CN110667722B - 一种基于电液混合驱动的轮足切换机器人及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电液混合驱动的轮足切换机器人及控制系统，涉及装载或倾卸用输送装置技术领域，其包括机器人底盘、载重装置、环境感知系统、运动控制系统和四条轮足可切换腿部运动机构。同时提供配套的控制系统，其包括中央控制器以及和膝关节液压伺服驱动器组603中央控制器信号连接的髋关节液压伺服驱动器组、膝关节液压伺服驱动器组、载重支撑液压伺服驱动器组、轮足旋转伺服驱动器组、轮足切换伺服驱动器组、轮式伺服驱动器组、电源管理模块、环境感知模块以及导航模块。本发明能有效提高物流运输的效率。

Description

一种基于电液混合驱动的轮足切换机器人及控制系统

技术领域

本发明涉及装载或倾卸用输送装置技术领域，具体涉及一种基于电液混合驱动的轮足切换机器人及控制系统。

背景技术

无人驾驶技术以及足式机器人技术是目前智能机器人领域研究的热点方向，两者技术的不断成熟将对人类的出行方式、物流运输带来极大的便利。目前快递配送的最后一公里问题是物流公司普遍面对的痛点，采用人工配送耗时耗力，成本较高，时效性不好；采用无人机配送，无人机的续航能力以及载重量问题使其难以大规模商用。若采用轮足切换机器人代替快递员完成最后一公里送货，既可以保证轮式机器人的高效率快捷性，又可以保证足式机器人在路障、楼梯等复杂非结构环境中自由穿行的能力，确保能够及时高效的完成快递物流投送。

目前机器人领域将轮式机器人和足式机器人结合起来研究的成果还比较少。申请号为201810249773.1，公开日为2018年07月27日的一份中国专利申请公开的一种多行走方式轮腿式机器人通过机身的折叠变形可以完成四足运动、双足运动、轮式移动之间的相互切换。该发明结构的问题在于四足行走过程中通过轮子在地面行走稳定性较差，其曲柄连杆机构运动的可靠性较差，对电机转矩功率要求较高。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种基于电液混合驱动的轮足切换机器人及控制系统，本发明综合轮式机器人和足式机器人双方的优点，在公路等平台路面使用轮式通行模式快速高效率的通行，在有障碍物或者需要爬楼梯等复杂非结构环境下可以迅速切换到足式通行模式，有效提高物流运输的效率。

为实现上述目的，本发明方案如下：

一种基于电液混合驱动的轮足切换机器人，其包括机器人底盘、载重装置、环境感知系统、运动控制系统和轮足可切换腿部运动机构；所述载重装置设置在所述机器人底盘上，所述四条轮足腿部运动机构安装在所述机器人底盘下，所述轮足腿部运动机构包括轮足切换单元和转动连接在所述轮足切换单元上的轮足单元，所述轮足单元包括垂直连接的轮式结构和足式结构；所述环境感知系统用于获取环境障碍信号，所述运动控制系统用于根据环境障碍信号驱动所述轮足切换单元实现轮式或足式行走状态的切换；所述轮足切换单元包括轮足切换伺服电机、主动锥齿轮、从动锥齿轮；所述轮足切换伺服电机的输出轴安装有主动锥齿轮，所述轮足单元连接有所述从动锥齿轮，所述主动锥齿轮和所述从动锥齿轮啮合传动。

如上所述的基于电液混合驱动的轮足切换机器人，进一步地，所述轮足腿部运动机构还包括依次连接的髋关节、大腿组件、膝关节和小腿组件；所述大腿组件通过关节液压驱动单元与所述机器人底盘连接；所述膝关节通过双向液压驱动单元与所述大腿组件连接；所述小腿组件包括轮足旋转伺服电机，所述轮足切换单元通过所述轮足旋转伺服电机与所述膝关节连接。

如上所述的基于电液混合驱动的轮足切换机器人，进一步地，所述足式结构具有前后开叉的接触面，所述轮式结构为由一轮式伺服电机驱动的行走轮。

如上所述的基于电液混合驱动的轮足切换机器人，进一步地，所述载重装置包括载重框和载重支撑液压单元，所述载重框的一端铰接连接在所述机器人底盘上，所述载重框的另一端通过所述载重支撑液压单元与所述机器人底盘连接。

如上所述的基于电液混合驱动的轮足切换机器人，进一步地，所述环境感知系统包括分别设置在机器人前端、后端以及顶部的前视摄像头、后视摄像头和激光雷达；所述前视摄像头和所述后视摄像头分别用于实时采集机器人前方及周边和后方及周边的三维环境信息，所述激光雷达用于实时获取机器人周围的障碍物分布情况。

如上所述的基于电液混合驱动的轮足切换机器人，进一步地，所述双向液压驱动单元包括双排缸体，所述双排缸体内活动设有两个开口分别朝向两端的腔体，所述腔体设有进出油阀且所述腔体的开口端设有端盖，所述腔体内活动设置有活塞杆和固定在所述活塞杆内端的活塞，所述活塞杆的另一端伸出所述端盖。

一种基于电液混合驱动的轮足切换机器的控制系统，其包括如上任一所述的基于电液混合驱动的轮足切换机器人、中央控制器以及和所述中央控制器信号连接的髋关节液压伺服驱动器组、膝关节液压伺服驱动器组、载重支撑液压伺服驱动器组、轮足旋转伺服驱动器组、轮足切换伺服驱动器组、轮式伺服驱动器组、电源管理模块、环境感知模块以及导航模块；

所述环境感知模块用于获取地图信息并传输给所述中央控制器；

所述导航模块根据地图信息进行路径规划及运动姿态调整；

所述髋关节液压伺服驱动器组接收所述中央控制器的指令，用于驱动关节液压驱动单元动作，使得大腿组件以髋关节为铰支点运动；

所述膝关节液压伺服驱动器组接收所述中央控制器的指令，用于驱动双向液压驱动单元动作，使得小腿组件以膝关节为铰支点运动；

所述载重支撑液压伺服驱动器组接收所述中央控制器的指令，用于驱动载重支撑液压单元动作，使得载重框绕铰支点运动；

所述轮足旋转伺服驱动器组接收所述中央控制器的指令，用于驱动轮足旋转伺服电机，以改变机器人的行进方向；

所述轮足切换伺服驱动器组接收所述中央控制器的指令，用于驱动轮足切换伺服电机，以根据障碍物信息实现轮式或足式行走状态的切换；

所述轮式伺服驱动器组接收所述中央控制器的指令，用于驱动轮式伺服电机，以实现机器人以轮式结构前进；

所述电源管理模块用于提供供电能及电源管理。

如上所述的基于电液混合驱动的轮足切换机器的控制系统，进一步地，所述环境感知模块包括激光雷达图像识别单元和摄像头图像识别单元，所述摄像头图像识别单元用于根据所述前视摄像头、后视摄像头拍摄的图像进行特征识别，以形成初步的环境地图信息，所述激光雷达图像识别单元用于根据所述激光雷达扫描的障碍物分布情况进行特征识别，以形成初步的障碍物地图信息，将初步的环境地图信息和初步的障碍物地图信息合成地图信息并传输给所述中央控制器；

所述导航模块包括GPS导航单元和惯性导航单元，所述惯性导航单元用于根据自身运动参数预测机器人的运动位置、姿态，所述GPS导航单元则根据所述中央控制器的地图信息规划机器人的路径、运动姿态，所述惯性导航单元和所述GPS导航单元实时相互调整更新，避免偏离路线，并与所述中央控制器控制信号连接。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

1.本发明兼顾了机器人的通行快速性、高效率及复杂路面的适应性，采用轮足可切换腿部运动机构，能综合轮式机器人和足式机器人双方的优点，在公路等平台路面使用轮式通行模式快速高效率的通行，在有障碍物或者需要爬楼梯等复杂非结构环境下可以迅速切换到足式通行模式安全、稳健的通过障碍物地段。

2.本发明具有较好的能量利用率，机器人采用伺服电机和液压系统混合驱动的双工模式实现机器人能量使用的最优化。机器人的转向及轮式通行模式采用高效率、高响应性的伺服电机驱动，能够有效节省机器人在轮式通行状态时的能量消耗。在足式通行模式时，考虑到机器人的大负载特性，髋关节和膝关节采用小型液压系统驱动可以有效的将液压系统高负载特性利用起来，使机器人在大重量载货的情况下可以更好的实现足式通行模态，增强机器人的整体续航时间。

3..本发明具有较好的自主性、智能性。机器人安装了环境感知系统，通过前后摄像头及激光雷达等模块可以实现自主环境识别及建图，障碍物自动预警及急停，通行模式的自动切换，自主上下楼梯，自主卸货等一系列操作，可高效、快速的实现快递物流最后一公里的自主配送货任务。

附图说明

图1为本发明提供的轮足切换机器人在轮式行走状态的结构示意图；

图2为本发明提供的轮足切换机器人在足式行走状态的结构示意图；

图3为本发明的轮足切换单元的结构示意图；

图4为本发明的双向液压驱动单元的结构示意图；

图5为本发明基于电液混合驱动的轮足切换机器的控制系统的结构原理图；

图6为本发明实施例的控制系统的控制流程框图。

其中：1、机器人底盘；2、载重装置；201、载重框；202、载重支撑液压单元；3、轮足可切换腿部运动机构；31、大腿组件；32、小腿组件；301、髋关节；302、膝关节；303、关节液压驱动单元；304、双向液压驱动单元；3041、双排缸体；3042、进出油阀；3043、端盖；3044、活塞杆；3045、活塞；3046、斯特密封圈；3047、防尘圈；3048、O型密封圈；3049、格莱密封圈；3050、导向环；3051、导向套；305、轮足切换伺服电机；306、主动锥齿轮；307、从动锥齿轮；309、轮式结构；3091、轮式伺服电机；3092、行走轮；310、足式结构；401、前视摄像头；402、后视摄像头；403、激光雷达；5、控制柜；601、中央控制器；602、髋关节液压伺服驱动器组；603、膝关节液压伺服驱动器组；604、载重支撑液压伺服驱动器组；605、轮足旋转伺服驱动器组；606、轮足切换伺服驱动器组；607、轮式伺服驱动器组；608、电源管理模块；609、GPS导航单元；610、惯性导航单元；611、激光雷达图像识别单元；612、摄像头图像识别单元。

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：

参见图1和图2，一种基于电液混合驱动的轮足切换机器人，其包括机器人底盘1、载重装置2、环境感知系统、运动控制系统和四条轮足可切换腿部运动机构3；所述载重装置2设置在所述机器人底盘1上，所述四条轮足腿部运动机构安装在所述机器人底盘1下，所述轮足腿部运动机构包括轮足切换单元和转动连接在所述轮足切换单元上的轮足单元，所述轮足单元包括垂直连接的轮式结构309和足式结构310；所述环境感知系统用于获取环境障碍信号，所述运动控制系统用于根据环境障碍信号驱动所述轮足切换单元实现轮式或足式行走状态的切换。进一步地，所述轮足切换单元包括轮足切换伺服电机305、主动锥齿轮306、从动锥齿轮307；所述轮足切换伺服电机305的输出轴安装有主动锥齿轮306，所述轮足单元连接有所述从动锥齿轮307，所述主动锥齿轮306和所述从动锥齿轮307啮合传动。参见图3，本实施例提供一种轮足切换单元的优选实施方式，轮足切换伺服电机305接收控制系统的指令，根据环境切换轮式或足式行走状态，其工作原理为：轮足切换伺服电机305驱动主动锥齿轮306转动，通过锥齿轮传动带动轮足单元转动实现轮式结构309和足式结构310的切换。切换到足式结构310行走时，轮式结构309此时设置在机器人的外周，轮式结构309可巧妙地作为导向机构用于平滑地避开障碍物。

进一步地，所述轮足腿部运动机构还包括依次连接的髋关节301、大腿组件31、膝关节302和小腿组件32。髋关节301为对称设置的两耳板，大腿组件31包括两对称设置的两大腿板，大腿板上端通过销轴与两耳板大腿板铰接，此外，大腿板上端还通过关节液压驱动单元303与所述机器人底盘1连接铰接，使得大腿组件31以髋关节301为铰支点运动。小腿组件32上方形成有膝关节302，所述膝关节302通过双向液压驱动单元304与所述大腿组件31铰接，双向液压驱动单元304可增大小腿组件32绕膝关节302为铰支点运动的角度，增加机器人的肢体灵活性。所述小腿组件32包括轮足旋转伺服电机，所述轮足切换单元通过所述轮足旋转伺服电机与所述膝关节302连接，当轮足旋转伺服电机旋转时，轮足切换单元以及轮足单元会随着转动，以适应周围有障碍物或者需要爬楼梯等复杂环境，快速调整机器人运动方向。

进一步地，所述足式结构310具有前后开叉的接触面，该足式结构310结构简单，前后开叉的接触面能增大与地面的接触面积，所述轮式结构309为由一轮式伺服电机3091驱动的行走轮3092。

进一步地，所述载重装置2包括载重框201和载重支撑液压单元202，所述载重框201的一端铰接连接在所述机器人底盘1上，所述载重框201的另一端通过所述载重支撑液压单元202与所述机器人底盘1连接。本实施例中，载重框201的尾端通过两块合页与机器人底盘1铰接，载重支撑液压单元202的液压缸端部通过销轴与机器人底盘1铰接，载重支撑液压单元202的活塞杆的端部与载重框201下端面铰接，当本机器人到达指定地点，即可通过载重支撑液压单元202的动作实现机器人的自动卸货功能。

进一步地，所述环境感知系统包括分别设置在机器人前端、后端以及顶部的前视摄像头401、后视摄像头402和激光雷达403；所述前视摄像头401和所述后视摄像头402分别用于实时采集机器人前方及周边和后方及周边的三维环境信息，所述激光雷达403用于实时获取机器人周围的障碍物分布情况。本实施例中，前视摄像头401安装在控制柜5的前端，后视摄像头402安装在载重框201的后端，激光雷达403则安装在控制柜5的上端，控制柜5内设有控制系统。

参见图4，进一步地，本实施中，所述双向液压驱动单元304包括双排缸体3041，所述双排缸体3041内活动设有两个开口分别朝向两端的腔体，所述腔体的开口端设有端盖3043，两侧的进出油阀3042与液压油箱连接，通过控制进出油阀3042中液压油的流进、流出或不变，控制活塞杆3044的外伸、内缩或位置保持。所述腔体内活动设置有活塞杆3044和固定在所述活塞杆3044内端的活塞3045，所述活塞杆3044的另一端伸出所述端盖3043，活塞3045从内端到外端依次同轴嵌套有O型密封圈3048、格莱密封圈3049和导向环3050。导向套3051同轴套设在活塞杆3044靠近端盖3043的一端，导向套3051的一端抵接在端盖3043的内侧，活塞杆3044与端盖3043接触的圆周面部分嵌套有防尘圈3047和斯特密封圈3046。双向液压驱动单元304接收控制系统的指令，可以实现两端动作，增大大小腿组件32绕膝关节302为铰支点运动的角度。

参见图5、图6，一种基于电液混合驱动的轮足切换机器的控制系统，其包括上述的基于电液混合驱动的轮足切换机器人、中央控制器601以及和所述中央控制器601信号连接的髋关节液压伺服驱动器组602、膝关节液压伺服驱动器组603、载重支撑液压伺服驱动器组604、轮足旋转伺服驱动器组605、轮足切换伺服驱动器组606、轮式伺服驱动器组607、电源管理模块608、环境感知模块以及导航模块；

所述环境感知模块用于获取地图信息并传输给所述中央控制器601；

所述导航模块根据地图信息进行路径规划及运动姿态调整；

所述髋关节液压伺服驱动器组602接收所述中央控制器601的指令，用于驱动关节液压驱动单元303动作，使得大腿组件31以髋关节301为铰支点运动；

所述膝关节液压伺服驱动器组603接收所述中央控制器601的指令，用于驱动双向液压驱动单元304动作，使得小腿组件32以膝关节302为铰支点运动；

所述载重支撑液压伺服驱动器组604接收所述中央控制器601的指令，用于驱动载重支撑液压单元202动作，使得载重框201绕铰支点运动；

所述轮足旋转伺服驱动器组605接收所述中央控制器601的指令，用于驱动轮足旋转伺服电机，以改变机器人的行进方向；

所述轮足切换伺服驱动器组606接收所述中央控制器601的指令，用于驱动轮足切换伺服电机305，以根据障碍物信息实现轮式或足式行走状态的切换；

所述轮式伺服驱动器组607接收所述中央控制器601的指令，用于驱动轮式伺服电机3091，以实现机器人以轮式结构309前进；

所述电源管理模块608用于提供供电能及电源管理。

进一步地，所述环境感知模块包括激光雷达图像识别单元611和摄像头图像识别单元612，所述摄像头图像识别单元612用于根据所述前视摄像头401、后视摄像头402拍摄的图像进行特征识别，以形成初步的环境地图信息，所述激光雷达图像识别单元611用于根据所述激光雷达403扫描的障碍物分布情况进行特征识别，以形成初步的障碍物地图信息，将初步的环境地图信息和初步的障碍物地图信息合成地图信息并传输给所述中央控制器601；

所述导航模块包括GPS导航单元609和惯性导航单元610，所述惯性导航单元610用于根据自身运动参数预测机器人的运动位置、姿态，所述GPS导航单元609则根据所述中央控制器601的高精度的地图信息规划机器人的路径、运动姿态，所述惯性导航单元610和所述GPS导航单元609实时相互调整更新，避免偏离路线，并与所述中央控制器601控制信号连接。此外，为了过滤信号噪声，还设有卡尔曼滤波器。

控制系统配合轮足切换机器人的控制流程如下：GPS导航单元609和惯性导航单元610相互配合，不断校正机器人的运动位置和姿态，激光雷达图像识别单元611和摄像头图像识别单元612相互配合，将合成高精度的地图信息并传输给中央控制器601，在机器人行进过程中，中央控制器601会根据获取的信息判断前进的方向是否偏移规划路线，若发现偏离则并发出指令调整机器人前进方向。同时，中央控制器601会根据获取的信息识别前方是否有障碍物或前进到地形复杂的地段，如楼梯等，则可以发出指令切换行走状态，使得机器人可以根据周围环境的情况避障行进和根据复杂的环境情况切换轮式或足式行走状态。

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 (4)

1.一种基于电液混合驱动的轮足切换机器人，其特征在于，包括机器人底盘、载重装置、环境感知系统、运动控制系统和轮足可切换腿部运动机构；所述载重装置设置在所述机器人底盘上，所述轮足可切换腿部运动机构安装在所述机器人底盘下，所述轮足可切换腿部运动机构包括轮足切换单元和转动连接在所述轮足切换单元上的轮足单元，所述轮足单元包括垂直连接的轮式结构和足式结构；所述环境感知系统用于获取环境障碍信号，所述运动控制系统用于根据环境障碍信号驱动所述轮足切换单元实现轮式或足式行走状态的切换；所述轮足切换单元包括轮足切换伺服电机、主动锥齿轮、从动锥齿轮；所述轮足切换伺服电机的输出轴安装有主动锥齿轮，所述轮足单元连接有所述从动锥齿轮，所述主动锥齿轮和所述从动锥齿轮啮合传动;所述足式结构具有前后开叉的接触面，所述轮式结构为由一轮式伺服电机驱动的行走轮，所述轮式结构设置在机器人的外周，当切换足式结构行走时以形成导向机构，所述行走轮的侧端面与地面平行或接近平行，导向机构用于平滑地避开障碍物；所述轮足可切换腿部运动机构还包括依次连接的髋关节、大腿组件、膝关节和小腿组件；所述大腿组件通过关节液压驱动单元与所述机器人底盘连接；髋关节为对称设置的两耳板，大腿组件包括两对称设置的两大腿板，大腿板上端通过销轴与两耳板铰接且大腿板上端通过关节液压驱动单元所述机器人底盘铰接从而形成三角构型，小腿组件上方形成有所述膝关节，所述膝关节通过双向液压驱动单元与所述大腿组件连接，从而形成三角构型；所述小腿组件包括轮足旋转伺服电机，所述轮足切换单元通过所述轮足旋转伺服电机与所述膝关节连接；所述载重装置包括载重框和载重支撑液压单元，所述载重框的一端铰接连接在所述机器人底盘上，所述载重框的另一端通过所述载重支撑液压单元与所述机器人底盘连接；所述环境感知系统包括分别设置在机器人前端、后端以及顶部的前视摄像头、后视摄像头和激光雷达；所述前视摄像头和所述后视摄像头分别用于实时采集机器人前方及周边和后方及周边的三维环境信息，所述激光雷达用于实时获取机器人周围的障碍物分布情况。

2.根据权利要求1所述的基于电液混合驱动的轮足切换机器人，其特征在于，所述双向液压驱动单元包括双排缸体，所述双排缸体内活动设有两个开口分别朝向两端的腔体，所述腔体设有进出油阀且所述腔体的开口端设有端盖，所述腔体内活动设置有活塞杆和固定在所述活塞杆内端的活塞，所述活塞杆的另一端伸出所述端盖。

3.一种基于电液混合驱动的轮足切换机器人的控制系统，其特征在于，包括如权利要求1至2任一所述的基于电液混合驱动的轮足切换机器人、中央控制器以及和所述中央控制器信号连接的髋关节液压伺服驱动器组、膝关节液压伺服驱动器组、载重支撑液压伺服驱动器组、轮足旋转伺服驱动器组、轮足切换伺服驱动器组、轮式伺服驱动器组、电源管理模块、环境感知模块以及导航模块；

所述环境感知模块用于获取地图信息并传输给所述中央控制器；

所述导航模块根据地图信息进行路径规划及运动姿态调整；

所述髋关节液压伺服驱动器组接收所述中央控制器的指令，用于驱动关节液压驱动单元动作，使得大腿组件以髋关节为铰支点运动；

所述膝关节液压伺服驱动器组接收所述中央控制器的指令，用于驱动双向液压驱动单元动作，使得小腿组件以膝关节为铰支点运动；

所述载重支撑液压伺服驱动器组接收所述中央控制器的指令，用于驱动载重支撑液压单元动作，使得载重框绕铰支点运动；

所述轮足旋转伺服驱动器组接收所述中央控制器的指令，用于驱动轮足旋转伺服电机，以改变机器人的行进方向；

所述轮足切换伺服驱动器组接收所述中央控制器的指令，用于驱动轮足切换伺服电机，以根据障碍物信息实现轮式或足式行走状态的切换；

所述轮式伺服驱动器组接收所述中央控制器的指令，用于驱动轮式伺服电机，以实现机器人以轮式结构前进；

所述电源管理模块用于提供电能及电源管理。

4.根据权利要求3所述的基于电液混合驱动的轮足切换机器人的控制系统，其特征在于，所述环境感知模块包括激光雷达图像识别单元和摄像头图像识别单元，所述摄像头图像识别单元用于根据所述前视摄像头、后视摄像头拍摄的图像进行特征识别，以形成初步的环境地图信息，所述激光雷达图像识别单元用于根据所述激光雷达扫描的障碍物分布情况进行特征识别，以形成初步的障碍物地图信息，将初步的环境地图信息和初步的障碍物地图信息合成地图信息并传输给所述中央控制器；

所述导航模块包括GPS导航单元和惯性导航单元，所述惯性导航单元用于根据自身运动参数预测机器人的运动位置、姿态，所述GPS导航单元则根据所述中央控制器的地图信息规划机器人的路径、运动姿态，所述惯性导航单元和所述GPS导航单元实时相互调整更新，避免偏离路线，并与所述中央控制器控制信号连接。

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