CN109227544A - 一种c型腿六足小车全地形机器人 - Google Patents

一种c型腿六足小车全地形机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种C型腿六足小车全地形机器人，包括前部车体和后部车体，前部车体的左、右C型腿直流电机模块分别安装在左、右C型腿电机支架上；后部车体的左前、右前、左后、右后C型腿直流电机模块分别安装在左前、右前、左后、右后C型腿电机支架上；C型腿直流电机模块包括直流电机和减速器，减速器与直流电机输出轴相连，减速器的输出轴通过C型腿安装配件上和安装配件下连接到C型腿；前部车体的转向舵机和后部车体的抬头舵机通过舵机连接件连接。本发明有效提升了机器人的转向能力和越障能力，并通过增加驱动轮和支撑万向球，在平坦的地形情况下，用运动效率更高的轮子代替C型腿使小车更快速移动，进一步提高小车的运动能力。

Description

一种C型腿六足小车全地形机器人
技术领域
本发明涉及新型机器人技术领域，特别是一种C型腿六足小车全地形机器人。
背景技术
随着人力成本的上升，移动机器人在各行各业的应用变得更加广泛。现在被广泛应用的机器人主要是轮式、履带式、足式等机器人，存在着越障碍的能力差，机动性不足、适应地形少等弊端。节肢型和人形机器人的出现虽然一定程度上解决了上述问题，但是由于节肢型的机器人机动性能仍不足，稳定性也较差，而人形机器人结构复杂，控制困难等缺点，因此出现了一种结构和控制都相对简单的C型足六足小车全地形机器人。
C型足六足小车全地形机器人的车轮设计成C型状，既能满足机器人的运动性能，又大大提高了轮式车轮的越障能力，对于普通楼梯、比自己稍大的其他障碍物等都能够比较轻松地越过，并且能征服各种不同类型的地形。但是普通的C型足六足小车全地形机器人其转向也不够灵活，在克服障碍物时受到C型足尺寸的约束，对于稍微比C型足尺寸大的障碍物，它并不能顺利的跨越，即使通过改进运动控制算法，结果仍然无法让人满意。因此，这类C型足六足小车全地形机器人还需继续完善改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种C型腿六足小车全地形机器人，通过用C型腿替代传统轮子作为驱动轮的方式使拥有较好的越障能力，并使其在承载一定重量情况下依然能保持机器人的平稳移动和越障。将普通C型足六足小车全地形机器人的车身一分为二，分为车头和车身，用伺服电机进行配合连接，能够有效提升机器人的转向能力，从大大提高机器人的机动性。另外，也引用驱动轮，使其与C型足配合使用，增加小车运动效率，车头用支撑万向球，既能达到满足小车运动能力，也减轻车重，节省成本的效果。并且采用智能化式的设计理念，机器人系统的信息处理能力较强，使机器人能够在未知的环境中实现快速稳定的运动。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种C型腿六足小车全地形机器人，包括前部车体(13)和后部车体(11)；前部车体(13)的安装支架的两侧分别安装有左、右C型腿电机支架(2)，左、右C型腿直流电机模块(4)分别安装在左、右C型腿电机支架(2)上；后部车体(11)的安装支架前方的两侧分别安装有左前、右前C型腿电机支架(2)，左前、右前C型腿直流电机模块(4)分别安装在左前、右前C型腿电机支架(2)上；后部车体(11)的安装支架后方的两侧分别安装有左后、右后C型腿电机支架(2)，左后、右后C型腿直流电机模块(4)分别安装在左后、右后C型腿电机支架(2)上；所述C型腿直流电机模块(4)包括直流电机和减速器，减速器与直流电机输出轴相连，减速器的输出轴通过C型腿安装配件上(9)和C型腿安装配件下(8)连接到C型腿(15)；前部车体(13)的安装支架中部安装有转向舵机(7)，后部车体(11)的安装支架前方的中部安装有抬头舵机(6)，转向舵机(7)通过舵机连接件(10)连接到抬头舵机(6)。
进一步地，所述后部车体(11)的安装支架的中部的两侧还分别安装有左、右车轮直流电机模块(3)，左、右车轮直流电机模块(3)的电机输出轴分别连接左、右车轮(14)；所述前部车体(13)的安装支架的中部下方还设置有支撑万向球(25)。
进一步地，所述前部车体(13)的前方和/或后部车体(11)的后方还安装有保护减阻壳(1)；所述C型腿(15)的足末端仿造动物脚掌的形状，具有三个足趾并呈张开状，C型腿橡胶(16)安装在足末端和C型腿的外轮廓上。
更进一步地，还包括安装在前部车体(13)上的双目摄像头(17)、超声波模块(18)和激光雷达(24)，以及安装在后部车体(11)的微型计算机树莓派3B(20)、树莓派GPIO口I2C扩展模块(19)、十轴无线蓝牙陀螺仪传感器(22)和GPS定位模块(23)；所述C型腿直流电机模块(4)还包括连接到直流电机的编码器；所述双目摄像头(17)、超声波模块(18)、激光雷达(24)、十轴无线蓝牙陀螺仪传感器(22)、GPS定位模块(23)和编码器分别电连接到微型计算机树莓派3B(20)，微型计算机树莓派3B(20)通过树莓派GPIO口I2C扩展模块(19)连接到C型腿直流电机模块(4)、抬头舵机(6)和转向舵机(7)。
更进一步地，还包括安装在前部车体(13)上的双目摄像头(17)、超声波模块(18)和激光雷达(24)，以及安装在后部车体(11)的微型计算机树莓派3B(20)、树莓派GPIO口I2C扩展模块(19)、十轴无线蓝牙陀螺仪传感器(22)和GPS定位模块(23)；所述C型腿直流电机模块(4)还包括连接到直流电机的编码器；所述后部车体(11)的安装支架还安装有车轮电机驱动模块(21)，车轮电机驱动模块(21)连接到车轮直流电机模块(3)；所述双目摄像头(17)、超声波模块(18)、激光雷达(24)、十轴无线蓝牙陀螺仪传感器(22)、GPS定位模块(23)和编码器分别电连接到微型计算机树莓派3B(20)，微型计算机树莓派3B(20)通过树莓派GPIO口I2C扩展模块(19)连接到C型腿直流电机模块(4)、抬头舵机(6)和转向舵机(7)，以及车轮电机驱动模块(21)。
更进一步地，还包括远程监控辅助计算机(26)；所述微型计算机树莓派3B(20)和远程监控辅助计算机(26)均采用ROS系统，并通过WIFI通讯。
本发明的有益效果在于，
1.本发明将普通C型足六足小车全地形机器人的车身一分为二，分为车头(前部车体)和车身(后部车体)，用两个伺服电机进行配合连接，使得车头增加了两个自由度，能够让车头在左右方向和上下方向上转动，有效提升了机器人的转向能力和越障能力，大大提高了机器人的灵活性和运动能力。
2.本发明还增加了驱动轮和支撑万向球，在平坦的地形情况下，用运动效率更高的轮子代替C型腿使小车更快速地移动，进一步提高小车的运动能力。引入支撑万向球作为轮子，使小车结构更简单，质量更轻，控制更简单，也更节省能量。
3.本发明车身轮廓前后设计为弧线形，减少车身阻力，更加节省能量。在C型腿的形状上也有所变化，在足末端仿造动物脚掌的形状，使得足与地面接触面积相对增大，增加了与地面的摩擦力，使得小车机器人具有更好的前进动力和抓地力，进一步提升了机动性和运动能力。
4.本发明使用了高精度GPS定位模块、激光雷达、惯性传感器摄像头等多种传感器，并采用高性能的树莓派3B作为主要机上控制器，使得机器人可以自主实现地图建立、即时定位、路径规划，机器人系统智能化程度更高。另外，采用ROS作为主要的控制系统，实现了不同控制器和计算机之间的高效稳定的数据传输，并将不同任务合理地分散到同一网络中的不同计算机或控制器上，可以实时监测机器人状态以及提供辅助的数据处理，提升了机器人系统的工作效率，提高了机器人系统的拓展性。
附图说明
图1、图2和图3是本发明的结构示意图；
图4是本发明的C型腿基本控制原理示意图；
图5是本发明的车轮基本控制原理示意图；
图6是本发明的舵机基本控制原理示意图；
图7是本发明的整体控制架构图。
其中，1-橡胶保护减阻壳，2-C型腿电机支架，3-车轮直流电机模块，4-C型腿直流电机模块，5-电池模块，6-抬头舵机，7-转向舵机，8-C型腿安装配件下，9-C型腿安装配件上，10-舵机连接件，11-后部车体，12-轮子直流电机安装支架，13-前部车体，14-车轮，15-C型腿，16-C型腿橡胶，17-双目摄像头，18-超声波模块，19-树莓派GPIO口I2C扩展模块，20-树莓派3B，21-车轮电机驱动模块，22-十轴无线蓝牙陀螺仪传感器，23-GPS定位模块，24-激光雷达，25-支撑万向球，26-远程监控辅助计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1、图2和图3所示，一种C型腿六足小车全地形机器人系统，包括机器人本体和远程监控辅助计算机26。机器人本体分为前部车体13和后部车体11、六个C型腿15、C型腿橡胶16、C型腿直流电机模块4、车轮直流电机模块3、抬头舵机6、转向舵机7、支撑万向球25、控制系统、电源5、双目摄像头17、激光雷达24等组成；前部车体13和后部车体11、C型腿安装配件上9和下8、舵机连接件10、C型腿电机支架2、轮子直流电机安装支架12用PLA的耗材，使用3D打印机打印制作。控制系统和电池模块5都安装在后部车体11上，双目摄像头17、超声波模块18和激光雷达24安装在前部车体13上，后部车体11与前部车体13通过抬头控制舵机6和转向舵机7相连；六个C型腿15均与C型腿安装配件上9和下8螺栓连接，在足的外轮廓上贴上C型足橡胶16；两个车轮14布置在后部车体，两个万向球支撑25布置在前部车体；控制系统、C型腿直流电机模块4、车轮直流电机模块3均和电池模块5电连接；控制系统和C型腿直流电机模块4、车轮直流电机模块3电连接；双目摄像头17、超声波模块18和激光雷达24和控制系统电连接；机器人本体和远程监控辅助计算机26之间通过无线通讯方式传输信息。
C型腿15的足末端仿造动物脚掌的形状，足末端具有三个足趾，张开状，使得比原C型足型的足端宽约1.5倍，具有更好的支撑能力和稳定性，足与地面接触面积相对增大，C型腿橡胶形状与C型腿及足末端一致，C型足橡胶16安装在足末端和C型腿的外轮廓上，进而再增加了足与地面的摩擦力，使得小车机器人具有更好的前进动力和抓地力。
后部车体11与前部车体13通过抬头控制舵机6和转向舵机7相连，实现小车前部的上下转动和左右转动动作，而抬头舵机6、转向舵机7又通过舵机连接件10连接。
C型腿直流电机模块4由直流电机、编码器减速器和电机驱动模块组成，编码器与直流电机相连，与电机同步转动，检测电机的实际转速；减速器与直流电机输出轴相连，降低输出转速，提升输出转矩；减速器的输出轴通过C型腿安装配件上9和下8与C型腿15相连，将输出轴的转动转变为C型腿15的转动。
如图4所示，C型腿控制系统由高性能微型计算机树莓派3B20、树莓派GPIO口I2C扩展模块19、C型腿直流电机模块4、双目摄像头17、十轴无线蓝牙陀螺仪传感器22、GPS定位模块23、激光雷达24组成，树莓派GPIO口I2C扩展模块19、双目摄像头17、十轴无线蓝牙陀螺仪传感器22、GPS定位模块23、激光雷达24和树莓派3B20电连接，C型腿直流电机模块4与树莓派GPIO口I2C扩展模块19电连接。其中，十轴无线蓝牙陀螺仪传感器22用于实时采集机器人的姿态信息，GPS定位模块23用于实时采集机器人的精确位置信息，双目摄像头17获得机器人小车前方的图像信息，激光雷达24获得机器人周围环境的数据，树莓派3B20将采集到的实时姿态信息、位置信息和机器人周围环境的数据处理后变换为控制信号经树莓派GPIO口I2C扩展模块19，控制C型腿直流电机模块4来控制电机转动，从而实现机器人的步态调整和运动控制。
如图5所示，小车车轮控制系统由高性能微型计算机树莓派3B20、轮子直流电机模块3、C型腿直流电机模块4、超声波模块18、树莓派GPIO口I2C扩展模块19、车轮电机驱动模块21、十轴无线蓝牙陀螺仪传感器22、GPS定位模块23组成，超声波模块18、车轮电机驱动模块21、十轴无线蓝牙陀螺仪传感器22、GPS定位模块23均和树莓派3B20电连接，C型腿直流电机模块4与树莓派GPIO口I2C扩展模块19电连接。其中，十轴无线蓝牙陀螺仪传感器22用于实时采集机器人的姿态信息，GPS定位模块23用于实时采集机器人的精确位置信息，超声波模块18探测机器人小车前方路况信息，树莓派3B20将采集到的机器人小车前方路况信息、实时姿态信息和位置信息处理后变换为控制信号传输给经树莓派GPIO口I2C扩展模块19，控制C型腿直流电机模块4来控制电机转动，调整C型腿步态，使得C型腿抬起，控制信号传输车轮电机驱动模块21控制轮子直流电机模块3来控制电机转动，从而实现用车轮行驶小车的功能。
如图6所示，小车舵机控制系统由高性能微型计算机树莓派3B20、抬头舵机6、转向舵机7、双目摄像头17超声波模块18、十轴无线蓝牙陀螺仪传感器22、GPS定位模块23和激光雷达24组成，、抬头舵机6、转向舵机7、双目摄像头17超声波模块18、十轴无线蓝牙陀螺仪传感器22、GPS定位模块23和激光雷达24均和树莓派3B20电连接。其中，双目摄像头17获得机器人小车前方的图像信息，十轴无线蓝牙陀螺仪传感器22用于实时采集机器人的姿态信息，GPS定位模块23用于实时采集机器人的精确位置信息，超声波模块18探测机器人小车前方路况信息，激光雷达24获得机器人周围环境的数据，树莓派3B20根据采集到的机器人小车前方路况信息、实时姿态信息和位置信息，下车前方的障碍物等信息，将其处理后变换为控制信号传输给抬头舵机6、转向舵机7来控制电机转动，调整小车的方向，头部抬起的高度等，从而实现小车的转向能力和增强的越障功能。
图7所示为本发明的整体控制架构图。整体控制系统主要由设置在机器人本体上的高性能微型计算机树莓派3B以及远程监控辅助计算机组成。高性能微型计算机和远程监控计算机都采用ROS系统，高性能微型计算机对源自十轴无线蓝牙陀螺仪传感器、编码器、超声波模块、GPS定位模块、双目摄像头和激光雷达的数据进行采集和融合处理，通过WIFI与远程辅助计算机通讯，由远程辅助计算机进行辅助的数据处理，最终在高性能微型计算机上实现地图构建、即时定位、自主路径规划和电机的驱动控制。

Claims (6)

1.一种C型腿六足小车全地形机器人，其特征在于，包括前部车体(13)和后部车体(11)；前部车体(13)的安装支架的两侧分别安装有左、右C型腿电机支架(2)，左、右C型腿直流电机模块(4)分别安装在左、右C型腿电机支架(2)上；后部车体(11)的安装支架前方的两侧分别安装有左前、右前C型腿电机支架(2)，左前、右前C型腿直流电机模块(4)分别安装在左前、右前C型腿电机支架(2)上；后部车体(11)的安装支架后方的两侧分别安装有左后、右后C型腿电机支架(2)，左后、右后C型腿直流电机模块(4)分别安装在左后、右后C型腿电机支架(2)上；所述C型腿直流电机模块(4)包括直流电机和减速器，减速器与直流电机输出轴相连，减速器的输出轴通过C型腿安装配件上(9)和C型腿安装配件下(8)连接到C型腿(15)；前部车体(13)的安装支架中部安装有转向舵机(7)，后部车体(11)的安装支架前方的中部安装有抬头舵机(6)，转向舵机(7)通过舵机连接件(10)连接到抬头舵机(6)。
2.如权利要求1所述的一种C型腿六足小车全地形机器人，其特征在于，所述后部车体(11)的安装支架的中部的两侧还分别安装有左、右车轮直流电机模块(3)，左、右车轮直流电机模块(3)的电机输出轴分别连接左、右车轮(14)；所述前部车体(13)的安装支架的中部下方还设置有支撑万向球(25)。
3.如权利要求1或2所述的一种C型腿六足小车全地形机器人，其特征在于，所述前部车体(13)的前方和/或后部车体(11)的后方还安装有保护减阻壳(1)；所述C型腿(15)的足末端仿造动物脚掌的形状，具有三个足趾并呈张开状，C型腿橡胶(16)安装在足末端和C型腿的外轮廓上。
4.如权利要求1所述的一种C型腿六足小车全地形机器人，其特征在于，还包括安装在前部车体(13)上的双目摄像头(17)、超声波模块(18)和激光雷达(24)，以及安装在后部车体(11)的微型计算机树莓派3B(20)、树莓派GPIO口I2C扩展模块(19)、十轴无线蓝牙陀螺仪传感器(22)和GPS定位模块(23)；所述C型腿直流电机模块(4)还包括连接到直流电机的编码器；所述双目摄像头(17)、超声波模块(18)、激光雷达(24)、十轴无线蓝牙陀螺仪传感器(22)、GPS定位模块(23)和编码器分别电连接到微型计算机树莓派3B(20)，微型计算机树莓派3B(20)通过树莓派GPIO口I2C扩展模块(19)连接到C型腿直流电机模块(4)、抬头舵机(6)和转向舵机(7)。
5.如权利要求2所述的一种C型腿六足小车全地形机器人，其特征在于，还包括安装在前部车体(13)上的双目摄像头(17)、超声波模块(18)和激光雷达(24)，以及安装在后部车体(11)的微型计算机树莓派3B(20)、树莓派GPIO口I2C扩展模块(19)、十轴无线蓝牙陀螺仪传感器(22)和GPS定位模块(23)；所述C型腿直流电机模块(4)还包括连接到直流电机的编码器；所述后部车体(11)的安装支架还安装有车轮电机驱动模块(21)，车轮电机驱动模块(21)连接到车轮直流电机模块(3)；所述双目摄像头(17)、超声波模块(18)、激光雷达(24)、十轴无线蓝牙陀螺仪传感器(22)、GPS定位模块(23)和编码器分别电连接到微型计算机树莓派3B(20)，微型计算机树莓派3B(20)通过树莓派GPIO口I2C扩展模块(19)连接到C型腿直流电机模块(4)、抬头舵机(6)和转向舵机(7)，以及车轮电机驱动模块(21)。
6.如权利要求4或5所述的一种C型腿六足小车全地形机器人，其特征在于，还包括远程监控辅助计算机(26)；所述微型计算机树莓派3B(20)和远程监控辅助计算机(26)均采用ROS系统，并通过WIFI通讯。
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