CN109178134A - 一种实现全方位移动与越障的多足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现全方位移动与越障的多足机器人。该多足机器人包括球形外壳和设置于球形外壳内的多足平台；其中，球形外壳为中空的球形笼状体，球形外壳的轴心方向设置有基柱，多足平台包括设置于基柱上的中心板和独立伸缩足部机构；独立伸缩足部机构设置于中心板上，独立伸缩足部机构设有驱动机构，驱动机构至少包括一个上下驱动关节和一个左右驱动关节，用于驱动独立伸缩足部机构水平移动和上下移动，实现独立伸缩足部机构的伸展与收缩；运动模式的切换通过控制独立伸缩足部机构的伸展与收缩来实现。本发明能够实现机器人的快速越障与滚动，在增强机器人地形适应能力的同时，具有良好的移动速度，具有运行稳定、速度快的双重优势。

Description

一种实现全方位移动与越障的多足机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域。更具体地，涉及一种实现全方位移动与越障的多足机器人。

背景技术

移动机器人在军事、科研、教育、生活等方面已获得广泛的研究和应用。按照其移动形式的不同，通常分为轮式、履带式、足式、蠕动式、滚动式、游动式等。现有的很多机器人大多数为轮式机器人、多足机器人和球形机器人。其中，轮式机器人的移动虽具有可观的速度，但是面对复杂的环境，轮式机器人的越障能力比较差。多足机器人，主要包括多足机器人、六足机器人等，这些机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，运动时只需要离散的点接触地面，对环境的破坏程度较小，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，对崎岖地形的适应性强虽然多足机器人具有一定的越障能力，但是其在较为平整的路面上，多足步行机器人的机动性太差，工作效率不高，难以获得良好的移动速度。

相比轮式机器人和多足机器人，球形机器人通过球形外壳的滚动实现基本运动，易于实现平坦地形下的全向运动；运动过程中，当机器人发生碰撞或从高处跌落时，封闭的球形外壳还能够有效保护机器人内部设备。但受限于现有技术水平，球形机器人潜在的运动性能优势尚没有得到最大程度上的发挥。球形机器人的驱动原理可分为几种：第一种是驱动单元直接接触并驱动球壳转动，该类型的机器人结构相对简单，易于控制，但是转向能力较差，受到碰撞之后驱动单元与球壳之间的接触容易被破坏；第二种是通过驱动单元的运动改变机器人的重心位置，从而驱动机器人运动，但其控制难度大，而且依靠重心偏移来获得重力驱动力矩较小，使得机器人在遇到具有较多障碍物或较多地形起伏的非平坦地形环境时，容易失去运动能力而被卡在某个位置；第三种是采用齿轮传动，相啮合的传动结构对所有齿轮的轴心定位和精度要求很高，容易发生齿轮脱齿、卡死现象，且受到机械震动或干扰后机构稳定性较差。

2012年，挪威工程师Kare Halvorsen实现了机器人滚动运动与足式行走功能的结合。该机器人可以实现六足仿生爬行、球形滚动以及两者之间的状态切换。其六足结构被分为相互间隔的两组，既可通过组间交替运动实现行走，亦可借助肢体伸缩与地面接触所提供的摩擦力实现球形的滚动，但其滚动运动速度较低，且控制难度大，需要专门设计与之相配合的控制系统及算法。现有的既能实现全方位移动，又能很好地越障的机器人非常少见，其具体原因在于：（1）球形机器人作为一种较新型的移动机器人形态，相关技术尚处研究阶段，其驱动方式、运动灵活性均有待提高；（2）球形机器人与足式机器人在结构上差异很大，难以在仅保留各自优点的基础上强制直接结合。现有必要提出一种既能获得良好移动速度的，又能很好地越障的新型多足机器人。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种实现全方位移动与越障的多足机器人，能够在不借助复杂控制系统与控制方法的前提下，通过机器人自身的机械与驱动结构所具备的特征，实现机器人的快速越障与滚动，在增强机器人地形适应能力的同时，具有良好的移动速度，具有运行稳定、速度快的双重优势。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种实现全方位移动与越障的多足机器人，包括球形外壳和设置于球形外壳内的多足平台；

其中，所述球形外壳为中空的球形笼状体，所述球形外壳的轴心方向设置有基柱，所述多足平台包括设置于基柱上的中心板和独立伸缩足部机构；所述独立伸缩足部机构设置于中心板上，所述独立伸缩足部机构设有驱动机构，所述驱动机构至少包括一个上下驱动关节和一个左右驱动关节，用于驱动独立伸缩足部机构水平移动和上下移动，实现独立伸缩足部机构的伸展与收缩；

在越障模式下，所述独立伸缩足部机构向所述球形笼状体外展开形成足式运动肢体，机器人通过各驱动关节的相互配合实现多足行走；在滚动模式下，所述独立伸缩足部机构呈收缩状态，使其被包裹在球形笼状体内，球形壳体与多足平台的相对位置保持不变；运动模式的切换通过控制独立伸缩足部机构的伸展与收缩来实现。

本发明球形壳体与多足平台的相对位置始终保持不变，全程无运动不确定位置，保证了变形的稳定性与滚动的可靠性。

优选地，所述独立伸缩足部机构从上向下依次分为第一关节、第二关节、第三关节；所述第一关节、第二关节、第三关节上分别对应设有舵机Ⅰ、舵机Ⅱ和舵机Ⅲ，三个舵机用于为独立伸缩足部机构提供三个自由度，使每个独立伸缩足部机构实现独立伸展与收缩。

优选地，整体伸展后多足平台的径向尺寸为球形外壳直径的1～3倍。当整体伸展后多足平台的径向尺寸为球形外壳直径的1倍时，球形外壳没被多足平台托起，刚好贴着地面。

优选地，所述多足平台设有能瞬间制动展开的四个独立伸缩足部机构，以实现独立伸缩足部机构能量的瞬间爆发，使机器人获得良好的移动速度；所述多足平台外周上呈十字形交叉对称设有四个独立伸缩足部机构的安装槽，安装槽内设有驱动关节限位孔，分别与四个槽内安装的舵机Ⅰ彼此对应。

本发明安装槽和驱动关节限位孔的设置，使得独立伸缩足部机构收缩后能最大限度地缩小其几何尺寸，保证其能容纳到下半球壳中。

本发明基柱和中心板在整个机器人中起着中流砥柱的作用。基柱和中心板处于中心地位，是整个机器人的机身，因此中心板设计为十字形交叉结构，四条腿中心对称设置在中心板的上表面，使得机器人浑然一体，结构紧凑。

优选地，所述舵机Ⅰ输出轴连接有U型支架Ⅰ，舵机Ⅰ带动U型支架Ⅰ在竖直方向上实现180度旋转；U型支架Ⅰ开口一侧的两边与舵机Ⅰ固定连接，不开口一侧与舵机Ⅱ配合连接。

更优选地，所述舵机Ⅰ上设有连接孔，连接孔中设有定位销或定位螺钉，U型支架Ⅰ开口一侧的两边通过定位螺钉与舵机Ⅰ固定连接，不开口一侧通过定位销与舵机Ⅱ配合连接。

更进一步优选地，所述连接孔呈倒锥形，有利于定位销和定位螺钉的旋入和旋出。

优选地，所述舵机Ⅱ的输出轴连接有U型支架Ⅱ，舵机Ⅱ带动U型支架Ⅱ在水平方向上实现180度旋转；U型支架Ⅱ不开口一侧与舵机Ⅱ配合连接，开口一侧的两边与所述舵机Ⅲ固定连接；所述U型支架Ⅱ的U型槽中设有支架Ⅲ，支架Ⅲ和舵机Ⅲ固定连接，舵机Ⅲ带动支架Ⅲ在竖直方向上实现180度旋转。

优选地，所述独立伸缩足部机构还包括支架Ⅰ、支架Ⅱ、L型支架和机械足；在中心板的上表面设有支架Ⅰ，舵机Ⅰ设置在支架Ⅰ上；U型支架Ⅰ的侧面设有支架Ⅱ，舵机Ⅱ设置在支架Ⅱ上；支架Ⅲ的背面设有L型支架，L型支架的末端设有机械足。

上述独立伸缩足部机构和驱动机构的独特设计方式，重量轻盈，具有很好的稳定，增加了足部结构的强度和刚度，各关节的独立运动方便了腿部快速收回与展开，在增加机身整体的稳定性，保证变形稳定性与滚动可靠性的同时，具有良好的移动速度。

优选地，所述球形外壳的外表面纬向设置有多根弧形钢条，所述弧形钢条的两端分别固定在基柱的顶端和底端，每根弧形钢条向外凸起，使所述球形外壳呈球形笼状。

优选地，所述基柱的顶端设置有上端盖，底端设置有下端盖；所述弧形钢条的两端分别固定在上端盖和下端盖上。

更优选地，所述弧形钢条沿上端盖和下端盖的周向均匀地间隙排布；所述弧形钢条为弹性条。

优选地，所述机械足上设有弹簧，所述机械足的底端设有硅胶垫，起减震保护作用。独立伸缩足部机构采用结构稳定的串联结构，又增设减震环节，增加了足部运动的稳定性和流畅性。

优选地，所述多足机器人还包括滚动速度调节机构，所述滚动速度调节机构包括位于球形外壳的上半球体腔内的电机、舵机Ⅳ和配重模块，所述电机、舵机Ⅳ和配重模块电连接，通过电机和舵机Ⅳ驱动配重模块摆动产生的力矩实现机器人的滚动和转向，提高球形滚动的运动效率和可控性。

本发明对配重模块没有特殊限制，可以根据现有技术结合需要进行设计。

在实际应用中，工作人员也可以将本发明机器人掷滚到目标区域后，当机器人停止滚动时，激活机器人的多足平台，再使机器人伸出足部机构从而开始执行任务。在越障模式下，当机器人利用多足平台获得一定的移动速度时，迅速收起多足变成蜷缩状态变为球形进入滚动模式，机器人将在惯性的作用下进行滚动。当滚动能量爆发完毕后，机器人又能快速回复到越障模式，并为正常的高效率越障行走以及遇平坦地形后的再次滚动爆发做好准备，快速实现全方位移动功能。

优选地，所述中心板上还设有位于球形壳体的上半球体腔内的摄像头和传感器，所述摄像头、传感器与驱动机构电连接。通过搭载附加专用功能设备（例如摄像头、传感器）可以实现不同的功能，具有广阔的应用前景。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明将球形机器人与四足机器人在结构上进行内在融合，利用各自的核心优势弥补对方的不足，使机器人兼具有球形滚动与仿生行走的能力，在平坦地形中快速高效地运动，以及在非结构环境下的越障，通过独立伸缩足部机构的快速旋转运动，使得机器人短时间内具备高效的越障能力，提升机器人在多类型地形环境下的自由运动能力，实现机器人在复杂地形中的全方位快速运动。

（2）本发明遭遇障碍物后，能够通过机械结构自动快速触发独立伸缩足部机构展开并实现越障，这个过程仅需要对舵机进行简单的驱动控制，而不依赖复杂的算法与昂贵的精密传感器，因此在实现地形适应能力提升的同时，也保证了系统的可靠性，降低了机器人结构设计与控制的复杂度。

（3）本发明结构紧凑，重量轻盈，在增加机身整体的稳定性，保证变形稳定性与滚动可靠性的同时，具有良好的移动速度，具备高效率、高速度的运动特点，易于维护及推广应用。

附图说明

图1为本发明提供的多足机器人的整体结构示意图。

图2为本发明提供的多足机器人的俯视图。

图3为独立伸缩足部机构的结构示意图。

其中，1-基柱Ⅰ；2-基柱Ⅱ；3-中心板；4-支架Ⅰ；5-舵机Ⅰ；6-U型支架Ⅰ；7-支架Ⅱ；8-舵机Ⅱ；9-U型支架Ⅱ；10-支架Ⅲ；11-舵机Ⅲ；12-L型支架；13-机械足；14-端盖Ⅰ；15-端盖Ⅱ；16-弧形钢条。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步说明本发明，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1

如图1和图2所示，一种实现全方位移动与越障的四足机器人，包括球形外壳和设置于球形外壳内的四足平台；其中，球形外壳为中空的球形笼状体，球形外壳的轴心方向设置有基柱1，四足平台包括设置于基柱1上的中心板3和独立伸缩足部机构；独立伸缩足部机构设置于中心板3上，独立伸缩足部机构设有驱动机构，驱动机构至少包括一个上下驱动关节和一个左右驱动关节，用于驱动独立伸缩足部机构水平移动和上下移动，实现独立伸缩足部机构的伸展与收缩。

该球形外壳的外表面纬向设置有多根弧形钢条16，弧形钢条16的两端分别固定在基柱1的顶端和底端，每根弧形钢条16向外凸起，使球形外壳呈球形笼状。基柱1的顶端设置有上端盖14，底端设置有下端盖15；弧形钢条16的两端分别固定在上端盖14和下端盖15上。弧形钢条16沿上端盖14和下端盖15的周向均匀地间隙排布；弧形钢条16为弹性条；弧形钢条16的数量为十二根，均匀设置在机器人的任意两足之间，以便构成一个球形外壳。

在越障模式下，独立伸缩足部机构向球形笼状体外展开形成足式运动肢体，机器人通过各驱动关节的相互配合实现四足行走；在滚动模式下，独立伸缩足部机构呈收缩状态，使其被包裹在球形笼状体内，球形壳体与四足平台的相对位置保持不变；运动模式的切换通过控制独立伸缩足部机构的伸展与收缩来实现。

该独立伸缩足部机构从上向下依次分为第一关节、第二关节、第三关节；第一关节、第二关节、第三关节上分别对应设有舵机Ⅰ5、舵机Ⅱ8和舵机Ⅲ11，三个舵机用于为独立伸缩足部机构提供三个自由度，使每个独立伸缩足部机构实现独立伸展与收缩；整体伸展后四足平台的径向尺寸可为球形外壳直径的3倍。该四足平台设有能瞬间制动展开的四个独立伸缩足部机构，以实现独立伸缩足部机构能量的瞬间爆发，使机器人获得良好的移动速度；四足平台外周上呈十字形交叉对称设有四个独立伸缩足部机构的安装槽，安装槽内设有驱动关节限位孔，分别与四个槽内安装的舵机Ⅰ5彼此对应。

具体地，如图3所示，该独立伸缩足部机构包括支架Ⅰ4、U型支架Ⅰ6、支架Ⅱ7、U型支架Ⅱ9、支架Ⅲ10、L型支架12和构成三关节的机械足13、舵机Ⅰ5、舵机Ⅱ8和舵机Ⅲ11；支架Ⅰ4设置在中心板3的上表面，支架Ⅰ4上设有舵机Ⅰ5，舵机Ⅰ5的输出轴连接有U型支架Ⅰ6，舵机Ⅰ5带动U型支架Ⅰ6在竖直方向上实现180度旋转；U型支架Ⅰ6的侧面设有支架Ⅱ7，支架Ⅱ7上设有舵机Ⅱ8，舵机Ⅱ8的输出轴连接有U型支架Ⅱ9，舵机Ⅱ8带动U型支架Ⅱ9在水平方向上实现180度旋转；U型支架Ⅱ9的U型槽中设有支架Ⅲ10和舵机Ⅲ11，支架Ⅲ10和舵机Ⅲ11固定连接，舵机Ⅲ11带动支架Ⅲ10在竖直方向上实现180度旋转；支架Ⅲ10的背面设有L型支架12，L型支架12的下方设有机械足13，机械足13上设有弹簧，机械足13的底端设有硅胶垫。舵机Ⅰ5上设有连接孔，连接孔中设有定位销或定位螺钉，U型支架Ⅰ6开口一侧的两边通过定位螺钉与舵机Ⅰ5固定连接，不开口一侧通过定位销与舵机Ⅱ8配合连接。连接孔呈倒锥形，有利于定位销的旋入和旋出。

实际中可以根据需要，增加独立伸缩足部机构的个数，设计为六足、八足等多足机器人。

本实施例以中心板3为机器人的中心，在中心板3的前后左右四个方向分别设置了具有三个关节的足，每个关节都由舵机进行驱动；其中，舵机Ⅰ5与舵机Ⅲ11共同驱动机械足的抬起运动，舵机Ⅱ8驱动机械足在移动方向上的摆动，每条足的关节协作运动从而实现机器人的移动；以一定的半径给四足机器人设置了弧形钢条16，机器人的四条足在舵机Ⅰ5与舵机Ⅲ11驱动下变蜷缩的状态，此时机器人利用弧形钢条16组成的球状，从而可以滚动，当机器人利用四足平台获得一定的移动速度时，迅速收起四足变成蜷缩状态，机器人将在惯性的作用下进行滚动；此外，人们可以在机器人处于蜷缩状态时，用手将机器人掷出，使机器人滚动到目标位置，当机器人停止滚动时，机器人的四足平台被激活，伸出四足进行移动。

实施例2

为了更好地实现运动效果，本实施例的多足机器人在实施例1的基础上，还设置有滚动速度调节机构。该滚动速度调节机构包括位于球形外壳的上半球体腔内的电机、舵机Ⅳ和配重模块，电机、舵机Ⅳ和配重模块电连接，通过电机和舵机Ⅳ驱动配重模块摆动产生的力矩实现机器人的滚动和转向。在中心板3上还设有位于球形壳体的上半球体腔内的摄像头和传感器，摄像头、传感器与驱动机构电连接。通过搭载附加专用功能设备（例如摄像头、传感器）可以实现不同的功能，具有广阔的应用前景。

Claims (10)

1.一种实现全方位移动与越障的多足机器人，其特征在于，包括球形外壳和设置于球形外壳内的多足平台；

其中，所述球形外壳为中空的球形笼状体，所述球形外壳的轴心方向设置有基柱（1），所述多足平台包括设置于基柱（1）上的中心板（3）和独立伸缩足部机构；所述独立伸缩足部机构设置于中心板（3）上，所述独立伸缩足部机构设有驱动机构，所述驱动机构至少包括一个上下驱动关节和一个左右驱动关节，用于驱动独立伸缩足部机构水平移动和上下移动，实现独立伸缩足部机构的伸展与收缩；

在越障模式下，所述独立伸缩足部机构向所述球形笼状体外展开形成足式运动肢体，机器人通过各驱动关节的相互配合实现多足行走；在滚动模式下，所述独立伸缩足部机构呈收缩状态，使其被包裹在球形笼状体内，球形壳体与多足平台的相对位置保持不变；运动模式的切换通过控制独立伸缩足部机构的伸展与收缩来实现。

2.根据权利要求1所述的多足机器人，其特征在于，所述独立伸缩足部机构从上向下依次分为第一关节、第二关节、第三关节；所述第一关节、第二关节、第三关节上分别对应设有舵机Ⅰ（5）、舵机Ⅱ（8）和舵机Ⅲ（11），三个舵机用于为独立伸缩足部机构提供三个自由度，使每个独立伸缩足部机构实现独立伸展与收缩。

3.根据权利要求1所述的多足机器人，其特征在于，所述多足平台设有能瞬间制动展开的四个独立伸缩足部机构；所述多足平台外周上呈十字形交叉对称设有四个独立伸缩足部机构的安装槽，安装槽内设有驱动关节限位孔，分别与四个槽内安装的舵机Ⅰ（5）彼此对应。

4.根据权利要求2或3所述的多足机器人，其特征在于，所述舵机Ⅰ（5）输出轴连接有U型支架Ⅰ（6），舵机Ⅰ（5）带动U型支架Ⅰ（6）在竖直方向上实现180度旋转；U型支架Ⅰ（6）开口一侧的两边与舵机Ⅰ（5）固定连接，不开口一侧与舵机Ⅱ（8）配合连接。

5.根据权利要求2所述的多足机器人，其特征在于，所述舵机Ⅱ（8）的输出轴连接有U型支架Ⅱ（9），舵机Ⅱ（8）带动U型支架Ⅱ（9）在水平方向上实现180度旋转；U型支架Ⅱ（9）不开口一侧与舵机Ⅱ（8）配合连接，开口一侧的两边与所述舵机Ⅲ（11）固定连接；所述U型支架Ⅱ（9）的U型槽中设有支架Ⅲ（10），支架Ⅲ（10）和舵机Ⅲ（11）固定连接，舵机Ⅲ（11）带动支架Ⅲ（10）在竖直方向上实现180度旋转。

6.根据权利要求2所述的多足机器人，其特征在于，所述独立伸缩足部机构还包括支架Ⅰ（4）、支架Ⅱ（7）、L型支架（12）和机械足（13）；在中心板（3）的上表面设有支架Ⅰ（4），舵机Ⅰ（5）设置在支架Ⅰ（4）上；U型支架Ⅰ（6）的侧面设有支架Ⅱ（7），舵机Ⅱ（8）设置在支架Ⅱ（7）上；支架Ⅲ（10）的背面设有L型支架（12），L型支架（12）的末端设有机械足（13）。

7.根据权利要求1所述的多足机器人，其特征在于，所述球形外壳的外表面纬向设置有多根弧形钢条（16），所述弧形钢条（16）的两端分别固定在基柱（1）的顶端和底端。

8.根据权利要求7所述的多足机器人，其特征在于，所述基柱（1）的顶端设置有上端盖（14），底端设置有下端盖（15）；所述弧形钢条（16）的两端分别固定在上端盖（14）和下端盖（15）上。

9.根据权利要求8所述的多足机器人，其特征在于，所述弧形钢条（16）沿上端盖（14）和下端盖（15）的周向均匀地间隙排布。

10.根据权利要求1～9任一所述的多足机器人，其特征在于，所述多足机器人还包括滚动速度调节机构，所述滚动速度调节机构包括位于球形外壳的上半球体腔内的电机、舵机Ⅳ和配重模块，所述电机、舵机Ⅳ和配重模块电连接，通过电机和舵机Ⅳ驱动配重模块摆动产生的力矩实现机器人的滚动和转向。