CN112829842A - 复合机器人 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种复合机器人。复合机器人具备：外壳，该外壳具有顶部开孔和下部缺口；中间平台，该中间平台位于外壳的内侧，在该中间平台上安装有探测模块、滚动模块及电控模块；机械腿，该机械腿具有连杆机构和外腿部，机械腿通过单电机双轴向角度调节装置与中间平台连接，在探测模块探测到的环境信息为凹凸不平的地面时，电控模块控制复合机器人切换到通过机械腿进行行走的行走模式，在探测模块探测到环境信息为平滑地面时，电控模块控制复合机器人切换到通过滚动模块进行滚动的滚动模式。根据本发明所提供的复合机器人，地形适应性好、承载力大、刚度大、控制简单。

Description

复合机器人

技术领域

本发明涉及一种复合机器人，尤其是涉及一种多模式球腿复合机器人。

背景技术

随着移动机器人的应用日趋广泛，移动机器人所担负的任务要求在不断提高，特别是在军事侦察、宇宙探测、能源开发以及社会安全任务中，作业环境往往是平坦与崎岖共存的多重特征任务环境，单一运动方式的机器人已无法适应复杂多变的环境，因此，多模式复合移动机构是当今移动机器人发展的需求。

此外，尽管当前已经提出了多种球腿复合机器人，但是这些复合机器人大都具有刚度、精度不足以及控制复杂等缺点。

由此可见，能否基于现有技术中的不足，提供一种改进的复合机器人，其地形适应性好、承载力大、刚度大、控制简单，成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的一个目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种地形适应性好、承载力大、刚度大、控制简单的复合机器人。根据本发明所提供的复合机器人，既能在平滑地面上以球形快速滚动，又能在凹凸不平的地面上变形成行走模式进行仿生越障，可以满足多重作业环境的需要。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案。

一种复合机器人，具备：

外壳，该外壳具有顶部开孔和下部缺口；

中间平台，该中间平台位于外壳的内侧，在该中间平台上安装有探测模块、滚动模块及电控模块；

机械腿，该机械腿具有连杆机构和外腿部，机械腿通过单电机双轴向角度调节装置与中间平台连接，

在探测模块探测到的环境信息为凹凸不平的地面时，电控模块控制复合机器人切换到通过机械腿进行行走的行走模式，

在探测模块探测到环境信息为平滑地面时，电控模块控制复合机器人切换到通过滚动模块进行滚动的滚动模式。

根据本发明所提供的复合机器人，地形适应性好、承载力大、刚度大、控制简单，具有相当大的经济效益和安全效益。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的复合机器人的整体示意图。

图2是图1中的复合机器人的探测模块的示意图。

图3是图1中的复合机器人的滚动模块以及电控模块的示意图。

图4是图1中的复合机器人的机械腿的主视图。

图5是图1中的复合机器人的机械腿的侧视图。

图6是图1中的复合机器人的机械腿的俯视图。

图7是图1中的复合机器人的机械腿的组装图。

图8是图1中的复合机器人的球形模式图。

附图标号说明

1-CCD相机，2-相机支架，3-舵机，4-舵机台，5-丝杠电机，6-导向杆，7-电机座，8-中间平台，9-电控板，10-铜柱，11-轴支座，12-联轴器，13-电机支架，14-滚动电机，15-连接轴，16-上连接板，17-下连接板，18-连杆固定架，19-第一杆，20-第二杆，21-第三杆，22-第四杆，23-第五杆，24-外腿部，25-Y轴，26-编码器电机，27-X轴，28-Y锥齿轮，29-X锥齿轮，30-微型丝杠电机，31-锥顶，32-伺服电机，33-大锥齿轮，34-外壳。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明的第一实施方式是一种复合机器人。

图1是本发明的第一实施方式的复合机器人的整体示意图。图2是图1中的复合机器人的探测模块的示意图。图3是图1中的复合机器人的滚动模块以及电控模块的示意图。图4是图1中的复合机器人的机械腿的主视图。图5是图1中的复合机器人的机械腿的侧视图。图6是图1中的复合机器人的机械腿的俯视图。图7是图1中的复合机器人的机械腿的组装图。如图1所示，复合机器人具备外壳34、中间平台8、机械腿。在本实施方式中，例示出四条机械腿，但是并不限于此，机械腿的数量也可以多于四条。外壳34呈半球状，将外壳34顶部开孔以便探测模块伸出，同时为避免机械腿抬起时与外壳34产生干涉，将外壳34的底部切掉一部分成为下部缺口。在本实施方式中外壳34为半球状，但并不限于此，外壳34也可以为其他适当的形状。

中间平台8位于外壳34的内侧，在中间平台8上安装有探测模块、滚动模块及电控模块。如图2所示，探测模块将探测到的环境信息反馈给复合机器人，使其在行走模式和滚动模式间转换，在行走模式下，探测模块从外壳的顶部开孔向外部露出从而方便探测，在滚动模式下将探测模块缩回以保护探测模块，该伸缩动作基于丝杠螺母的伸缩结构。如图2所示，丝杠电机5固定在电机座7内，电机座7固定在中间平台8上，两根导向杆6穿过电机座7与舵机台4，以保证舵机台4只能随着丝杠螺母机构上下移动，螺母嵌在舵机台4内，当丝杠电机5转动，便会带着螺母及舵机台4上下移动。舵机3装在舵机台4内，舵机3的舵机臂装在相机支架2上，可控制相机1对180°范围内的环境进行探测。相机1固定在相机支架2上。相机1例如可以是CCD相机，但并不限于此，也可以是其他相机。相机会将拍到的图像经过滤波、二值化处理，以判断地形。

电控模块根据外界环境信息控制机器人执行元件工作。如图3所示，为避免与滚动模块产生干涉，用四根铜柱10将电控板9固定在距中间平台8一定高度处。电控板9例如可以为ARM公司的stm32F103电控板，但并不限于此，也可以是其他电控板。

滚动模块将滚动电机14的输出转矩传到外壳34，当滚动电机14带动外壳34转动时，外壳34碰到机械腿，然后便会推着机械腿向后，机器人整体便会向前滚动。为保证外壳34两边受力均匀，采用对称结构布置滚动模块。如图3所示，电机支架13将滚动电机14固定在中间平台8上，滚动电机14与联轴器12的一端相连，联轴器12的另一端与连接轴15相连，为防止连接轴15随着电机转动而跳动，使连接轴15穿过轴支座11，轴支座11用螺栓与中间平台8固定。连接轴15的另一端与外壳34固定。滚动电机14例如可以为大扭矩电机，但并不限于此，也可以是其他电机。

如图4所示，机械腿具有连杆机构和球瓣状的外腿部24，外腿部24通过连杆机构与中间平台连接，在本实施方式中采用闭链连杆机构中的Klann连杆机构作为连杆机构，外腿部24为球瓣状，但并不限于此，也可以采用其他连杆结构，外腿部24也可以为其他适当的形状。Klann连杆为一个六杆仿生腿机构(连杆固定架18，第一杆19，第二杆20,第三杆21,第四杆22,第五杆23)，各杆件之间通过轴承、螺栓相连，该连杆机构自由度为1，即仅需一个驱动，便可实现机械腿的抬起与迈步动作。编码器电机26固定在连杆固定架18内以输出力矩，编码器电机26的轴与第一杆19固定连接，当编码器电机26输出力矩带动第一杆19转动时，便会带动第五杆23的抬起与迈步，第五杆23通过螺栓与外腿部24固定连接。本实施方式中采用了Klann连杆机构，与传统3R串联结构(即3个舵机串联的结构)相比，具有承载力大、刚度大、控制简单的优点。

为实现机器人转向并能收拢，机械腿整体需要能左右旋转和上下旋转，为节省空间和减轻机械腿的重量，采用了用单电机控制两个轴向角度调节的部件，该部件的角度调节范围是57°。如图5所示，该部件为十字交叉结构，体积较小，安装在连杆固定架18内，装置的Y轴25和X轴27分别穿过连杆固定架的18的上下方向和前后方向。Y轴25为中间粗两端细的阶梯轴，粗的轴段正中间留有供X轴27穿过的孔。X轴27的后端通过键与X锥齿轮29连接，X锥齿轮29与锥顶31固定在一起，微型丝杠电机30固定在连杆固定架18后侧，由丝杠螺母传动原理，可带动嵌在锥顶内的螺母旋转，从而使锥顶31及X锥齿轮29沿X向前后移动，往前移动与大锥齿轮33啮合，通过X锥齿轮29传动带着机械腿整体上下旋转，使机械腿能收拢，往后移动与大锥齿轮33啮合脱离。同理，在Y轴25的下端有同样的能使Y锥齿轮28上下移动的机构，往上移动与大锥齿轮33啮合，通过Y锥齿轮28传动带着机械腿整体左右旋转，实现机器人的转向功能，往下移动与大锥齿轮33啮合脱离。Y轴向的微型丝杠电机30固定在下连接板17上，整个机械腿通过上连接板16和下连接板17与中间平台8固定连接，伺服电机32的轴穿过中间平台8侧面的孔将大锥齿轮33固定住，通过微型丝杠电机30改变X锥齿轮29和Y锥齿轮28的位置便可改变大锥齿轮33与两个小锥齿轮的啮合情况，从而控制机器人腿部的旋转。通过采用单电机控制两个轴向角度调节的方式，降低了成本。

以下对复合机器人的行动方式进行说明。图8是图1中的复合机器人的球形模式图。

复合机器人的一种行动模式为行走模式。在探测模块探测到的环境信息为凹凸不平的地面时，即当遇到台阶或凹凸不平的地面时，机器人选择行走模式，在本实施方式具有四条机械腿的情况下，采用最稳定的三足着地、一足迈步的步态，即对角步态。若左前腿先动，则机器人在一个步态周期的运动过程为：(1)左前腿抬步迈进；(2)左前腿着地后，右后腿抬步迈进；(3)右后腿着地，右前腿抬步迈进；(4)右前腿着地，左后腿抬步迈进，至此完成一个步态周期。

以左腿抬步为例，电控板9控制机械腿的编码器电机26旋转，由于Klann连杆为一六杆仿生腿机构，各杆件之间通过轴承、螺栓相连，该连杆机构自由度为1，即仅需一个驱动，便可实现仿生腿的抬起与迈步动作，编码器电机26固定在连杆固定架18内以输出力矩，编码器电机26的轴与第一杆19固定连接，当编码器电机26输出力矩带动第一杆19转动时，便会带动第五杆23的抬起与迈步，第五杆23通过螺栓与外腿部24固定连接。

复合机器人的另一种行动模式为滚动模式。在探测模块探测到环境信息为平滑地面时，即当遇到平坦的地面时，机器人选择移动速度较快的滚动模式。当机器人要从行走模式变成滚动模式时，每个机械腿的编码器电机26可以记录电机转过的角度，电控板9控制编码器电机26停在特定的角度，使机械腿收拢。同时控制单电机双轴向角度调节装置中的Y轴向的微型丝杠电机30带动Y锥齿轮28先与大锥齿轮33啮合，带着机械腿左右摆动，控制四条机械腿摆到圆的四分点处，接着控制Y轴向的微型丝杠电机30带动Y锥齿轮28与大锥齿轮33脱离，控制X轴向的微型丝杠电机30带动X锥齿轮29与大锥齿轮33啮合，带着机械腿上下摆动，使外腿部之间收拢，如图8所示，例如可以收拢成近似球形。

滚动模式的原理是将电机的输出转矩传到外壳34的上半部分，当电机带动外壳34的上半部分转动时，外壳34的上半部分碰到机械腿，然后便会推着机械腿向后，机器人整体便会向前滚动。为保证外壳34两边受力均匀，采用对称结构布置滚动模块。如图3所示，电机支架13将滚动电机14固定在中间平台8上，滚动电机14与联轴器12的一端相连，联轴器12的另一端与连接轴15相连，为防止连接轴15随着电机转动而跳动，使连接轴15穿过轴支座11，轴支座11用螺栓与中间平台8固定。连接轴15的另一端与外壳34固定。

如上所述，利用第一实施方式的复合机器人，地形适应性好、承载力大、刚度大、控制简单，既能在平滑地面上以球形快速滚动，又能在地面上变形成行走模式进行仿生越障，可以满足多重作业环境的需要。

需要说明的是，本发明各设备实施方式中提到的各单元都是逻辑单元，在物理上，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现，这些逻辑单元本身的物理实现方式并不是最重要的，这些逻辑单元所实现的功能的组合才是解决本发明所提出的技术问题的关键。此外，为了突出本发明的创新部分，本发明上述各设备实施方式并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，这并不表明上述设备实施方式并不存在其它的单元。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种复合机器人，其特征在于，具备：

外壳，该外壳具有顶部开孔和下部缺口；

中间平台，该中间平台位于外壳的内侧，在该中间平台上安装有探测模块、滚动模块及电控模块；

机械腿，该机械腿具有连杆机构和外腿部，机械腿通过单电机双轴向角度调节装置与中间平台连接，

在探测模块探测到的环境信息为凹凸不平的地面时，电控模块控制复合机器人切换到通过机械腿进行行走的行走模式，

在探测模块探测到环境信息为平滑地面时，电控模块控制复合机器人切换到通过滚动模块进行滚动的滚动模式。

2.根据权利要求1所述的复合机器人，其特征在于，

探测模块在行走模式中从外壳的顶部开孔向外部露出且在滚动模式中缩回外壳内侧。

3.根据权利要求1所述的复合机器人，其特征在于，

探测模块具有相机。

4.根据权利要求1所述的复合机器人，其特征在于，

滚动模块具有滚动电机。

5.根据权利要求1所述的复合机器人，其特征在于，

电控模块具有电控板。

6.根据权利要求1所述的复合机器人，其特征在于，

连杆机构为Klann连杆。

7.根据权利要求1所述的复合机器人，其特征在于，

单电机双轴向角度调节装置安装在连杆机构内且具有丝杠电机。

8.根据权利要求1所述的复合机器人，其特征在于，

机械腿在行走模式中从外壳的下部缺口向外部伸出，在滚动模式中收拢到外壳的内侧。

9.根据权利要求1所述的复合机器人，其特征在于，

单电机双轴向角度调节装置的调节范围为57°。

10.根据权利要求1所述的复合机器人，其特征在于，

滚动模式包括前后滚动模式和左右滚动模式。

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