CN113771028B - 一种手足切换多模态四足特种机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手足切换多模态四足特种机器人，由机器人本体、视觉系统、定位模块、控制模块、驱动模块、电源模块和存储模块构成；其中机器人本体包括机器人本体、机器人的前足、机器人的后足、外置金属保护架、摄像头和麦克风；控制模块包括四足控制模块和双足控制模块。综合考虑四足与双足机器人的优缺点，使其不仅具备四足机器人移动效率高、适应地形能力强的优势，还具备双足机器人具有机械臂及机械手，能够进行基本灵巧操作及完成复杂移动动作的优势。机身分为两段，它们中的每一个都通过一个球形铰链连接到其他节段，该铰链由三个两自由度的电机驱动。

Description

一种手足切换多模态四足特种机器人

技术领域

本发明涉及一种站立时可以进行手足切换的四足特种机器人，主要涉及到机器人多模态控制，属于智能机器人技术领域。

背景技术

现如今，四足机器人作为一种仿生移动机器平台，具有对移动环境要求低、移动效率高等优点。它不仅能够实现在沙地、沼泽等特殊地形行走，还可以实现负载运输，成为人类活动的帮手，降低人工成本，并且可以在星际探索、军事侦察、地下管道的疏通、疾病治疗、抢险救灾等非结构环境中代替人类进行物资运输、巡逻等危险操作。

虽然四足机器人在移动方面拥有优势，但由于它没有机械臂及机械手，所以缺乏一定的灵活性以至于无法完成某些操作——例如摔倒后起身，挥动手臂以保持平衡，或推开门的同时也可用于操纵或携带物体，以及完成复杂移动动作如翻越障碍物时借力攀岩、作为反恐用途追捕犯罪车辆时扒车等更加复杂的功能。此时双足机器人便可以弥补这些不足，故提出通过手足切换的多模态控制实现四足模式与双足模式的相互切换，提高机器人适应环境的能力。

对现有专利检索发现，专利申请公开号：CN105242677A，发明名称：四足机器人双足支撑相位力位混合控制方法。该发明通过建立控制模型，将平面七连杆模型简化为平面虚拟伸缩腿模型，再根据控制模型进行混合控制，对于质心高度和本体俯仰角通过位置伺服方法进行控制，对虚拟伸缩腿平面模型的水平位移采用外环位置、内环足端力的双环控制方法。其缺点为：通过增大位置控制器刚度无法解决出现摆动腿提前或滞后落地的情况，并且没有提出基于多模态控制的机器人手足切换，机器人缺乏基本的操作功能。

检索发现，专利申请公开号：CN109857131A，发明名称：一种足式机器人两足-四足姿态变换控制方法。该发明提供了一种足式机器人两足-四足姿态变换控制方法。通过大腿向后匀速旋转降低足式机器人重心，机器人本体向前旋转以方便足式机器人的机械上肢触地支撑，借助足式机器人脚部的压力传感器检测前后受力差值作为反馈信号，采用滑模控制方法实时确定机器人本体的旋转速度。在站立阶段，大腿和机器人本体的旋转方向与下蹲弯腰阶段的旋转方向相反，其转速控制方法相同。其缺点为：仅限于机器人的姿态变换，未考虑姿态变换时支撑腿足端发生滑动的可能性，且姿态变换模型繁琐，变换效率低。

检索发现，专利申请公开号：CN208855764U，发明名称：一种多模式控制的四足机器人。该发明通过设置多种模式的无线控制终端，无线接收器接收来自另一无线控制终端发送的控制指令，可采用定义手柄按钮及安卓设备来实现机器人各个动作姿态和行为的控制。其缺点为：模型过于简单，可实现的功能较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多模态控制的手足切换四足特种机器人，综合考虑四足与双足机器人的优缺点，使其不仅具备四足机器人移动效率高、适应地形能力强的优势，还具备双足机器人具有机械臂及机械手，能够进行基本灵巧操作及完成复杂移动动作的优势。机身分为两段，它们中的每一个都通过一个球形铰链连接到其他节段，该铰链由三个两自由度的电机驱动。

一种基于多模态控制的手足切换四足特种机器人，由机器人本体、视觉系统、定位模块、控制模块、驱动模块、电源模块和存储模块构成；其中机器人本体包括机器人本体1、机器人的前足2、机器人的后足3、外置金属保护架4、摄像头5和麦克风6；控制模块包括四足控制模块7和双足控制模块8。

机器人本体1由主体框架、控制器101、电机驱动器、电机及电源模块104构成。机器人的前足2、机器人的后足3与所述的机器人本体1轴向固定连接，外置金属保护架4与机器人本体1的上部固定连接；定位模块固定在所述的机器人本体1上，定位模块包括gps系统和GY953AHRS惯性传感器，随时向移动设备发送位置信息和运动状态，还能够规划完成巡逻任务的路线。摄像头能够监控周围环境，安装在机身前部、后部及前胸部，其中前后部的摄像头可以像球一样360度旋转，实现无死角监控，站立时打开前胸部摄像头，同时关闭前后部摄像头。麦克风传感器安装在机器人的顶部，并由一个圆柱体支撑，使其更容易检测周围的声波和接收工人的语音命令。Wi-Fi模块内嵌于机器人本体1，移动设备可以连接和控制机器人。此外，还通过Wi-Fi模块提供巡逻、监控和报警功能。由于安装了功能强大的Wi-Fi发射机，所以它的工作范围很广。四足控制模块及双足控制模块为该机器人的核心模块，四足控制模块及双足控制模块包含遥控和声控两种模式，两模块均位于机身内部，与各模块相连，两模块采用并联方式连接，当机器人站立时自动从四组控制模块切断切换至双足控制模块。综合检测模块包括湿度传感器、压力压强传感器和红外传感器。湿度传感器和压力压强传感器主要用于检测所在路面的物理性质，分辨出沼泽、沙地等非结构化地形，红外传感器用于检测地面地形。湿度传感器和压力压强传感器安装在机身内部，便于检测路面潮湿程度和软硬度且不易损坏。当路面物理性质变化时，机器人会通过Wi-Fi模块通知工人并报警。红外传感器安装在机器人机身表面，以避免撞到障碍物和及时调整腿部受力，应注意红外传感器表面刚度以延长其寿命。

定位模块、摄像头、麦克风、Wi-Fi模块、四足控制模块、双足控制模块、综合检测模块以及通讯模块分别与控制器101相连，电源模块104向控制器101、电机驱动器、电机供电。

本发明设计的机器人结构中，能够通过特殊手段跨越指示的障碍物。当机器人发现一个无法通过的障碍物时，1、当检测到易绕过的障碍物时，它会通过轮速差来转动并绕过障碍物：轮的一侧以先前的速度旋转，另一侧则减速以实现转动。这样可以避开这些无法逾越的障碍，保持身体完整。2、当检测到难绕过且易跨越的障碍物时，若机器人为爬行姿态，则由爬行姿态转变为站立姿态，上半(前半)部分身体先跨越障碍物随后带动下半(后半)部分身体进行跨越，这样可以大大提升跨越障碍物时的稳定性。3、当检测到难绕过且易钻过的障碍物时，若机器人为站立姿态，则上半部分身体转动至后半部分身体前端，前后两部分身体同时旋转180度，随后前半部分身体带动后半部分身体钻过底端缝隙。4、当检测到难绕过且不易跨越的障碍物时，机器人会由爬行姿态转变为站立姿态并进行手足切换，机械臂和机械手会在障碍物上寻找着力点随后进行攀越。机身关节上的电机会起辅助作用，使机身更适合穿越障碍物和地形机身的自由度是锁定的，这样它可以在平坦的地面上快速移动。

一种基于多模态控制的手足切换四足特种机器人，机器人主板为ArduinoUnoR3，32路，主控芯片为ATMega328P，工作电压5V，伺服电机驱动器为130ST-M06025，用于调整机器人的方向和状态。这个机器人是由一个18650电池组12伏输出。

一种基于多模态控制的手足切换四足特种机器人，其特征还在于，具有自动返航充电功能。当机器人有足够的动力时，它将继续沿着指定的路线行驶。当功率较低时，它会自动回到原来的位置以避免丢失，摄像头和传感器会寻找充电接口进行自主充电。

一种基于多模态控制的手足切换四足特种机器人，其特征还在于，本发明材料容易获得，所述车轮材料为耐磨、坚硬的合金材料。使生产成本相对较低。所有的配件都很容易更换，而且还可以更换有关节的机身。客户还可以根据自己的需要添加各种配件，实现机器人功能的多样化。

本发明与现有技术相比，其优点在于：1、对环境适应性强。其前后足分模块控制的设计同时弥补了单一四足机器人和单一双足机器人的不足，面对各种复杂环境能够迅速识别并作出相应动作，可完成管道巡逻等高难度任务。2、可多模态多模式操作。能够实现机器人在质心转换——从爬行到站立姿态变换的同时使机器人的前足变为双臂，还兼具人机交互的功能如口头传达指令和遥控等。3、结构灵活性强。四足机器人为两段式，分为前段和后段，前后段使用球形铰链的连接方式大大提高了身体的活动范围，能够根据需要在一定范围内任意变形，大大增强了机器人的灵活性。本发明结构清晰、层次分明，具有较好的理论价值和工程意义。

附图说明

图1是基于多模态控制的手足切换四足特种机器人系统框图。

图2是基于多模态控制的手足切换四足特种机器人系统示意图。

图3是基于多模态控制的手足切换四足特种机器人系统运行流程图。

具体实施方式

实施例1

主要部件的总体关系如图1所示。每个轴都与一组电动机相连。每个马达驱动轮脚旋转。每个足部由一个大轮轴、一组轮叶、一个主动齿轮、两个从动小齿轮，两个从动大齿轮组成。大轮轴中间有一个小马达，所述小马达的马达轴与主动齿轮通过连接件固定连接，用于轮叶的收缩和伸展。主动齿轮与从动小齿轮、从动大齿轮与从动小齿轮、轮叶之间为啮合连接。轮叶的收缩和伸展更有利于机器人跨越不同的障碍物。主控板主要负责所有采集数据的计算和各子模块的操作。无刷直流电动机具有良好的外部特性，低速时能输出大转矩，具有起动转矩大、调速范围宽、在任何转速下都能满功率运行、效率高、过载能力强等优点，使其具有良好的拖动性能。此外，再生制动效果更佳，因为其转子由永磁材料制成，这样电机在制动时可以发电。体积小，功率密度高，全封闭结构，防止灰尘进入电机。与异步电动机相比，它更容易控制。电机通过电线与电机控制器相连，获得电能，而电池为电机控制器提供24伏电能。每个速度编码器都放在电机旁边。速度编码器通过检测外部光信号来测量电机的转速。气体检测装置主要用于分析有毒气体，帮助人们检测有毒气体泄漏等功能。最后，我们使用一个24伏的马达，为机器人提供足够的力和扭矩，以应付意外情况。例如，如果机器人翻转，电机可以提供足够的扭矩使其返回。

实施例2

将该四足特种机器人放置在一个封闭的内部空间，该内部空间为方形管道式，障碍物置于管道底部中央，与管道壁有一定缝隙但机器人无法通过缝隙，即机器人只有唯一途径抵达终点。假设这是下水道里的巡逻队，机器人必须通过该管道。首先，按下开关启动四足机器人。一旦机器人被激活，有两种控制模式可供选择，一种是自动模式，另一种是手动模式，其中自动模式接受语音命令。机器人启动后，电池将支持所有的电机和传感器，不同的传感器被用来处理收集到的信息。当机器人进行管道巡逻时，它可以根据内部情况自动切换模式。当机器人发现障碍物时，当检测到易跨越的障碍物时，若机器人为爬行姿态，则由爬行姿态转变为站立姿态，上下两部分身体同时旋转180度，随后上半部分身体先跨越障碍物随后带动下半部分身体进行跨越，这样可以大大提升跨越障碍物时的稳定性。机身关节上的电机会起辅助作用，使机身更适合穿越障碍物和地形机身的自由度是锁定的，这样它可以在平坦的地面上快速移动。

实施例3

将机器人放置在一封闭管道内，管道上部有障碍物，下部留有缝隙但机器人无法通过，但机器人只有唯一通道，说明机器人只能通过特殊方式钻过障碍物。假设这是执行特种任务的越障队，机器人必须通过该管道。当机器人发现障碍物时，若机器人为站立姿态，则上半部分身体转动至后半部分身体前端，前后两部分身体同时旋转180度，随后前半部分身体带动后半部分身体钻过底端缝隙。

实施例4

将机器人放置在一个开放的室外空间，室外空间有一宽高均为机器人本体10倍的障碍物。假设这是舰艇逃生救援队，机器人必须翻越该障碍物。当机器人识别到该障碍物时，机器人自动切换为站立姿态，前胸摄像头打开寻找附着点，随后机械手1抓住附着点，头部摄像头立即寻找机械手2附着点，两机械手轮流施力翻越障碍物。

实施例5

将机器人放置在一个开放的室外空间，室外空间有一移动物体，该物体为机器人附着目标且该物体已经被设计在程序中。首先打开机器人，开启自动模式。当机器人识别到该移动物体时，机器人自动切换为站立姿态，前胸摄像头打开寻找附着点，随后机械手抓住附着点，此时手臂稍伸长以给机械手臂缓冲时间。不同的传感器用于收集和处理相关信息。例如，通过摄像头，机器人可以识别出目标对象。受力传感器可以在附着时测出其机械臂需要的最小力以及机器人需要摆动的角度，从而提高精准度。该四足特种机器人能够完成巡逻以及协助警方追捕犯罪车辆等维护秩序和保障安全的任务。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种手足切换多模态四足特种机器人，其特征在于：由机器人本体、视觉系统、定位模块、控制模块、驱动模块、电源模块、综合检测模块和存储模块构成；机器人本体包括机器人的前足、机器人的后足、外置金属保护架、摄像头和麦克风；控制模块包括四足控制模块和双足控制模块；机器人与移动设备连接，且移动设备能够控制机器人；机器人的前足、机器人的后足与所述的机器人本体轴向固定连接，外置金属保护架与机器人本体的上部固定连接；所述前足、后足均由一个大轮轴、一组轮叶、一个主动齿轮、两个从动小齿轮和两个从动大齿轮组成；大轮轴中间有一个小马达，所述小马达的马达轴与主动齿轮通过连接件固定连接，用于轮叶的收缩和伸展；定位模块固定在所述的机器人本体上，定位模块包括gps系统和GY953 AHRS惯性传感器，随时向移动设备发送位置信息和运动状态，还能够规划完成巡逻任务的路线，四足特种机器人分为前段与后段，前段与后段通过一个球形铰链连接，该球形铰链由三个两自由度的电机驱动；摄像头能够监控周围环境，安装在四足特种机器人的机身前部、后部及前胸部，前部和后部的摄像头能够360度旋转，站立时打开前胸部摄像头，同时关闭前部和后部摄像头；麦克风安装在四足特种机器人的顶部，并由一个圆柱体支撑，使其检测周围的声波和接收语音命令；Wi-Fi模块内嵌于机器人本体，通过Wi-Fi模块提供巡逻、监控和报警功能；四足控制模块及双足控制模块为该四足特种机器人的核心模块，四足控制模块及双足控制模块均包含遥控模式和声控模式，四足控制模块及双足控制模块均位于机身内部，四足控制模块及双足控制模块采用并联方式连接，当机器人站立时自动从四足控制模块切断切换至双足控制模块；综合检测模块包括湿度传感器、压力压强传感器和红外传感器；湿度传感器和压力压强传感器用于检测所在路面的物理性质，分辨出沼泽、沙地，红外传感器用于检测地面地形；湿度传感器和压力压强传感器安装在机身内部；当路面物理性质变化时，机器人会通过Wi-Fi模块通知工人并报警；红外传感器安装在机器人机身表面，以避免撞到障碍物和及时调整腿部受力；

当四足特种机器人发现一个无法通过但易绕过的障碍物时，通过轮速差来转动并绕过障碍物：机器人本体的一侧前足、后足以先前的速度旋转，另一侧的前足、后足则减速以实现转动；当检测到难绕过且易跨越的障碍物时，若机器人为爬行姿态，则由爬行姿态转变为站立姿态，前段先跨越障碍物随后带动后段进行跨越；当检测到难绕过且易钻过的障碍物时，若机器人为站立姿态，则前段转动至后段前端，前段与后段两部分身体同时旋转180度，随后前段带动后段钻过底端缝隙；当检测到难绕过且不易跨越的障碍物时，机器人会由爬行姿态转变为站立姿态并进行手足切换，两个所述前足变成双臂，所述双臂在障碍物上寻找着力点随后进行攀越；所述三个两自由度的电机起辅助作用，使机身自由度锁定。

2.根据权利要求1所述的一种手足切换多模态四足特种机器人，其特征在于：定位模块、摄像头、麦克风、Wi-Fi模块、四足控制模块、双足控制模块、综合检测模块以及通讯模块分别与控制器相连。

3.根据权利要求1所述的一种手足切换多模态四足特种机器人，其特征在于：机器人主板为Arduino Uno R3，主控芯片为ATMega 328P，工作电压5V；驱动模块为130ST-M06025，用于调整机器人的方向和状态。