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种轮腿履带复合式复杂地面自适应微小机器人，其特征在于：所述的自平衡模块包括壳体、反作用飞轮、端盖一、滑动轴承、轴承座、轴承端盖、电机三、陀螺仪，其中轴承座有两个，分别通过螺钉固定连接在壳体底部的前侧和左侧，滑动轴承有四个，分别固定连接在壳体的箱体孔内和轴承座的轴承孔内，端盖一有两个，分别通过螺钉固定连接在壳体的前端面和左端面，轴承端盖有两个，分别通过螺钉固定连接在两个轴承座的端面，反作用飞轮有两个，分别穿过滑动轴承的内孔，且通过端盖一和轴承端盖两端固定，电机三有两个，分别通过螺钉固定连接在壳体底面，陀螺仪通过螺钉固定连接在壳体底面的正中。
3.根据权利要求1所述的一种轮腿履带复合式复杂地面自适应微小机器人，其特征在于：所述的动力传递机构包括电机一、联轴器、蜗杆轴、轴承座一、蜗轮、角度传感器、圆螺母、轴承座二、电机二、同步带、空心输出轴、输出轴、端盖二，其中电机一通过螺钉固定连接在车身内部的底部，轴承座一通过螺钉固定连接在车身内部的底部，轴承座二通过螺钉固定连接在车身内部的底部，蜗杆轴穿过轴承座一和轴承座二的轴承内圈采用两端固定的方式固定，联轴器与电机一的主轴通过键连接、与蜗杆轴通过键连接，所述的电机二通过螺钉固定连接在车身内部的底部，空心输出轴采用两端固定的方式固定连接在车身的箱体孔内，同步带包裹在电机二的主动齿轮和空心输出轴的齿轮上，角度传感器通过螺钉固定连接在车身内部的底部，输出轴采用两端固定的方式固定连接在空心输出轴的孔内、且端部通过角度传感器的内孔，端盖二通过螺钉固定连接在车身的侧面，蜗轮通过键连接周向固定在输出轴上，并通过圆螺母实现轴向固定。
4.根据权利要求1所述的一种轮腿履带复合式复杂地面自适应微小机器人，其特征在于：所述的支撑轮系包括支撑轮、电磁铁、支撑架、抱闸器、滑块，所述的支撑轮有三个，其中两个与支撑架的轴承采用两端固定的方式固定，另外一个与滑块的轴承采用两端固定的方式固定，所述的滑块与支撑架滑动连接，所述的电磁铁与支撑架固定连接。
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