CN110525535A - 一种双轮足混合自平衡机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双轮足混合自平衡机器人，包括躯干支架，在躯干支架的两侧对称地设置有支腿组件；所述支腿组件包括大腿支架、小腿支架、辅助腿连杆、轮毂电机、髋关节电机以及膝关节储能弹簧；所述轮毂电机安装在小腿支架的底部，大腿支架的一端与小腿支架通过铰链连接，膝关节储能弹簧与铰链同轴，膝关节储能弹簧一端卡在小腿支架上，另一端卡在大腿支架上；大腿支架的另一端固定在髋关节电机的输出端，髋关节电机安装在躯干支架中；该辅助腿连杆的一端与小腿支架通过铰链连接，另一端与躯干支架通过铰链连接。通过巧妙地设计大腿支架、小腿支架以及辅助腿连杆的结构位置，从而可以使得整个机器人的质心位置能够进行优化。
Description
技术领域
本发明涉及机器人，具体涉及一种双轮足混合自平衡机器人。
背景技术
目前地面机器人大致可分为基于腿足式和基于轮子的两种运动构型。传统的轮式移动机器人具有结构简单、易于控制、移动速度快和稳定能力强等优点，但是只适合路况良好的平面，地面必须连续、平坦，运动受地形影响比较大，当其遇到一定高度的连续型障碍物时就无法通过。而腿足式移动机器人的腿脚运动灵活，可以跨越和攀登诸多障碍，只需要离散的支撑点，几乎可以适应各种复杂地形，在复杂的地形和非结构化的环境中，具有更好的灵活性和适应性。近年来一些腿足式机器人系统表现出了很好的性能，克服了楼梯或湿滑的地形等障碍，但它们通常需要大量的时间来执行这些复杂的运动；同时，在平面上运动时的能耗大、动力效用低、速度跟轮状物相比又太慢。将这两种核心能力结合在一起的机器人，在平坦的地面上快速、平滑地机动和动态地克服障碍，是非常罕见的。专利文献CN109159830A提出了一种轮腿结合式机器人，采用四条可折叠的腿和机身两侧的驱动主动轮及一个从动轮的结构实现轮式和足式运动状态切换，该方案的不足在于跨越障碍时需要切换模式耗时较长，而且系统所需的驱动电机比较多，系统集成不够紧凑、从而导致结构复杂，同时也不太容易实现自动平衡控制与跳跃控制的解耦。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种双轮足混合自平衡机器人，该机器人结构紧凑，设计巧妙，以便于实现自动平衡控制与跳跃控制的解耦。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种双轮足混合自平衡机器人，包括躯干支架，在所述躯干支架的两侧对称地设置有支腿组件；
所述支腿组件包括大腿支架、小腿支架、辅助腿连杆、轮毂电机、髋关节电机以及膝关节储能弹簧；所述轮毂电机安装在小腿支架的底部，大腿支架的一端与小腿支架通过铰链连接；膝关节储能弹簧与铰链同轴，所述膝关节储能弹簧为带腿弹簧，其一端卡在小腿支架上，另一端卡在大腿支架上；大腿支架的另一端固定在髋关节电机的输出端，由髋关节电机带动动作，髋关节电机安装在躯干支架中；所述辅助腿连杆的一端与小腿支架通过铰链连接，另一端与躯干支架通过铰链连接。
当所述机器人直立时，整体机器人质心与所述轮毂电机圆心连成一条虚拟直线；当整个机器人纯上下运动时，通过髋关节电机驱动大腿支架，压缩膝关节储能弹簧，带动小腿支架和辅助腿连杆的运动，此时，整体机器人质心运动轨迹尽可能与所述虚拟直线保持在同一直线。
所述的双轮足混合自平衡机器人还包括IMU模块、主控制器、驱动器以及地面识别装置；所述轮毂电机和髋关节电机均安装有编码器，轮毂电机和髋关节电机的编码器分别与驱动器的电机接口和通讯接口相连，驱动器与主控制器的通讯接口相连接，IMU模块与主控制器通讯接口相连；所述地面识别装置用于识别机器人前进方向的地面情况，主控制器根据地面识别装置所识别到地面情况以及IMU模块所获取到的机器人的实时姿态状态来控制轮毂电机和髋关节电机的工作。
所述地面识别装置安装在躯干支架的前端。
在所述躯干支架中安装有箱体，所述IMU模块、主控制器以及驱动器均安装字箱体内；在所述箱体内还安装有电源系统，电源系统分别给主控制器、驱动器、IMU模块、地面识别装置提供额定电源。
当所述机器人在平坦地面直立时，机器人的姿态状态通过IMU模块获取，以使得主控制器通过控制两个轮毂电机正反转运动保持机器人直立平衡状态。
在平坦地面行走时，主控制器通过控制机器人轮毂电机使机器人姿态与地面产生倾角，并通过IMU模块实时读取，进而转化为控制轮毂电机控制机器人行进。
在不平坦地面行走时，主控制器控制髋关节电机处于下蹲压缩蓄能弹簧状态，控制轮毂电机行进的同时，控制髋关节电机，使机器人跳跃，并前进，以跨越障碍物。
所述地面识别装置为雷达、立体相机及深度传感器中的一种或几种。
所述髋关节电机为交流永磁同步电机
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
本实施例提供的双轮足混合自平衡机器人通过巧妙地设计大腿支架、小腿支架以及辅助腿连杆的结构位置，从而可以使得整个机器人的质心位置能够进行优化，进而便于实现自动平衡控制与跳跃控制的解耦，有利于机器人的前行和跳跃动作的实现。
附图说明
图1为本发明实施例提供的双轮足混合自平衡机器人的整体结构示意图；
图2为图1的侧视图；
图3为图1的正视图；
图4为图1的俯视图；
图中：1、躯干支架；2、大腿支架；3、小腿支架；4、辅助腿连杆；5、轮毂电机；6、髋关节电机；7、膝关节储能弹簧；8、IMU模块；9、主控制器；10、驱动器；11、地面识别装置；101、箱体安装部；102、连杆安装部。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
参阅图1-4所示，本实施例提供的双轮足混合自平衡机器人包括躯干支架1，在该述躯干支架的两侧对称地设置有支腿组件，也就是说，整一个机器人为左右对称结构。具体地，该躯干支架1分为箱体安装部101和连杆安装部102，连杆安装部102的相对的两侧边面朝外延伸形成辅助腿连杆安装位，而在箱体安装部101和连杆安装部102两者之间的过渡衔接位置处则作为髋关节电机安装位。
其中，该支腿组件包括大腿支架2、小腿支架3、辅助腿连杆4、轮毂电机5、髋关节电机6以及膝关节储能弹簧7；该轮毂电机5安装在小腿支架3的底部，以实现前行行走，通过采用轮毂电机5来作为机器人的行走驱动部件，由于轮毂电机5是将动力装置、传动装置和制动装置都整合一起到轮毂内一类电机，省略大量传动部件，从而使得机器人结构更为地简单。而大腿支架2的一端则和小腿支架3的另一端通过铰链连接，膝关节储能弹簧7与铰链同轴，装配完成时，膝关节储能弹簧7处于挤压状态，该膝关节储能弹簧7为带腿弹簧，其一端卡在小腿支架3上，另一端卡在大腿支架2，也就是，该膝关节储能弹簧就类似一夹子的弹簧结构，以使得大腿支架2和小腿支架3之间存在弹性势能；大腿支架2的另一端固定在髋关节电机6的转子的法兰盘，由髋关节电机6带动动作，髋关节电机6安装在躯干支架1的髋关节电机安装位中；该辅助腿连杆4的一端与小腿支架3通过铰链连接，另一端与躯干支架1的辅助腿连杆安装位通过铰链连接，通过如此设计大腿支架2、小腿支架3以及辅助腿连杆4三者之间的位置连接关系，三者之间就可以形成连杆机构，基于连杆机构的设计原理即可以调整大腿支架2、小腿支架3、辅助腿支架4及铰链位置，从而可以使得整个机器人的质心位置能够进行优化，进而便于实现自动平衡控制与跳跃控制的解耦。同时，该膝关节储能弹簧7不但能够起到缓冲缓冲减震的作用，减缓足端与地面的冲击力，同时，在机器人准备跳跃时，髋关节电机可以使其压缩，储备起跳能量。
由此可知，本实施例提供的双轮足混合自平衡机器人通过巧妙地设计大腿支架、小腿支架以及辅助腿连杆的结构位置，从而可以使得整个机器人的质心位置能够进行优化，进而便于实现自动平衡控制与跳跃控制的解耦，有利于机器人的前行和跳跃动作的实现。
具体地，如图2所示，当该机器人直立时，整体机器人质心与该轮毂电机5圆心连成一条虚拟直线，当整个机器人纯上下运动时，腿部结构通过髋关节电机6驱动大腿支架，压缩膝关节储能弹簧7，通过连杆机构带动小腿支架3和辅助腿连杆4的运动，此时，机器人质心运动轨迹尽可能上述虚拟直线保持在同一直线，可通过连杆机构设计原理调整大腿支架2、小腿支架3、辅助腿支架4及铰链位置，考虑整个机器人质心位置进行优化设计。
优选地，上述的髋关节电机6为交流永磁同步电机，也就是说，髋关节采用低阻尼力的交流永磁同步电机直驱方案，并且膝关节具有弹簧储能机构，使得双足腿部具有较高的能量利用率，比传统采用液压足式方案结构紧凑，噪声低，成本低等优点。
同时，为了能够使得上述的双轮足混合自平衡机器人能够实现前行和跳跃动作的自动实现，该双轮足混合自平衡机器人还包括IMU模块8(Inertial measurement unit，简称IMU，是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置)、主控制器9、驱动器10以及地面识别装置11。其中，该轮毂电机5和髋关节电机6均安装有编码器，轮毂电机5和髋关节电机6的编码器分别与驱动器10的电机接口和通讯接口相连，驱动器10与主控制器9的通讯接口相连接，以使得主控制器9能够获取到轮毂电机和髋关节电机的转动角度以及转向，便于对其控制；该IMU模块8与主控制器通讯接口相连，IMU模块8主要用于获取机器人的实时姿态位置，主控制器9则可以通过机器人的实时姿态位置来调整机器人的动作；而该地面识别装置11则用于识别机器人前进方向的地面情况，主控制器9根据地面识别装置所识别到地面情况以及IMU模块8所获取到的机器人的实时姿态状态来控制轮毂电机和髋关节电机的工作，进而能够控制机器人实现不同动作的切换。
具体地，当机器人在平坦地面直立时，机器人的姿态状态通过IMU模块8获取，以使得主控制器9通过控制两个轮毂电机5正反转运动保持机器人直立平衡状态；而在平坦地面行走时，主控制器9通过控制轮毂电机5使机器人姿态与地面产生倾角，并通过IMU模块8实时读取，进而转化为控制轮毂电机5来控制机器人行进；在不平坦地面行走时，主控制器9控制髋关节电机6处于下蹲压缩蓄能弹簧状态，控制轮毂电机5行进的同时，控制髋关节电机6，使机器人跳跃，并前进，以跨越障碍物。由此可知，本机器人结合了轮式和足式构型，使轮式增加跨越障碍功能，使足式执行效率更高，整体系统灵活性和适应性更强。
优选地，该地面识别装置11安装在躯干支架1的前端，以便于识别获取到机器人前进方向的地面情况，而该地面识别装置11可以采用雷达、立体相机及深度传感器中的一种或几种。此外，在该躯干支架1的箱体安装位中安装有箱体，该IMU模块8、主控制器9以及驱动器10均安装字箱体内，以使得机器人结构更为地紧凑；在该箱体内还安装有电源系统，电源系统分别给主控制器9、驱动器10、IMU模块8、地面识别装置11提供额定电源。
综上，本实例提供的轮足混合一体式机器人，尽可能地解耦稳定和跳跃控制，能够在平坦的路面上快速移动，在崎岖不平的路面上，低速平稳的通过，在类似楼梯台阶的地形，直接能跳跃跨越，而非进行轮足切换后进行跨越，节省执行时间。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种双轮足混合自平衡机器人，其特征在于，包括躯干支架，在所述躯干支架的两侧对称地设置有支腿组件；
所述支腿组件包括大腿支架、小腿支架、辅助腿连杆、轮毂电机、髋关节电机以及膝关节储能弹簧；所述轮毂电机安装在小腿支架的底部，大腿支架的一端与小腿支架通过铰链连接；膝关节储能弹簧与铰链同轴，所述膝关节储能弹簧为带腿弹簧，其一端卡在小腿支架上，另一端卡在大腿支架上；大腿支架的另一端固定在髋关节电机的输出端，由髋关节电机带动动作，髋关节电机安装在躯干支架中；所述辅助腿连杆的一端与小腿支架通过铰链连接，另一端与躯干支架通过铰链连接。
2.如权利要求1所述的双轮足混合自平衡机器人，其特征在于，当所述机器人直立时，整体机器人质心与所述轮毂电机圆心连成一条虚拟直线；当整个机器人纯上下运动时，通过髋关节电机驱动大腿支架，压缩膝关节储能弹簧，带动小腿支架和辅助腿连杆的运动，此时，整体机器人质心运动轨迹尽可能与所述虚拟直线保持在同一直线。
3.如权利要求1所述的双轮足混合自平衡机器人，其特征在于，还包括IMU模块、主控制器、驱动器以及地面识别装置；所述轮毂电机和髋关节电机均安装有编码器，轮毂电机和髋关节电机的编码器分别与驱动器的电机接口和通讯接口相连，驱动器与主控制器的通讯接口相连接，IMU模块与主控制器通讯接口相连；所述地面识别装置用于识别机器人前进方向的地面情况，主控制器根据地面识别装置所识别到地面情况以及IMU模块所获取到的机器人的实时姿态状态来控制轮毂电机和髋关节电机的工作。
4.如权利要求3所述的双轮足混合自平衡机器人，其特征在于，所述地面识别装置安装在躯干支架的前端。
5.如权利要求3所述的双轮足混合自平衡机器人，其特征在于，在所述躯干支架中安装有箱体，所述IMU模块、主控制器以及驱动器均安装字箱体内；在所述箱体内还安装有电源系统，电源系统分别给主控制器、驱动器、IMU模块、地面识别装置提供额定电源。
6.如权利要求3所述的双轮足混合自平衡机器人，其特征在于，当所述机器人在平坦地面直立时，机器人的姿态状态通过IMU模块获取，以使得主控制器通过控制两个轮毂电机正反转运动保持机器人直立平衡状态。
7.如权利要求3所述的双轮足混合自平衡机器人，其特征在于，在平坦地面行走时，主控制器通过控制机器人轮毂电机使机器人姿态与地面产生倾角，并通过IMU模块实时读取，进而转化为控制轮毂电机控制机器人行进。
8.如权利要求3所述的双轮足混合自平衡机器人，其特征在于，在不平坦地面行走时，主控制器控制髋关节电机处于下蹲压缩蓄能弹簧状态，控制轮毂电机行进的同时，控制髋关节电机，使机器人跳跃，并前进，以跨越障碍物。
9.如权利要求3或4所述的双轮足混合自平衡机器人，其特征在于，所述地面识别装置为雷达、立体相机及深度传感器中的一种或几种。
10.如权利要求1或3所述的双轮足混合自平衡机器人，其特征在于，所述髋关节电机为交流永磁同步电机。
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