CN111409726A - 新型轮爬复合式四足机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机器人技术领域，特别是涉及一种新型轮爬复合式四足机器人。该机器人包括控制部分和机械部分，控制部分包括主控制系统、供电系统、电机驱动、轮毂驱动、通信系统；机械部分包括身体机构、髋关节机构、大腿躯干传动与同步机构、膝关节连接件、小腿躯干传动与同步机构、轮式底盘、足式底盘。其中，轮式底盘是机器人的轮式运动机构，其可进行平整地面的快速轮式运动；足式底盘是机器人的步态运动机构，其可进行复杂地面的步态行走运动。该机器人吸取了轮式运动和足式运动的优点，并将其整个在一起，自适应实时响应，既实现了两种运动方式，适应各种路况，又简化了结构，降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，特别是涉及一种新型轮爬复合式四足机器人。
背景技术
移动机器人是集成了环境感知、运动控制、智能交互等功能的综合性系统。随着人工智能、机电一体化、多传感器技术、电子信息、自动化控制等的技术发展，移动机器人的应用越来越广泛，不仅在工业、医疗、服务等行业有了深度应用，而且在安防、空间探测等危险场合也有了很好的应用。根据运动方式的区别，移动机器人可分为轮式机器人、步态机器人、履带式机器人、爬行机器人等。根据工作环境不同，其又可分为室内移动机器人和室外移动机器人。
目前，国内外移动机器人的运动机构，可分为轮式、履带式、足式。轮式运动的优势是在平地上运动速度快，工作稳定，控制较简单，价格相对较低，但在坑洼或台阶等方面的性能就比较差；履带式运动的优势是可适用的场景相对较多，但其机构较大，对于狭小环境的适应性较差，且能耗也比较高；足式运动，因其模拟人或动物的运动方式，在爬坡、上下楼、坑洼或台阶等平整路况下的跃障能力强，机动性强，但因为目前平衡算法还未完善、机械结构复杂等技术水平的限制以及旋转执行器要求高价格昂贵等原因，运动速度还比较慢，机构设计和控制都比较复杂，还无法进行普及。如何能让机器人适应各种复杂路面进行移动，并且还能保证运动平稳高效，并且节省成本，是本领域人员努力研究的方向。
发明内容
本发明的目的在于设计一种新型轮爬复合式四足机器人。该机器人能够适应各种复杂的路况，在运动中保持平稳高效，且结构相对简洁，运动控制简单可靠。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案实现的：
一种新型轮爬复合式四足机器人，包括控制部分和机械部分，控制部分包括主控制系统、供电系统、电机驱动、轮毂驱动、通信系统；机械部分包括身体机构、髋关节机构、大腿躯干传动与同步机构、膝关节连接件、小腿躯干传动与同步机构、轮式底盘、足式底盘；所述控制部分的主控系统、供电系统和通信系统安装在身体机构内部，所述髋关节机构一部分与身体机构相连，另一部分与大腿躯干传动与同步机构相连，膝关节连接件将大腿躯干传动与同步机构和小腿躯干传动与同步机构连接在一起，足式底盘安装在小腿躯干传动与同步机构末端，轮式底盘安装在小腿躯干传动与同步机构上，介于膝关节连接件和足式底盘之间；所述轮式底盘是机器人的轮式运动机构，其可进行平整地面的快速轮式运动；所述足式底盘是机器人的步态运动机构，其可进行复杂地面的步态行走运动；该机器人整体采用轻量化复合新型材料以及大扭矩运动电机和轮毂电机，故还可实现一定量的负载运动。
所述的新型轮爬复合式四足机器人，轮式底盘包括安装在膝关节连接件与足式底盘之间的四个轻量化大扭力轮毂电机或两个轻量化大扭力轮毂电机与两个从动轮、轮毂驱动以及稳固的关节悬挂机构。
所述的新型轮爬复合式四足机器人，轮式底盘通过不同的转接装置，可以安装在小腿躯干传动与同步机构上的不同位置，以便适应不同的路况环境。
所述的新型轮爬复合式四足机器人，足式底盘包括安装在尾部的缓冲胶圈和基于机械应变的高灵敏度压力传感器，该传感器可采集信号并反馈给主机控制系统实现自身平衡的调整。
所述的新型轮爬复合式四足机器人，髋关节机构包括髋关节前后的电机执行器、膝关节的电机执行器和髋关节左右的电机执行器和紧凑的多关节机构传动。
所述的新型轮爬复合式四足机器人，机器人在平整地面时，机器人调整自身位姿至半蹲状态，使轮式底盘完全着地，足式底盘离地，并通过主控系统的平衡控制算法，保持机器人平稳后，迅速通过所述平整地面。
所述的新型轮爬复合式四足机器人，机器人在遇到楼梯、陡坡或者坑洼地形时，通过髋关节机构、大腿躯干传动与同步机构、膝关节连接件以及小腿躯干传动与同步机构的配合使足式底盘着地，并通过足式底盘的传感器装置使轮式底盘能够稳定的完全离地，最终呈完全足式站立状态，主控制系统切换至足式运动模式，控制机器人进行步态行走运动。
所述的新型轮爬复合式四足机器人，轮式运动与足式运动切换为自适应实时响应，延迟时间非常短，以满足机器人可以通过多变的复杂路况的要求。
综上所述，本发明的新型轮爬复合式四足机器人， 吸取了轮式运动和足式运动的优点，并将其整个在一起，既实现了两种运动方式，适应各种路况，又简化了结构，降低了成本，具体优势包括：
1）轮式底盘放置于膝关节连接件与足式底盘之间，解决了轮式底盘放置于足底导致的步态不稳定性问题。
2）轮式运动模式与足式运动模式切换为自适应实时响应的，解决了可变形机器人机械结构复杂、控制难的问题。
3）自研的智能执行器具有高精度、高转速、大扭矩、柔性控制等优势。
4）能够实现轮爬结合的一个重点是采用了轻量化大扭力轮毂电机，此轮毂电机自身重量只有市面上相同尺寸轮毂电机的一半，且保证了相同的扭矩。
前面所述的为本申请的概述，因此必然有简化、概括和细节省略的情况；本领域的技术人员应该认识到，概述部分仅是对本申请的说明，而不应看作是对本申请的任何限定。本说明书中描述的装置和/或方法和/或其他主题的其他方面、特征和优点将会由于本说明书的阐述而变得清晰。概述部分是用来以一种简化的方式导入多个将在以下具体实施方式部分进一步描述的概念。本概述部分既非用于确定所要求保护主题的关键特征或必要特征，也非用来作为确定所要求保护主题的范围的辅助手段。
附图说明
通过下面说明书和所附的权利要求书并与附图结合，就会更加充分地清楚理解本申请的上述和其他特征。应当理解，这些附图仅是对本申请若干实施方式的描述，不应认为是对本申请范围的限定，通过附图，本申请内容将会得到更加明确和详细地说明。
图1是本发明的新型轮爬复合式四足机器人的轮式运动示意图。
图2是本发明的新型轮爬复合式四足机器人的足式运动示意图。
附图标记说明：1-身体机构、2-髋关节机构、3-大腿躯干传动与同步机构、4-膝关节连接件、5-小腿躯干传动与同步机构、6-轮式底盘、7-足式底盘、21-髋关节前后的电机执行器、22-膝关节的电机执行器、23-髋关节左右的电机执行器。
具体实施方式
在下面的具体实施方式部分中，结合作为说明书一部分的附图进行说明。在附图中，相同/类似的标记通常表示相同/类似的部件，除非说明书中另有说明。具体实施方式、附图和权利要求书中描述的用来举例说明的实施方式不应认为是对本申请的限定。在不偏离本申请表述的主题的精神或范围的情况下，可以采用本申请的其他实施方式，并且可以对本申请做出其他变化。应该很容易理解，可以对本说明书中一般性描述的、附图中图解说明的本申请的各个方面进行各种不同构成的配置、替换、组合，设计，而所有这些改变都显然在预料之中，并构成本申请的一部分。
参照图1和2，本专利提供的新型轮爬复合式四足机器人，包括控制部分和机械部分，控制部分包括主控制系统、供电系统、电机驱动、轮毂驱动、通信系统；机械部分包括身体机构1、髋关节机构2、大腿躯干传动与同步机构3、膝关节连接件4、小腿躯干传动与同步机构5、轮式底盘6、足式底盘7。其中，髋关节机构2包括髋关节前后的电机执行器21、膝关节的电机执行器22和髋关节左右的电机执行器23和紧凑的多关节机构传动。轮式底盘6包括安装在膝关节连接件4与足式底盘7之间的四个轻量化大扭力轮毂电机或两个轻量化大扭力轮毂电机与两个从动轮、轮毂驱动以及稳固的关节悬挂机构。足式底盘7包括安装在尾部的缓冲胶圈和基于机械应变的高灵敏度压力传感器，该传感器可采集信号并反馈给主机控制系统实现自身平衡的调整。
上述控制部分的主控系统、供电系统和通信系统安装在身体机构1内部，所述髋关节机构2一部分与身体机构1相连，另一部分与大腿躯干传动与同步机构3相连，膝关节连接件4将大腿躯干传动与同步机构3和小腿躯干传动与同步机构5连接在一起，足式底盘7安装在小腿躯干传动与同步机构5末端，轮式底盘6安装在小腿躯干传动与同步机构5上，介于膝关节连接件4和足式底盘7之间。并且，轮式底盘6通过不同的转接装置，可以安装在小腿躯干传动与同步机构5上的不同位置，以便适应不同的路况环境。轮式底盘6是机器人的轮式运动机构，其可进行平整地面的快速轮式运动；所述足式底盘7是机器人的步态运动机构，其可进行复杂地面的步态行走运动；该机器人整体采用轻量化复合新型材料以及大扭矩运动电机和轮毂电机，故还可实现一定量的负载运动。
参照图1，机器人在平整地面时，机器人调整自身位姿至半蹲状态，使轮式底盘6完全着地，足式底盘7离地，并通过主控系统的平衡控制算法，保持机器人平稳后，迅速通过所述平整地面。
参照图2，机器人在遇到楼梯、陡坡或者坑洼地形时，通过髋关节机构2、大腿躯干传动与同步机构3、膝关节连接件4以及小腿躯干传动与同步机构5的配合使足式底盘7着地，并通过足式底盘7的传感器装置使轮式底盘6能够稳定的完全离地，最终呈完全足式站立状态，主控制系统切换至足式运动模式，控制机器人进行步态行走运动。
上述轮式运动与足式运动切换为自适应实时响应，延迟时间非常短，以满足机器人可以通过多变的复杂路况的要求。
实施例1：轮式运动模式
当机器人运行在相对平整空旷的环境时，机器人开机后，控制系统开始工作，控制机器人呈足式站立状态，机器人监测到地面为空旷平整地面，机器人切换至轮式运动状态，使轮式底盘6着地，足式底盘7离开地面，整体呈半蹲动作（如图1），机器进行快速轮式运动，即使遇到小石子等也可以平稳的轮式通过。
实施例2：足式运动模式
当机器人运行在相对复杂的环境时，机器人先进行环境检测，如在轮式可运行范围，如坡度小于5°，小石子路等情况下，依旧采用轮式运动通过。当超出轮式运动范围，则髋关节与膝关节舒展开，使足式底盘7着地，轮式底盘6离开地面，整体呈完全站立状态（如图2）。机器人进行步态工作，其步态工作还分为对角踏步、高抬脚、基本步态等，根据外界环境的不同进行实时的切换。如上楼梯时，则需要抬高抬脚高度，遇到相对陡峭的坡道时，则需要稳定的坡式步态。另外根据运动速度的要求，则可调节步态的速度，采用对角踏步、基础步态等方式进行爬行。
综上所述，本发明的新型轮爬复合式四足机器人，吸取了轮式运动和足式运动的优点，并将其整个在一起，既实现了两种运动方式，适应各种路况，又简化了结构，降低了成本。其自研的智能执行器具有高精度、高转速、大扭矩、柔性控制等优势。同时，本专利提供的机器人解决了传统机器人的多种问题，如：轮式底盘放置于膝关节连接件与足式底盘之间，解决了轮式底盘放置于足底导致的步态不稳定性问题；轮式运动模式与足式运动模式切换为自适应实时响应的，解决了可变形机器人机械结构复杂、控制难的问题。此外，该机器人能够实现轮爬结合的一个重点是采用了轻量化大扭力轮毂电机，此轮毂电机自身重量只有市面上相同尺寸轮毂电机的一半，且保证了相同的扭矩。
前述已通过框图、流程图和/或实施例子进行了详细描述，阐明了本申请装置和/或方法的不同实施方式。当这些框图、流程图和/或实施例包含一个或多个功能和/或操作时，本领域的技术人员会明白，这些框图、流程图和/或实施例中的各功能和/或操作可以通过各种硬件、软件、固件或实质上它们的任意组合而单独地和/或共同地实施。然而，本领域的技术人员会认识到，本说明书中描述的实施方式的一些方面能够全部或部分地在集成电路中以在一个或多个计算机上运行的一个或多个计算机程序的形式(例如，以在一个或多个计算机系统上运行的一个或多个计算机程序的形式)、以在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序的形式(例如，以在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序的形式)、以固件的形式、或以实质上它们的任意组合的形式等效地实施，并且，根据本说明书中公开的内容，设计用于本申请的电路和/或写用于本申请的软件和/或固件的代码完全是在本领域技术人员的能力范围之内。另外，本领域的技术人员会认识到，无论用来实际进行分发的信号承载介质的类型是什么，本说明书中描述的主题的机制能够以各种形式作为程序产品分发，并且，本说明书中描述的主题的示例性实施方式均适用。例如，信号承载介质包括但不限于下列：可记录型介质，如软盘、硬盘、致密盘(CD)、数字视频光盘数字多功能盘(DVD)、数字磁带、计算机存储器等；传输型介质，如数字和/或模拟通讯介质(例如光缆、波导、有线通讯链路、无线通讯链路等)。
本领域的技术人员会认识到，以本说明书中说明的方式描述装置和/或方法，然后进行工程实践以将所描述的装置和/或方法集成到数据处理系统中，在本领域里是很常见的。也就是说，本说明书中描述的装置和/或方法中的至少一部分，可通过合理数量的实验集成到数据处理系统中。本领域技术人员会认识到，典型的数据处理系统通常包括下列中的一个或多个：系统单元壳体、视频显示设备、诸如易失性和非易失性存储器之类的存储器、诸如微处理器和数字信号处理器之类的处理器、诸如操作系统、驱动程序器、图形用户界面及应用程序之类的计算实体、一个或多个诸如触摸板或触摸屏之类的交互装置、和/或包括反馈回路和控制马达在内的控制系统(如检测位置和/或速度的反馈；用于移动和/或调节部件和/或大小的控制马达)。典型的数据处理系统可以采用任何合适的、能够通过商业方法得到的部件(如数据计算/通讯和/或网络计算/通讯系统中通常会有的那些部件)来实现。
对于本说明书中所用的基本上任何复数和/或单数术语，本领域的技术人员可以将复数解释为单数和/或将单数解释为复数，只要这样做从上下文和/或应用上看是合适的即可。为了清楚起见，在本说明书中可能将各种单数/复数组合明确地表述出来。
本申请中公开了本申请的多个方面和实施方式，本领域的技术人员会明白本申请的其它方面和实施方式。本申请中公开的多个方面和实施方式只是用于举例说明，并非是对本申请的限定，本申请的真正保护范围和精神应当以下面的权利要求书为准。
Claims (8)
1.一种新型轮爬复合式四足机器人，其特征在于包括控制部分和机械部分，控制部分包括主控制系统、供电系统、电机驱动、轮毂驱动、通信系统；机械部分包括身体机构、髋关节机构、大腿躯干传动与同步机构、膝关节连接件、小腿躯干传动与同步机构、轮式底盘、足式底盘；
所述控制部分的主控系统、供电系统和通信系统安装在身体机构内部，所述髋关节机构一部分与身体机构相连，另一部分与大腿躯干传动与同步机构相连，膝关节连接件将大腿躯干传动与同步机构和小腿躯干传动与同步机构连接在一起，足式底盘安装在小腿躯干传动与同步机构末端，轮式底盘安装在小腿躯干传动与同步机构上，介于膝关节连接件和足式底盘之间；
所述轮式底盘是机器人的轮式运动机构，其可进行平整地面的快速轮式运动；所述足式底盘是机器人的步态运动机构，其可进行复杂地面的步态行走运动；该机器人整体采用轻量化复合新型材料以及大扭矩运动电机和轮毂电机，故还可实现一定量的负载运动。
2.如权利要求1所述的新型轮爬复合式四足机器人，其特征在于，所述轮式底盘包括安装在膝关节连接件与足式底盘之间的四个轻量化大扭力轮毂电机或两个轻量化大扭力轮毂电机与两个从动轮、轮毂驱动以及稳固的关节悬挂机构。
3.如权利要求1所述的新型轮爬复合式四足机器人，其特征在于，所述轮式底盘通过不同的转接装置，可以安装在小腿躯干传动与同步机构上的不同位置，以便适应不同的路况环境。
4.如权利要求1所述的新型轮爬复合式四足机器人，其特征在于，所述足式底盘包括安装在尾部的缓冲胶圈和基于机械应变的高灵敏度压力传感器，该传感器可采集信号并反馈给主机控制系统实现自身平衡的调整。
5.如权利要求1所述的新型轮爬复合式四足机器人，其特征在于，所述髋关节机构包括髋关节前后的电机执行器、膝关节的电机执行器、髋关节左右的电机执行器和紧凑的多关节机构传动。
6.如权利要求1所述的新型轮爬复合式四足机器人，其特征在于，所述机器人在平整地面时，机器人调整自身位姿至半蹲状态，使轮式底盘完全着地，足式底盘离地，并通过主控系统的平衡控制算法，保持机器人平稳后，迅速通过所述平整地面。
7.如权利要求1所述的新型轮爬复合式四足机器人，其特征在于，所述机器人在遇到楼梯、陡坡或者坑洼地形时，通过髋关节机构、大腿躯干传动与同步机构、膝关节连接件以及小腿躯干传动与同步机构的配合使足式底盘着地，并通过足式底盘的传感器装置使轮式底盘能够稳定的完全离地，最终呈完全足式站立状态，主控制系统切换至足式运动模式，控制机器人进行步态行走运动。
8.如权利要求6或7所述的新型轮爬复合式四足机器人，其特征在于，所述轮式运动与足式运动切换为自适应实时响应，延迟时间非常短，以满足机器人可以通过多变的复杂路况的要求。
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