CN111497965B - 一种轮足切换机器人系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轮足切换机器人系统及其控制方法，机器人包括机器人躯干、安装在机器人躯干底部的机械腿机构和安装在机器人上部的轮式机构，轮式机构和机械腿机构相互独立；机械腿机构通过收缩或伸展以实现机器人运动姿态的切换；机器人系统的控制方法通过根据机器人切换前的实时姿态，规划机器人躯干部分的重心运动轨迹，判断规划的机器人躯干部分的重心运动轨迹中各个零力矩点是否满足在机器人的稳定阈内的平衡条件，若满足平衡条件，按照机器人各个关节的转动角度收缩或伸展机械腿机构来实现稳定的切换，避免了贸然进行轮足切换时因机器人重心发生变化导致机器人失去平衡的问题，可以在复杂地形进行稳定的轮足切换。

Description

一种轮足切换机器人系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种轮足切换机器人系统及其控制方法。
背景技术
随着机器人技术不断发展，移动机器人越来越多地出现在人类的生活、工作等不同场景中。移动机器人主要有轮式机器人和足式机器人两类。轮式机器人结构简单、控制容易、移动速度快、效率高，但难以适应非平整地面等复杂地形。足式机器人一般为多关节机器人，相比于轮式机器人，其结构复杂、控制困难、移动速度低、效率低，但能够适应非平整地面等复杂地面。因此，结合两者优点，一些集轮式和足式于一体的移动机器人逐渐被开发出来，既能够满足移动速度和效率要求，又能适应复杂地形，有相当广阔的应用前景。
而双足相比于其他多足机器人有较少的腿数、更大的腿部空间等优势，其与轮式相结合能够发挥出轮足机器人更大的优势，更适合在人类的各种场景中广泛应用。目前，双足与轮式相结合的机器人主要分为两类：一类为轮足一体式，即在足式机器人腿部上安装轮式机构，这类机器人将轮子安装至腿部，即轮子和机器人躯体的连接经过了几个关节的连接，在轮式运动时各关节需要保持位置和刚度来确保轮式运动的稳定性，对关节电机和关节间连杆要求高；且难以避免的电机齿轮间隙和整体累计误差则降低了轮式运动的精度。另一类为轮足分离式，即轮式结构和腿部相互独立，不互相干扰；这类机器人腿部没有安装轮式结构，较好地确保足式行走稳定性，轮式机构的滚轮位置相对固定，较好地保证轮式运动地稳定性和精度。
例如，公开号为CN201810899942.6的中国发明专利公开了一种两足四轮可变行走机构多功能仿生机器人系统，该系统包括车体、车轮、轮毂电机、机械腿支座、机械腿铰链、上部机械腿连杆、中部机械腿关节、中部机械腿连杆、下部机械腿关节、下部机械腿连杆、机械爪关节、机械爪、机械爪后指、机械爪前指、机械爪末端指阄、前超声波传感器、后超声波传感器、前视觉传感器支座、前视觉传感器、后视觉传感器支座、后视觉传感器、货箱、传感器信号处理系统、机器人控制系统和机器人驱动系统；其中，车体为整个机器人系统的承载体，四个车轮安装在车体的下部，通过车轮内部安装的轮毂电机来驱动车轮运动；两个机械腿支座分别安装在车体的左右两侧，通过机械腿铰链与上部机械腿连杆相连接，并能够满足上部机械腿连杆的旋转运动，可以实现轮－足的转换。
但是，这种轮足分离式机器人在一些复杂地形(比如斜坡、凹凸不平的地面)上进行轮足切换时，机械腿绕车体的运动时，车体的重心会发生变化，贸然进行轮足切换可能会导致机器人失去平衡，从而无法在复杂地形稳定进行轮足切换。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中轮足分离式机器人结构冗余、在轮足切换过程中机器人稳定性较差的缺陷，从而提供一种轮足切换机器人系统及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种轮足切换机器人系统的控制方法，包括：
根据切换指令控制机器人停止运行以处于切换姿态；
获取机器人处于所述切换状态时机器人各个关节的关节转动角度、机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态；
根据所述切换状态下机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态，得到机器人轮式机构着地时或机械腿机构站立时机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态，并规划机器人躯干部分的重心运动轨迹；
判断规划的所述机器人躯干部分的重心运动轨迹中各个零力矩点是否在机器人的稳定阈内；其中，所述机器人的稳定阈定义为机器人和地面接触的最小凸多边形区域；
若判断结果为是，根据所述机器人躯干部分的重心运动轨迹结合逆运动学公式计算机器人各个关节的转动角度，按照机器人各个关节的转动角度收缩或伸展机械腿机构；若判断结果为否，根据逆运动学公式计算机器人各个关节的关节转动角度，并调整机器人各个关节处于切换姿态下的关节转动角度。
进一步地，所述调整机器人各个关节处于切换姿态下的关节转动角度之后，还包括：若机器人各个关节的关节转动角度经过N次调整后，机器人各个关节的初始零力矩点或机器人躯干部分的重心运动轨迹中各个零力矩点不在机器人的稳定阈内，则判定机器人无法完成姿态切换。
进一步地，所述根据切换指令控制机器人停止运行以处于切换姿态，包括：
根据足－轮切换指令控制处于足式运动模式下的机器人停止运行以处于足－轮切换姿态；或
根据轮－足切换指令控制处于轮式运动模式下的机器人停止运行以处于轮－足切换姿态。
进一步地，所述根据所述切换状态下机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态，得到机器人轮式机构着地时或机械腿机构站立时机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态，并规划机器人躯干部分的重心运动轨迹，包括：
根据所述足－轮切换姿态下机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态，结合机械腿机构中各个脚掌与机器人躯干的尺寸关系和正运动学公式，得到所述足－轮切换姿态下机械腿机构中各个脚掌的中心位置坐标和姿态；
根据所述足－轮切换姿态下所述机器人躯干部分的重心位置坐标和轮式机构中各个轮子与机器人躯干的尺寸关系，得到所述足－轮切换姿态下轮式机构中各个轮子的中心位置坐标；
根据所述足－轮切换姿态下机械腿机构中各个脚掌的中心位置坐标及姿态对轮式机构中各个轮子着地时的位置进行线性拟合，得到轮式机构中各个轮子着地时的中心位置坐标；
根据所述轮式机构中各个轮子着地时的中心位置坐标，结合机器人各个关节的尺寸和轮式机构中各个轮子与机器人躯干的尺寸关系，得到轮式机构着地时机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态；
根据所述足－轮切换姿态下机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态和轮式机构着地时机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态，规划机器人躯干部分的重心运动轨迹。
进一步地，所述规划机器人躯干部分的重心运动轨迹，包括：
根据机器人躯干部分在所述足－轮切换姿态时的坐标、Z轴方向上的速度及加速度，结合机器人躯干部分在轮式机构着地时的坐标、Z轴方向上的速度及加速度，采用Minimum Jerk规划方法规划机器人躯干部分的沿Z轴方向的运动轨迹；
根据最大总体稳定裕度规划机器人躯干部分的沿X轴、Y轴方向的运动轨迹；其中，所述机器人总体稳定裕度定义为足－轮切换过程中所有时刻对应的稳定阈度的均值；
根据规划的机器人躯干部分的沿X轴、Y轴和Z轴方向的运动轨迹，得到规划的机器人躯干部分的重心运动轨迹。
第二方面，本发明实施例提供了一种轮足切换机器人系统，包括：
机器人躯干；
机械腿机构，包括至少一对设置在所述机器人躯干的底部的机械腿，通过其上关节的收缩和伸展实现机器人的轮足切换；
轮式机构，连接在所述机器人躯干的上部，包括至少一对位于所述机器人躯干第一侧的主动轮、至少一个位于所述机器人躯干第二侧的转向轮或至少一对位于所述机器人躯干第二侧的主动全向轮；其中，所述轮式机构的第一侧和第二侧为以所述机器人躯干为中心的相对两侧。
进一步地，所述机器人躯干上安装有用于检测轮足切换机器人运动姿态的姿态传感器和根据所述姿态传感器提供的轮足切换机器人运行姿态信息控制轮足切换机器人的轮式运动、足式行走运动和轮足切换动作的运动控制器。
进一步地，所述运动控制器包括轮式运动控制模块、足式行走控制模块、轮足切换控制模块和姿态调整模块；
所述轮式运动控制模块用于控制所述轮式机构的轮式运动；
所述足式行走控制模块用于控制所述机械腿机构的足式行走运动；
所述轮足切换控制模块用于控制所述机械腿机构由足式行走运动模式切换为轮式运动模式或由轮式运动模式切换为足式行走运动模式；
所述姿态调整模块用于接收所述姿态传感器提供的轮足切换机器人在进行轮足切换前的姿态信息，并在所述轮足切换机器人在进行轮足切换前的运行姿态信息不符合稳定条件时对所述轮足切换机器人的姿态进行调整。
进一步地，所述机械腿包括髋关节、髋关节－膝关节连接件、膝关节、膝关节－踝关节连接件、踝关节和脚掌；其中，所述髋关节－膝关节连接件的一端通过髋关节与所述机器人躯干连接，所述髋关节－膝关节连接件的另一端通过膝关节与所述膝关节－踝关节连接件的一端连接，所述膝关节－踝关节连接件的另一端通过踝关节与所述脚掌连接。
进一步地，所述髋关节为包含俯仰、横滚和偏转三个方向自由度的三自由度关节；所述膝关节为包含所述俯仰自由度的单自由度关节；所述踝关节为包含俯仰和横滚两个方向自由度的双自由度关节。
进一步地，所述机械腿包括：髋关节偏航电机、髋关节偏航－俯仰连接件、髋关节俯仰电机、髋关节俯仰－横滚连接件、髋关节横滚电机、髋关节－膝关节连接件、膝关节俯仰电机、膝关节－踝关节连接件、踝关节俯仰电机、踝关节俯仰－横滚连接件、踝关节横滚电机、左腿脚掌；其中，所述髋关节偏航电机固定于所述机器人躯干的下方；所述髋关节偏航－俯仰连接件的一端与所述髋关节偏航电机铰接、另一端与所述髋关节俯仰电机固定连接；所述髋关节俯仰－横滚连接件的一端与所述髋关节俯仰电机固定连接，另一端与所述髋关节横滚电机铰接；所述髋关节－膝关节连接件的一端与所述髋关节俯仰铰接，另一端与所述膝关节俯仰电机铰接；所述膝关节－踝关节连接件的一端与所述膝关节俯仰电机固定连接，另一端与所述踝关节俯仰电机铰接；所述踝关节俯仰－横滚连接件的一端与所述踝关节俯仰电机铰接，另一端与所述踝关节横滚电机铰接；所述踝关节横滚电机与所述脚掌固定连接。
进一步地，所述主动轮和/或所述转向轮经过转动关节连接至所述机器人躯干。
进一步地，所述轮式机构包括：固定连接于所述机器人躯干前侧下方的前轮支架；安装在所述前轮支架上的转向轮；固定连接于所述机器人躯干后侧下方的一对主动轮支架，每个所述主动轮支架上均安装有主动轮电机和由所述主动轮电机驱动转动的主动轮。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的轮足切换机器人系统，通过机械腿机构中髋关节、膝关节和踝关节的收缩和伸展来实现轮－足切换，不增加除双足行走和轮式运动所需的额外关节来辅助轮足切换过程，减少了多关节误差累计导致的轮式运动的精度变低的问题；所采用关节也无需转动360度，仅需满足收缩双腿和行走需求，最大转动角度为180度，降低了对关节电机的要求；而且轮式运动时，机械腿机构的关节电机无需维持足够的刚度，进一步降低了对关节电机的较高要求，也节省了关节电机维持刚度所需消耗的能源。
2.本发明提供的轮足切换机器人系统，机械腿机构的结构紧凑，轮式运动的精度高，轮式机构的各个轮子的位置固定且和机械腿机构相互独立，互相不受干扰。
3.本发明提供的轮足切换机器人系统，轮足切换过程中的切换幅度小，切换速度快，仅仅依靠双腿行走所需的转动幅度进行切换。
4.本发明提供的轮足切换机器人系统的控制方法，根据机器人切换前的实时姿态和机械腿机构收缩或伸展过程中的姿态，规划机器人躯干部分的重心运动轨迹，判断规划的机器人躯干部分的重心运动轨迹中各个零力矩点是否满足在机器人的稳定阈内的平衡条件，若满足平衡条件，按照机器人各个关节的转动角度收缩或伸展机械腿机构来实现稳定的切换，避免了贸然进行轮足切换时因机器人重心发生变化导致机器人失去平衡的问题，从而可以在一些凹凸不平的复杂地形进行稳定的轮足切换。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中轮足切换机器人处于站立姿态时的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的机器人躯干的结构示意图；
图3为本发明实施例中轮足切换机器人处于站立姿态时机械腿机构的结构示意图；
图4为本发明实施例中轮足切换机器人处于站立姿态时轮式机构的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的轮足切换机器人系统的控制框图；
图6为本发明实施例中轮足切换机器人处于下蹲姿态时的整体结构示意图；
图7为本发明实施例提供轮足切换机器人由足式运动模式切换至轮式运动模式的控制方法的实现流程图；
图8为本发明实施例提供轮足切换机器人由轮式运动模式切换至足式运动模式的控制方法的实现流程图。
附图标记说明：1、机器人躯干；101、躯干支架；102、电源固定支架；103、移动电源；104、运动控制器底板；105、运动控制器支架；106、运动控制器；107、传感器左侧支架；108、传感器右侧支架；109、传感器底板；110、惯性测量单元；2、机械腿机构；201、左腿髋关节偏航电机；202、左腿髋关节偏航－俯仰连接件；203、左腿髋关节俯仰电机；204、左腿髋关节俯仰－横滚连接件；205、左腿髋关节横滚电机；206、左腿髋关节－膝关节连接件；207、左腿膝关节俯仰电机；208、左腿膝关节－踝关节连接件；209、左腿踝关节俯仰电机；210、左腿踝关节俯仰－横滚连接件；211、左腿踝关节横滚电机；212、左腿脚掌；213、右腿髋关节偏航电机；214、右腿髋关节偏航－俯仰连接件；215、右腿髋关节俯仰电机；216、右腿髋关节俯仰－横滚连接件；217、右腿髋关节横滚电机；218、右腿髋关节－膝关节连接件；219、右腿膝关节俯仰电机；220、右腿膝关节－踝关节连接件；221、右腿踝关节俯仰电机；222、右腿踝关节俯仰－横滚连接件；223、右腿踝关节横滚电机；224、右腿脚掌；3、轮式机构；301、前轮支架；302、万向轮；303、左主动轮支架；304、左主动轮电机；305、左主动轮联轴器；306、左主动轮；307、右主动轮支架；308、右主动轮电机；309、右主动轮联轴器；310、右主动轮。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示的一种轮足切换机器人系统，包括：机器人躯干1、机械腿机构2和轮式机构3。其中，机器人躯干1为轮足机器人的主体结构；机械腿机构2包括一对分别连接在机器人躯干1底部左右两侧的左机械腿和右机械腿，并通过其上关节的收缩和伸展实现机器人的轮足切换。轮式机构3固定连接在机器人躯干1的上部，轮式机构3包括一对位于机器人躯干1后侧的主动轮、一个位于机器人躯干1前侧的转向轮或至少一对位于机器人躯干前侧的主动全向轮。
如图2所示，在本实施例中，机器人躯干1包括躯干支架101、电源固定支架102、移动电源103、运动控制器底板104、运动控制器支架105、运动控制器106、传感器左侧支架107、传感器右侧支架108、传感器底板109、惯性测量单元110。其中，电源固定架102固定于躯干支架101上方中间位置，同时移动电源103固定于躯干支架101的上方；运动控制器底板104固定在电源固定支架102上方，运动控制器支架105固定于运动控制器底板104上方，运动控制器106固定于运动控制器支架105内侧，传感器左侧支架107和传感器右侧支架108分别固定于躯干支架101两侧、且和电源固定架102存在间隙，传感器底板109固定传感器左侧支架107和传感器右侧支架108上、且和电源固定支架102以及移动电源103存在间隙，惯性测量单元110固定于传感器底板109上方中间位置。这种结构的机器人躯干1可以使其内部质量尽可能集中于其重心位置，机器人远离机器人躯干重心的外壳的质量尽可能地小。
如图3所示，机械腿机构2包括一对分别连接在机器人躯干1底部左右两侧的左机械腿和右机械腿。左机械腿包括左腿髋关节偏航电机201、左腿髋关节偏航－俯仰连接件202、左腿髋关节俯仰电机203、左腿髋关节俯仰－横滚连接件204、左腿髋关节横滚电机205、左腿髋关节－膝关节连接件206、左腿膝关节俯仰电机207、左腿膝关节－踝关节连接件208、左腿踝关节俯仰电机209、左腿踝关节俯仰－横滚连接件210、左腿踝关节横滚电机211和左腿脚掌212。右机械腿包括右腿髋关节偏航电机213、右腿髋关节偏航－俯仰连接件214、右腿髋关节俯仰电机215、右腿髋关节俯仰－横滚连接件216、右腿髋关节横滚电机217、右腿髋关节－膝关节连接件218、右腿膝关节俯仰电机219、右腿膝关节－踝关节连接件220、右腿踝关节俯仰电机221、右腿踝关节俯仰－横滚连接件222、右腿踝关节横滚电机223和右腿脚掌224。在其它实施方式中，机械腿机构2还可以包括两对、三对甚至以上数量的机械腿，还可以额外增加一条或多条用于辅助支撑以防止机器人发生倾倒的支撑腿等结构，机械腿机构2具体包括机械腿的数量是可以根据需要和实际情况适应性选取的。
具体的，左腿髋关节偏航电机201直接固定于机器人躯干1下方左侧。左腿髋关节偏航－俯仰连接件202的一端和左腿髋关节偏航电机201铰接，另一端与左腿髋关节俯仰电机203固定连接。左腿髋关节俯仰－横滚连接件204的一端与左腿髋关节俯仰电机203固定连接，另一端与左腿髋关节横滚电机205铰接。左腿髋关节－膝关节连接件206的一端与左腿髋关节俯仰电机203铰接，另一端与左腿膝关节俯仰电机207铰接。左腿膝关节－踝关节连接件208与左腿膝关节俯仰电机207固定连接，另一端与左腿踝关节俯仰电机209铰接。左腿踝关节俯仰－横滚连接件210与左腿踝关节俯仰电机209铰接，另一端与左腿踝关节横滚电机211铰接。左腿踝关节横滚电机211与左腿脚掌212固定连接。
具体的，右腿髋关节偏航电机213直接固定于机器人躯干1下方右侧。右腿髋关节偏航－俯仰连接件214的一端和右腿髋关节偏航电机213铰接，另一端与右腿髋关节俯仰电机215固定连接。右腿髋关节俯仰－横滚连接件216的一端与右腿髋关节俯仰电机215固定连接，另一端与右腿髋关节横滚电机217铰接。右腿髋关节－膝关节连接件218的一端与右腿髋关节俯仰电机215铰接，另一端与右腿膝关节俯仰电机219铰接。右腿膝关节－踝关节连接件220的一端与右腿膝关节俯仰电机219固定连接，另一端与右腿踝关节俯仰电机221铰接。右腿踝关节俯仰－横滚连接件222与右腿踝关节俯仰电机221铰接，另一端与右腿踝关节横滚电机223铰接。右腿踝关节横滚电机223与右腿脚掌224固定连接。
如图4所示，在本实施例中，轮式机构3包括前轮支架301，万向轮302，左主动轮支架303，左主动轮电机304，左主动轮联轴器305，左主动轮306，右主动轮支架307，右主动轮电机308，右主动轮联轴器309，右主动轮310。其中，前轮支架301的一端固定连接于机器人躯干1的正下方，另一端固定连接万向轮302。左主动轮支架303的一端固定连接于机器人躯干1的后方左侧，另一端固定连接左主动轮电机304。左主动轮联轴器305的一端与左主动轮电机304铰接，另一端与左主动轮306固定连接。右主动轮支架307的一端固定连接于机器人躯干1的后方右侧，另一端固定连接右主动轮电机308。右主动轮联轴器309的一端与右主动轮电机308铰接，另一端与右主动轮310固定连接。在本实施例的其他实施方式中，轮式机构3还可以为前侧设置两个主动轮，后侧设置一个万向轮；或者前侧设置两个万向轮，后侧也设置两个主动轮；或者在前后两个各设置四个主动全向轮。
在本实施例中，轮式机构3可经过机构连接至机器人躯干1，可以是以下方式中的一种：其一、主动轮经过转动关节连接至机器人躯干1；其二、万动轮或转动轮经过转动关节连接至机器人躯干1；其三、主动轮和万动轮或转动轮均经过转动关节连接至机器人躯干1。
在本实施例中，机器人躯干1上安装有用于检测轮足切换机器人运动姿态的姿态传感器和根据姿态传感器提供的轮足切换机器人运行姿态信息控制轮足切换机器人的轮式运动、足式行走运动和轮足切换动作的运动控制器106。姿态传感器具体为图2中安装在机器人躯1上的惯性测量单元110，惯性测量单元110通过检测机器人姿态调整切换前后姿态，从而更好地适应复杂地形。运动控制器106会基于机器人当前环境信息和自身信息判断是否能够进行姿态切换，若能，则直接切换；若不能，通过姿态调整来满足切换条件；多次调整依旧不能满足，则维持原来的运动模式。
如图5所示，在本实施例中，运动控制器包括轮式运动控制模块、足式行走控制模块、轮足切换控制模块和姿态调整模块；轮足切换控制模块分别与轮式运动控制模块、足式行走控制模块和姿态调整模块电连接。其中，轮式运动控制模块是对机器人的轮式机构进行控制，控制机器人执行前进、后退、左转和右转等运动。足式行走控制模块是对机械腿机构进行控制，控制机器人执行前进、后退、左转和右转等行走运动。轮足切换控制模块是对机械腿机构进行控制，控制机器人执行由足式行走运动模式切换为轮式运动模式过程或轮式运动模式切换为双足行走运动模式过程。姿态调整模块用于接收惯性测量单元110提供的轮足切换机器人在进行轮足切换前的姿态信息，并当机器人在进行轮足切换前的运行姿态信息不符合稳定条件时对机器人进行姿态调整，使得整个切换过程满足稳定条件。机器人在轮足切换前的初始条件是否满足稳定条件可以通过稳定裕度来衡量。稳定裕度为零力矩点(ZMP)距离稳定域边界的最小值；其中，机器人和地面接触的最小凸多边形区域为机器人的稳定域。
本发明实施提供的轮足切换机器人系统，通过机械腿机构2中髋关节、膝关节和踝关节的收缩和伸展来实现轮－足切换，不增加除双足行走和轮式运动所需的额外关节来辅助轮足切换过程，可以减少因多关节误差累计导致的轮式运动的精度变低的问题；所采用关节也无需转动360度，仅需满足收缩双腿和行走需求，最大转动角度为180度，降低了对关节电机的要求；而且轮式运动时，机械腿机构2的关节电机无需维持足够的刚度，进一步降低了对关节电机的较高要求，也节省了关节电机维持刚度所需消耗的能源。此外，还具有机械腿机构的结构紧凑、轮式运动的精度高、轮式机构的各个轮子的位置固定且和机械腿机构相互独立互相不受干扰、轮足切换过程中的切换幅度小、切换速度快、仅仅依靠双腿行走所需的转动幅度进行切换的优点。
在本实施例中，足式行走运动模式具体为双足行走模式。如图3所示，在双足行走模式下，为了满足机器人双足行走稳定性要求，行走控制对机器人整体结构有一定的要求。由于角动量为转动惯量和角速度之乘积，在行走速度不变即角速度不变情况下，转动惯量越大，角动量越大。角动量对时间的微分为力矩，即机器人的翻转力矩大，会加大双足行走下的控制难度。为了减小控制难度，机器人整体结构应尽可能使得整体的转动惯量越小越好。其中，因机器人躯干重量占机器人身体重量比重较大，由物体的转动惯量和质量分布的关系可知，若机器人的质量越集中，那么机器人躯干的转动惯量越小。因此机器人的躯干设计应满足以下两个条件：其一、机器人躯干内部质量尽可能集中于重心位置；其二、机器人外壳等部件尽可能质量小。满足这两个条件后，机器人各部件转动惯量小，机器人的行走稳定性能够得到大幅度的提升，从而降低轮式机构对双足行走的影响。
本实施例中，机器人通过左腿髋关节俯仰自由度q2、髋关节横滚自由度q3，膝关节俯仰自由度q4、踝关节俯仰自由度q5、踝关节横滚自由度q6和右腿髋关节俯仰自由度q8、髋关节横滚自由度q9、膝关节俯仰自由度q10、踝关节俯仰自由度q11、踝关节横滚自由度q12协调完成前进和后退行走，再通过左腿髋关节偏航自由度q1和右腿髋关节偏航自由度q7的协调运动实现转向行走。
如图6所示，在轮式运动模式下，机器人能够通过左机械腿和右机械腿上各关节相互协调进行下蹲至双轮平稳着地。轮子着地受力后，机器人通过收缩双腿并将脚掌抬起至一定高度，以满足轮式运动需求。本实施例中，机器人在左主动轮306、右主动轮310驱动和万向轮302辅助下实现前进和后退运动，通过两个主动轮的差速转动实现转向运动。
在本实施例中，轮式机构3和机械腿机构2采用带有反馈的总线型电机，带有反馈的总线型电机能够读取当前电机位置、转速、电流、温度等信息。机械腿机构2的电机力矩只需满足双足行走需求，即可满足轮足切换过程的需求。本实施例利用机器人躯干1上的惯性测量单元110对机器人姿态进行检测，在轮足切换过程中，左腿和右腿的髋关节俯仰自由度共转动83.1度，膝关节俯仰自由度共转动62.2度，踝关节共转动10.3度。可见，较小的切换幅度即可满足轮足切换过程的需要。
如图7和图8所示，本发明实施例还提供了一种轮足切换机器人系统的控制方法，具体包括以下步骤：
步骤S10，根据切换指令控制机器人停止运行以处于切换姿态；
步骤S20，获取机器人处于切换状态时机器人各个关节的关节转动角度、机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态；
步骤S30，根据切换状态下机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态，得到机器人轮式机构着地时或机械腿机构站立时机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态，并规划机器人躯干部分的重心运动轨迹；
步骤S40，判断规划的机器人躯干部分的重心运动轨迹中各个零力矩点是否在机器人的稳定阈内；其中，机器人的稳定阈定义为机器人和地面接触的最小凸多边形区域；
步骤S50，若判断结果为是，根据机器人躯干部分的重心运动轨迹结合逆运动学公式计算机器人各个关节的转动角度，按照机器人各个关节的转动角度收缩或伸展机械腿机构；若判断结果为否，根据逆运动学公式计算机器人各个关节的关节转动角度，并调整机器人各个关节处于切换姿态下的关节转动角度。
这种轮足切换机器人系统的控制方法，根据机器人切换前的实时姿态和机械腿机构收缩或伸展时的姿态，规划机器人躯干部分的重心运动轨迹，判断规划的机器人躯干部分的重心运动轨迹中各个零力矩点是否满足在机器人的稳定阈内的平衡条件，若满足平衡条件，按照机器人各个关节的转动角度收缩或伸展机械腿机构来实现稳定的切换，避免了贸然进行轮足切换时因机器人重心发生变化导致机器人失去平衡的问题，从而可以在一些凹凸不平的复杂地形进行稳定的轮足切换。
下面，以上述实施例中提供的轮足机器人为例，具体描述轮足切换机器人系统的控制方法。当然，上述控制方法不局限于上述实施例中所述的轮足机器人，在一些其它具有轮式运动姿态和足式运动姿态的轮足分离或轮足一体式机器人，也可以采用上述实施例中提供的控制方法，基于机器人轮足切换前的实时位置坐标及姿态，判断机器人在切换过程中的各个状态是否满足平稳性条件的思路，调整机器人轮足切换前的姿态以满足轮足切换过程中的平衡条件，从而可以在复杂地形进行稳定的切换。
如图7所示，轮足机器人由双足行走运动模式切换为轮式运动模式的过程具体包括如下步骤：
步骤一、机器人当前处于双足行走模式下，获得足－轮切换指令后，机器人将左腿髋关节偏航自由度q1和右腿髋关节偏航自由度q7置0后停止行走，使得机器人处于足－轮切换姿态。
步骤二、机器人从各个关节获取足－轮切换姿态下各个关节的关节转动角度(q1，q2，q3，……，qn)和机器人躯干部分的重心位置坐标[xb，yb，zb]及姿态[αb，βb，γb]；这里姿态采用欧拉角进行表示，也可以采用四元数、旋转矩阵等方式进行表示。机器人可以采用多质点模型或简化的线性倒立摆模型来描述。本实施例采用线性倒立摆模型进行描述，并将机器人躯干重心位置设置在双腿髋关节中心。定义机器人的广义坐标为qe＝[xb，yb，zb，αb，βb，γb，q1，q2，q3，……，qn]；设当前机器人广义坐标为qeo。结合机器人尺寸，基于正运动学求解，可得到目前机器人左腿脚掌中心坐标[xlfo，ylfo，zlfo]和其姿态[αlfo，βlfo，γlfo]，右腿脚掌中心坐标[xrfo，yrfo，zrfo]和其姿态[αrfo，βrfo，γrfo]。另外，因前后轮都固定于机器人躯干，左后轮转轴中心坐标[xlwo，ylwo，zlwo]，右后轮转轴坐标[xrwo，yrwo，zrwo]和前轮转轴中心坐标[xfwo，yfwo，zfwo]可根据机器人尺寸关系得到。
步骤三、令机器人下蹲至轮子全部刚着地时广义坐标为qe1。因其涉及到轮子与地面的接触，本实施例仅采用左、右脚掌中心坐标和姿态对轮子与地面接触位置进行线性拟合，拟合后得到轮子触地时左后轮转轴中心坐标[xlw1，ylw1，zlw1]，右后轮转轴坐标[xrw1，yrw1，zrw1]和前轮转轴中心坐标[xfw1，yfw1，zfw1]。已知机器人各关节尺寸和各轮子尺寸，可以得到机器人轮子全部触地时机器人躯干的坐标[xb1，yb1，zb1]以及姿态[αb1，βb1，γb1]。再根据左、右脚掌坐标和姿态在下蹲过程中不变的约束，采用逆运动学求解得到广义坐标qe1。其中，逆运动学求解可以采用数值方法和几何法。本实施例中的机器人各关节满足Pieper准则，因此可通过几何法进行逆运动学求解广义坐标qe1的解析解。
步骤四、基于机器人广义坐标qeo和qe1，可以得到站立时躯干重心位置c0和下蹲时至轮子全部刚着地时躯干重心位置c1。那么我们将通过规划机器人躯干重心移动轨迹使得机器人在切换过程中的零力矩点ZMP在机器人稳定域内。机器人和地面接触的最小凸多边形区域为机器人的稳定域。定义机器人稳定裕度为ZMP点离稳定域边界最小距离dzmp与稳定域几何中心离该稳定域边界的距离ds之比f。机器人的ZMP点处于稳定域内时，f应该处于(0，1]的区间。这个比例越大，机器人越稳定。其中简化的线性倒立摆模型的ZMP公式为：
Figure GDA0003155687450000161
Figure GDA0003155687450000162
其中，(x，y，z)为机器人躯干重心位置；(x″，y″，z″)为机器人躯干中心的加速度；(px，py，pz)为ZMP点的位置。因脚掌位置不移动，pz为0。根据稳定裕度定义，可以得到稳定裕度f与躯干重心位置及其加速度的关系。
步骤五、下面对躯干重心位置从c1移动至c2轨迹规划。首先对z方向进行规划，可采用Minimum Jerk规划方法、样条曲线等对z方向进行规划。为了减小切换过程的落地冲击，本实施例取n个时刻，采用Minimum Jerk规划方法进行轨迹规划，其约束条件为起点位置c0、终点位置c1的z坐标，起点、终点z方向的速度和加速度都为0，即可求得与时刻一一对应的z坐标和z方向的加速度。
步骤六、机器人躯干重心x，y方向轨迹规划可以基于多种方法进行规划，例如基于Minimum Jerk，最小力矩变化，最大稳定裕度等方式对进行规划，前两种方法规划后还需计算ZMP点使得稳定裕度达到阈值。本实施例采用最大化稳定裕度对x，y方向进行轨迹规划。设时间间隔为Δt，x，y分别可以用关于时间iΔt的三次多项式函数来表示，确保机器人的加速度是连续的，即：
x(iΔt)＝a(iΔt)3+b(iΔt)2+c(iΔt)+d (1－3)
y(iΔt)＝k(iΔt)3+l(iΔt)2+m(iΔt)+n (1－4)
其中，i＝0，，……，n；a、b、c、d、k、l、m、n为未知参数。
式1－1和1－2可以改写为：
Figure GDA0003155687450000171
Figure GDA0003155687450000172
定义机器人总体稳定裕度fw为这个过程中所有时刻对应的稳定裕度f的均值。那么可以建立机器人总体稳定裕度fw与机器人躯干重心轨迹的关系。通过规划机器人躯干重心轨迹得到最大化机器人总体稳定裕度，可以描述为寻找合适的参数值得到总体稳定裕度fw的最大值。同时，x，y需满足不等式约束条件，即x，y处于脚掌与地面接触面内。另外，其起点和终点x，y坐标也应等于c0、c1的对应坐标。那么这个问题转化为一个带不等式的非线性规划问题，可用内点法进行求解，从而得到各个参数值，从而得到x，y的运动轨迹。
步骤六、若各时刻对应稳定裕度大于0且总体稳定裕度fw满足阈值要求，则可以按规划得到的机器人躯干轨迹进行逆运动学求得各关节转角的解析解。那么，机器人可以根据各关节转角轨迹使得轮子全部着地。
若上述步骤六中，机器人的初始站姿即初始ZMP点未能满足要求或导致总体稳定裕度未能达到阈值，可以通过姿态调整的方式对初始站姿进行调整，调整初始条件优化稳定裕度。若经过多次调整，依旧未能使得机器人稳定裕度达到阈值则判定无法从双足切换至轮式运动。本实施例将次数设为5次。
根据上述步骤完成轮子全部着地后，机器人再将双腿机构收缩至一定高度，从而完成双足行走切换至轮式运动的过程。设机器人收缩双腿的广义坐标可表示为qe2，其关节转角为预先设计，机器人躯干和姿态在收缩过程保持不变。收缩过程对机器人稳定性影响极小，可采用一般的关节转角轨迹规划或MinimumJerk规划方法进行规划。本实施例采用Minimum Jerk规划方法对转角轨迹进行规划。
如图8所示，轮足机器人由轮式运动模式切换为双足行走运动模式的过程具体包括如下步骤：
步骤一、机器人当前处于轮式运动模式下，获得轮－足切换指令后，机器人，机器人的轮式机构停止运动；
步骤二、机器人从各个关节获取当前姿态下各个关节的关节转动角度(q1，q2，q3，……，qn)和机器人躯干部分的重心位置坐标[xb，yb，zb]及姿态[αb，βb，γb]。则此时机器人的广义坐标为qeo。其中机器人停止轮式运动时，q1＝q7＝0。根据机器人躯干和机器人各关节尺寸，可以得到此时左后轮转轴中心坐标[xlwo，ylwo，zlwo]，右后轮转轴坐标[xrwo，yrwo，zrwo]和前轮转轴中心坐标[xfwo，yfwo，zfwo]。
步骤三、下面对机器人从收缩双腿姿态到机器人双脚掌刚着地的过程进行规划。本实施例通过对各轮子与地面接触位置对地面进行线性拟合，从而得到左腿脚掌中心坐标[xlf1，ylf1，zlf1]和其姿态[αlf1，βlf1，γlf1]，右腿脚掌中心坐标[xrf1，yrf1，zrf1]和其姿态[αrf1，βrf1，γrf1]。这个过程中机器人躯干位置和姿态不变。令机器人脚掌刚着地时的广义坐标为qe1。机器人各关节满足Pieper准则，可通过几何法进行逆运动学求解广义坐标qe1的解析解。此过程对稳定性的影响极小，可采用样条曲线、Minimum Jerk规划方法等方法进行规划。本实施例采用Minimum Jerk规划方法对转角关节进行规划，从而机器人的脚掌着地。
步骤四、下面规划机器人双脚掌和轮子同时着地姿态至机器人行走前的站立姿态。令机器人行走前站立时的广义坐标为qe2，可由双足行走规划的位姿确定。首先对z方向进行规划，可采用Minimum Jerk规划方法、样条曲线等对z方向进行规划。为了减小切换过程机器人受到地面的冲击，本实施例取n个时刻，采用Minimum Jerk规划方法进行轨迹规划，其约束条件为机器人躯干重心起点位置c1、躯干重心终点位置c2的z坐标，起点、终点z方向的速度和加速度都为0，即可求得与时刻一一对应的z坐标和z方向的加速度。
步骤五、机器人躯干重心x，y方向轨迹规划可以基于多种方法进行规划，例如基于Minimum Jerk规划方法，最小力矩变化，最大稳定裕度等方法。前两种方法规划的同时还需计算ZMP点使得稳定裕度达到阈值。本实施例采用基于最大稳定裕度的方法对x，y方向进行轨迹规划。设时间间隔为Δt，x，y分别可以用关于时间i□t的三次多项式函数来表示，确保机器人的加速度是连续的。根据式1－3至1－6，可以建立机器人总体稳定裕度fw与机器人躯干重心轨迹的关系。通过规划机器人躯干重心轨迹得到最大化机器人总体稳定裕度，可以描述为寻找合适的参数值得到总体稳定裕度fw的最大值。同时，x，y需满足不等式约束条件，即x，y处于脚掌与地面接触面内。其起点和终点x，y坐标也应等于c1、c2的对应坐标。那么这个问题转换为一个带不等式的非线性规划问题，可用内点法进行求解，从而得到各个参数值。
步骤六、若上述各时刻对应稳定裕度大于0且总体稳定裕度fw满足阈值要求，则可以按规划得到的机器人躯干轨迹进行逆运动学求得各关节转角的解析解。那么，机器人可以根据各关节转角轨迹由下蹲位姿态转为站立姿态。
若上述步骤六中，机器人行走前的站姿即初始ZMP点未能满足要求或导致总体稳定裕度未能达到阈值，可以通过姿态调整的方式对机器人躯干中心位置进行调整，调整规划终点位置来优化稳定裕度。若经过多次调整，依旧未能使得机器人稳定裕度达到阈值则判定无法从双足切换至轮式运动。本实施例将次数设为5次。姿态调整后，根据逆运动学求解得到各关节转角的解析解，机器人则从轮式运动模式切换至双足行走模式。
综上所述，本发明实施例提供的轮足切换机器人系统，具有如下优点：
其一，轮足切换机器人系统通过机械腿机构中髋关节、膝关节和踝关节的收缩和伸展来实现轮－足切换，不增加除双足行走和轮式运动所需的额外关节来辅助轮足切换过程，减少了多关节误差累计导致的轮式运动的精度变低的问题；所采用关节也无需转动360度，仅需满足收缩双腿和行走需求，最大转动角度为180度，降低了对关节电机的要求；而且轮式运动时，机械腿机构的关节电机无需维持足够的刚度，进一步降低了对关节电机的较高要求，也节省了关节电机维持刚度所需消耗的能源。
其二，机械腿机构的结构紧凑，轮式运动的精度高，轮式机构的各个轮子的位置固定且和机械腿机构相互独立，互相不受干扰。
其三，轮足切换过程中的切换幅度小，切换速度快，仅仅依靠双腿行走所需的转动幅度进行切换。
其四，本发明提供的轮足切换机器人系统的控制方法，根据机器人切换前的实时姿态和机械腿机构收缩或伸展后的姿态，规划机器人躯干部分的重心运动轨迹，判断规划的机器人躯干部分的重心运动轨迹中各个零力矩点是否满足在机器人的稳定阈内的平衡条件，若满足平衡条件，按照机器人各个关节的转动角度收缩或伸展机械腿机构来实现稳定的切换，避免了贸然进行轮足切换时因机器人重心发生变化导致机器人失去平衡的问题，从而可以在一些凹凸不平的复杂地形进行稳定的轮足切换。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (14)

1.一种轮足切换机器人系统的控制方法，其特征在于，包括：
根据切换指令控制机器人停止运行以处于切换姿态；
获取机器人处于切换状态时机器人各个关节的关节转动角度、机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态；
根据所述切换状态下机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态，得到机器人轮式机构着地时或机械腿机构站立时机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态，并规划机器人躯干部分的重心运动轨迹；
判断规划的所述机器人躯干部分的重心运动轨迹中各个零力矩点是否在机器人的稳定阈内；其中，所述机器人的稳定阈定义为机器人和地面接触的最小凸多边形区域；
若判断结果为是，根据所述机器人躯干部分的重心运动轨迹结合逆运动学公式计算机器人各个关节的转动角度，按照机器人各个关节的转动角度收缩或伸展机械腿机构；若判断结果为否，根据逆运动学公式计算机器人各个关节的关节转动角度，并调整机器人各个关节处于切换姿态下的关节转动角度。
2.根据权利要求1所述的轮足切换机器人系统的控制方法，其特征在于，所述调整机器人各个关节处于切换姿态下的关节转动角度之后，还包括：若机器人各个关节的关节转动角度经过N次调整后，机器人各个关节的初始零力矩点或机器人躯干部分的重心运动轨迹中各个零力矩点不在机器人的稳定阈内，则判定机器人无法完成姿态切换。
3.根据权利要求1所述的轮足切换机器人系统的控制方法，其特征在于，所述根据切换指令控制机器人停止运行以处于切换姿态，包括：
根据足-轮切换指令控制处于足式运动模式下的机器人停止运行以处于足-轮切换姿态；或
根据轮-足切换指令控制处于轮式运动模式下的机器人停止运行以处于轮-足切换姿态。
4.根据权利要求3所述的轮足切换机器人系统的控制方法，其特征在于，所述根据所述切换状态下机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态，得到机器人轮式机构着地时或机械腿机构站立时机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态，并规划机器人躯干部分的重心运动轨迹，包括：
根据所述足-轮切换姿态下机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态，结合机械腿机构中各个脚掌与机器人躯干的尺寸关系和正运动学公式，得到所述足-轮切换姿态下机械腿机构中各个脚掌的中心位置坐标和姿态；
根据所述足-轮切换姿态下所述机器人躯干部分的重心位置坐标和轮式机构中各个轮子与机器人躯干的尺寸关系，得到所述足-轮切换姿态下轮式机构中各个轮子的中心位置坐标；
根据所述足-轮切换姿态下机械腿机构中各个脚掌的中心位置坐标及姿态对轮式机构中各个轮子着地时的位置进行线性拟合，得到轮式机构中各个轮子着地时的中心位置坐标；
根据所述轮式机构中各个轮子着地时的中心位置坐标，结合机器人各个关节的尺寸和轮式机构中各个轮子与机器人躯干的尺寸关系，得到轮式机构着地时机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态；
根据所述足-轮切换姿态下机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态和轮式机构着地时机器人躯干部分的重心位置坐标及姿态，规划机器人躯干部分的重心运动轨迹。
5.根据权利要求4所述的轮足切换机器人系统的控制方法，其特征在于，所述规划机器人躯干部分的重心运动轨迹，包括：
根据机器人躯干部分在所述足-轮切换姿态时的坐标、Z轴方向上的速度及加速度，结合机器人躯干部分在轮式机构着地时的坐标、Z轴方向上的速度及加速度，采用MinimumJerk规划方法规划机器人躯干部分的沿Z轴方向的运动轨迹；
根据最大总体稳定裕度规划机器人躯干部分的沿X轴、Y轴方向的运动轨迹；其中，机器人总体稳定裕度定义为足-轮切换过程中所有时刻对应的稳定阈度的均值；
根据规划的机器人躯干部分的沿X轴、Y轴和Z轴方向的运动轨迹，得到规划的机器人躯干部分的重心运动轨迹。
6.一种实现权利要求1-5中任意一项所述的轮足切换机器人系统的控制方法的轮足切换机器人系统，其特征在于，包括：
机器人躯干；
机械腿机构，包括至少一对设置在所述机器人躯干的底部的机械腿，通过其上关节的收缩和伸展实现机器人的轮足切换；
轮式机构，连接在所述机器人躯干的上部，包括至少一对位于所述机器人躯干第一侧的主动轮和至少一个位于所述机器人躯干第二侧的转向轮或至少一对位于所述机器人躯干第二侧的主动全向轮；其中，所述轮式机构的第一侧和第二侧为以所述机器人躯干为中心的相对两侧。
7.根据权利要求6所述的轮足切换机器人系统，其特征在于，所述机器人躯干上安装有用于检测轮足切换机器人运动姿态的姿态传感器和根据所述姿态传感器提供的轮足切换机器人运行姿态信息控制轮足切换机器人的轮式运动、足式行走运动和轮足切换动作的运动控制器。
8.根据权利要求7所述的轮足切换机器人系统，其特征在于，所述运动控制器包括轮式运动控制模块、足式行走控制模块、轮足切换控制模块和姿态调整模块；
所述轮式运动控制模块用于控制所述轮式机构的轮式运动；
所述足式行走控制模块用于控制所述机械腿机构的足式行走运动；
所述轮足切换控制模块用于控制所述机械腿机构由足式行走运动模式切换为轮式运动模式或由轮式运动模式切换为足式行走运动模式；
所述姿态调整模块用于接收所述姿态传感器提供的轮足切换机器人在进行轮足切换前的姿态信息，并在所述轮足切换机器人在进行轮足切换前的运行姿态信息不符合稳定条件时对所述轮足切换机器人的姿态进行调整。
9.根据权利要求6所述的轮足切换机器人系统，其特征在于，所述机械腿包括髋关节、髋关节-膝关节连接件、膝关节、膝关节-踝关节连接件、踝关节和脚掌；其中，所述髋关节-膝关节连接件的一端通过髋关节与所述机器人躯干连接，所述髋关节-膝关节连接件的另一端通过膝关节与所述膝关节-踝关节连接件的一端连接，所述膝关节-踝关节连接件的另一端通过踝关节与所述脚掌连接。
10.根据权利要求9所述的轮足切换机器人系统，其特征在于，所述髋关节为包含俯仰、横滚和偏转三个方向自由度的三自由度关节；所述膝关节为包含俯仰自由度的单自由度关节；所述踝关节为包含俯仰和横滚两个方向自由度的双自由度关节。
11.根据权利要求10所述的轮足切换机器人系统，其特征在于，所述机械腿包括：髋关节偏航电机、髋关节偏航-俯仰连接件、髋关节俯仰电机、髋关节俯仰-横滚连接件、髋关节横滚电机、髋关节-膝关节连接件、膝关节俯仰电机、膝关节-踝关节连接件、踝关节俯仰电机、踝关节俯仰-横滚连接件、踝关节横滚电机、脚掌；其中，所述髋关节偏航电机固定于所述机器人躯干的下方；所述髋关节偏航-俯仰连接件的一端与所述髋关节偏航电机铰接、另一端与所述髋关节俯仰电机固定连接；所述髋关节俯仰-横滚连接件的一端与所述髋关节俯仰电机固定连接，另一端与所述髋关节横滚电机铰接；所述髋关节-膝关节连接件的一端与所述髋关节俯仰铰接，另一端与所述膝关节俯仰电机铰接；所述膝关节-踝关节连接件的一端与所述膝关节俯仰电机固定连接，另一端与所述踝关节俯仰电机铰接；所述踝关节俯仰-横滚连接件的一端与所述踝关节俯仰电机铰接，另一端与所述踝关节横滚电机铰接；所述踝关节横滚电机与所述脚掌固定连接。
12.根据权利要求6所述的轮足切换机器人系统，其特征在于，所述主动轮和/或所述转向轮经过转动关节连接至所述机器人躯干。
13.根据权利要求6所述的轮足切换机器人系统，其特征在于，所述轮式机构包括：固定连接于所述机器人躯干前侧下方的前轮支架；安装在所述前轮支架上的转向轮；固定连接于所述机器人躯干后侧下方的一对主动轮支架，每个所述主动轮支架上均安装有主动轮电机和由所述主动轮电机驱动转动的主动轮。
14.根据权利要求6所述的轮足切换机器人系统，其特征在于，所述机械腿机构和所述轮式机构中的电机均采用带有反馈的总线型电机。
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