CN114987646B - 一种仿生四足球腿复合机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿生四足球腿复合机器人及其工作方法，该机器人包括与球形上盖相连接的四足移动机构、球腿转换机构和动量飞轮传动机构，球形上盖内部安装有控制模块，控制模块分别控制四足移动机构、球腿转换机构和动量飞轮传动机构的工作状态，以实现机器人的行走、翻滚、转向以及避障动作，控制模块包括开发板，开发板分别连接有通信单元、直流减速电机组、两组动量飞轮、舵机组、四个电位器、电池单元、陀螺仪、摄像单元。与现有技术相比，本发明提出一种结合球形滚动和四足行走的复合机器人，既能够在平滑地面上以球形模式快速滚动，又能够在崎岖地面上以四足姿态自如行走，具有转向灵活、自由度高、越障能力强、稳定性好的优点。

Description

一种仿生四足球腿复合机器人及其工作方法

技术领域

本发明涉及复合机器人技术领域，尤其是涉及一种仿生四足球腿复合机器人及其工作方法。

背景技术

现代机器人被广泛应用于工业、农业等领域，能够代替人类完成枯燥、危险的工作。而随着控制论、机构学、仿生学及人工智能技术的深入研究，移动机器人技术已经得到世界各国的普遍关注，并成为一个国家科技水平和工业自动化程度的重要标志，也成为当前科学研究的热门方向。

在移动机器人中，球形机器人是一种以球形或近乎球形为外壳的独立运动体，在运动方式上，以翻滚运动为主。与轮式或轨道式机器人相比，球形机器人在滚动时，与地面的接触少、移动速度快、能量损耗小、转向灵活；由于球体的完全对称性，球形机器人可以朝任意方向运动，实现零半径转弯；其重要部件被保护在球壳内，与障碍物或其他运动机构发生碰撞时，球形机器人可迅速调整运行状态，进行连续工作。而足式机器人因腿部灵活、自由度高，具有越障能力强、稳定性好等特点，因此也被广泛应用于仿生移动机器人中。

但是随着移动机器人应用环境的不断更新，单一的运动模式无法满足移动需求，比如在危险环境的探测、管道内部的焊缝检测、侦探监控等方面，尤其是在多重地形中工作的移动机器人，必须具有很好的环境适应能力，既能在平滑地面上以球形快速滚动，又能在崎岖地面上变形成四足模式进行仿生越障。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种仿生四足球腿复合机器人及其工作方法，既能够在平滑地面上以球形模式快速滚动，又能够在崎岖地面上以四足姿态自如行走。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种仿生四足球腿复合机器人，包括球形上盖，所述球形上盖连接有四足移动机构、球腿转换机构和动量飞轮传动机构，所述球形上盖内部安装有控制模块，所述控制模块用于分别控制四足移动机构、球腿转换机构和动量飞轮传动机构的工作状态，以实现机器人的行走、翻滚、转向以及避障动作，所述控制模块包括开发板，所述开发板分别连接有通信单元、直流减速电机组、两组动量飞轮、舵机组、四个电位器、电池单元、陀螺仪和摄像单元，所述通信单元用于传输远程遥控数据信息；

所述直流减速电机用于输出动力给四足移动机构、动量飞轮传动机构；

所述动量飞轮用于驱动机器人发生球形滚动；

所述舵机组用于驱动改变四足移动机构的移动方向；

所述电位器用于检测四足移动机构的收拢角度信息；

所述陀螺仪用于检测三方向位置信息以及加速度信息；

所述摄像单元用于拍摄当前地面地形图像信息。

进一步地，所述四足移动机构设置有四组，以作为机器人的四条腿，所述四足移动机构包括弧形的腿部结构，所述腿部结构分别转动连接有第一连杆和第二连杆，所述第一连杆和第二连杆分别与机架转动连接，所述机架与直流减速电机相连接。

进一步地，所述直流减速电机的输出轴上套设有主动杆，所述主动杆与第二连杆的端部转动连接，所述第二连杆的中间位置转动连接有从动杆，所述从动杆与机架转动连接。

进一步地，所述第一连杆与机架的转动连接位置设置有垫片、螺母和塞打螺栓，所述第二连杆与机架的转动连接位置、第二连杆与主动杆的转动连接位置、第二连杆与从动杆的转动连接位置均设置有塞打螺栓、螺母、垫圈、法兰轴承和推力球轴承。

进一步地，所述球腿转换机构设置有两组，以作为机器人的下半球，所述球腿转换机构包括底座，所述底座上安装有根部关节和立式安装座，所述立式安装座转动连接有第一下半球壳，所述第一下半球壳与第二下半球壳转动连接，所述第二下半球壳与第三连杆转动连接，所述第三连杆与铰链转动连接，所述铰链安装于底座，所述根部关节、第一下半球壳和第二下半球壳分别与对应的舵机轴向连接。

进一步地，所述动量飞轮传动机构包括安装有直流减速电机的电机架，所述直流减速电机的输出轴连接有法兰联轴器，所述法兰联轴器与动量飞轮连接，所述电机架安装于底座上。

进一步地，所述球形上盖的下方连接安装有上盖支架，所述上盖支架与底座相连接。

进一步地，所述通信单元具体为HC-05蓝牙模块，所述开发板具体为Arduino Nano开发板，所述陀螺仪具体为MPU6050传感器，所述直流减速电机具体为GA12-N20减速电机，所述舵机具体为SG90舵机。

一种仿生四足球腿复合机器人的工作方法，包括以下步骤：

S1、通信单元接收外部的远程遥控指令，若接收的指令为四足行走，则执行步骤S2，若接收的指令为滚动，则执行步骤S4；

S2、开发板分别输出对应控制信号给直流减速电机、舵机、电位器和摄像单元，以控制四足移动机构以设定的步态进行移动行走，同时摄像单元实时采集当前地面地形图像、并发送给开发板进行分析；

S3、若开发板分析存在障碍物，则输出对应控制信号给舵机，以控制机器人转向、完成避障操作，否则继续控制四足移动机构以设定的步态进行移动行走；

S4、开发板分别输出对应控制信号给舵机、陀螺仪、动量飞轮、电位器和摄像单元，以控制四足移动机构收拢进入滚动模式，同时陀螺仪实时采集当前三方向位置信息以及加速度信息、并发送给开发板进行分析；

S5、若开发板分析存在不平整路面，则输出对应控制信号给支流减速电机、舵机，以控制机器人进入四足行走模式、控制四足移动机构以设定的步态进行移动行走。

进一步地，所述四足行走模式的具体工作过程为：

W1、开发板从电位器获取当前四足移动机构的收拢角度信息，以判断四足移动机构是否放下，若判断为是，则执行步骤W2，否则开发板输出控制信号给与球腿转换机构连接的舵机，使球腿转换机构收起、四足移动机构放下，之后执行步骤W2；

W2、开发板输出控制信号给直流减速电机，控制四足移动机构按照设定的步态进行移动行走，所述步态包括慢走步态和快走步态。

进一步地，所述滚动模式的具体工作过程为：

R1、开发板从电位器获取当前四足移动机构的收拢角度信息，以判断四足移动机构是否收起，若判断为是，则执行步骤R2，否则开发板输出控制信号给与球腿转换机构连接的舵机，使球腿转换机构闭合、四足移动机构收起，之后执行步骤R2；

R2、开发板输出控制信号给动量飞轮，通过控制动量飞轮的转速，使机器人执行滚动任务。

与现有技术相比，本发明通过设置四足移动机构实现四足行走，通过设置球形上盖以及球腿转换机构、并利用动量飞轮，以实现球形滚动，由此实现一种结合球形滚动与四足行走模式的复合机器人，能够更好地适应多重作业环境。

本发明在四足移动机构中，将弧形的腿部结构分别转动连接有第一连杆和第二连杆，将第一连杆和第二连杆分别与机架转动连接，并在第二连杆的端部和中间位置分别转动连接有从动杆和主动杆，由此实现一种基于Klann连杆的闭键腿部结构，使得四足移动机构能够稳定可靠地进行移动行走。

本发明采用动量飞轮驱动机器人发生滚动，利用角动量守恒，在球形上盖下方、即整个球体结构的中上位置安装两个动量飞轮，同时同速往一个方向转，球体就产生一个反向的力，球体就往反方向转，两个动量飞轮转速不同则可以直接控制滚动的转向，由此保证了机器人的滚动可靠性。

本发明在控制模块中将开发板与通信单元、电位器、舵机、直流减速电机、陀螺仪、摄像单元相连接，能够实时接收远程遥控指令以控制机器人、实时判断当前地面地形是否存在障碍以及路面不平整，由此能够对应精准机器人进行行走、翻滚、避障、转向甚至自主切换运行模式，使得机器人既能在平滑地面上能以球形模式快速滚动，又能在崎岖地面上以四足姿态自如行走，大大提升了机器人的运行可靠性。

附图说明

图1为本发明的外形结构示意图；

图2为本发明的内部结构示意图；

图3为本发明中四足移动机构的单个结构示意图；

图4为本发明中四足移动机构的单个结构爆炸示意图；

图5为本发明中球腿转换机构的结构示意图；

图6为本发明中球腿转换机构的结构爆炸示意图；

图7为本发明中动量飞轮传动机构的结构爆炸示意图；

图8为实施例中控制模块的结构示意图；

图9为本发明的方法流程示意图；

图10为本发明中四足行走模式流程示意图；

图11为本发明中滚动模式流程示意图；

图12为实施例中应用过程示意图。

图中标记说明：1、腿部结构；2、第一连杆；3、机架；4、直流减速电机；5、主动杆；6、第二连杆；7、从动杆；8、垫圈；9、推力球轴承；10、法兰轴承；11、螺母；12、输出轴；13、垫片；14、塞打螺栓；15、底座；16、根部关节；17、立式安装座；18、第一下半球壳；19、第二下半球壳；20、第三连杆；21、铰链；22、舵机；23、半牙螺栓；24、螺钉；25、电机架；26、法兰联轴器；27、动量飞轮；28、铜柱；29、上盖支架；30、四足移动机构；31、球腿转换机构；32、动量飞轮传动机构；33、球形上盖。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1和图2所示，一种仿生四足球腿复合机器人，包括四足移动机构30、球腿转换机构31、动量飞轮传动机构32、球形上盖33及控制模块，其中，四足移动机构30、球腿转换机构31、动量飞轮传动机构32分别与球形上盖33相连接，本实施例采用十六个铜柱28分别与底座15、上盖支架29相连接，上盖支架29与球形上盖33相连接。控制模块安装在球形上盖33内部，由控制模块对应控制四足移动机构30及球腿转换机构31的工作状态，以实现仿生四足球腿复合机器人的行走、翻滚、转向、避障等功能。

如图3和图4所示，四足移动机构30包括四组，以作为仿生四足球腿复合机器人的四条腿；每组四足移动机构30均包括弧形的腿部结构1、第一连杆2、第二连杆6、主动杆5、从动杆7、机架3和直流减速电机4，其中，直流减速电机4的输出端通过输出轴12与主动杆5的第一端轴向连接，主动杆5的第二端与第二连杆6的第一端之间转动连接，第二连杆6的中间与从动杆7的第一端之间转动连接，第二连杆6的第二端及第一连杆2的第一端与腿部结构之间转动连接，主动杆5的第一端、从动杆7的第二端及第一连杆2的第二端与机架3之间转动连接。

此外，在第一连杆2与机架3的转动连接处设置垫片13、螺母11、塞打螺栓14，垫片13是为了增加腿部结构与连杆间的距离，以保证结构的传动；第二连杆5的相应转动连接处设置塞打螺栓14、螺母11、垫圈8、法兰轴承10、推力球轴承9。

如图5和图6所示，球腿转换机构31包括两组，以作为仿生四足球腿复合机器人的两个下半球体，球腿转换机构31包括一个底座15、四个根部关节16、两个立式安装座17、两组第一下半球壳18、两组第二下半球壳19、两个第三连杆20、两个铰链21、六个舵机22；其中，四个舵机22与四个根部关节16轴向连接，两组立式安装座17分别与两组第一下半球壳18的第一端之间转动连接，两组铰链21分别与两组第三连杆20的第一端之间转动连接，两组第三连杆20的第二端分别与两组第二下半球壳19的第二端之间转动连接，另两个舵机22分别与两组第一下半球壳18及两组第二下半球壳19之间轴向连接，两组第一下半球壳18的第二端分别与两组第二下半球壳19的第一端之间转动连接。

动量飞轮传动机构32包括两组，如图7所示，每组动量飞轮传动机构32包括直流减速电机4、电机架25、法兰联轴器26、动量飞轮27和螺钉24，其中，直流减速电机4分别与电机架25、底座15之间轴向连接，直流减速电机4依次与法兰联轴器26、动量飞轮27之间轴向连接，在各轴向连接处设置螺钉24。

本实施例中，如图8所示，控制模块包括Arduino Nano开发板、HC-05蓝牙模块、GA12-N20直流减速电机、动量飞轮、SG90舵机、电位器模块、MPU6050陀螺仪、一个面包板、多根杜邦线、一块电池和一个摄像头单元。其中，HC-05属于主从一体的蓝牙模块，与ArduinoNano开发板相配合，可以配置主从模式，实现配对连接；GA12-N20直流减速电机用于输出动力给四足移动机构和动量飞轮传动机构；SG90舵机则用于控制四足移动方向；电位器模块用于检测四足移动机构的角度；MPU6050陀螺仪作为传感器，用于测量三方向位置信息以及加速度信息；面包板用于电子电路的组装和调试；杜邦线主要用于电路实验中，在进行电路实验的时候可以和插针进行连接；电池用于供电；摄像头单元用于勘测拍摄地面地形图像，实时监控。

上述机器人的工作原理如下：

用户通过仿生四足球腿复合机器人的控制系统，采用Arduino Nano开发板配合HC-05蓝牙模块控制腿电机、腿舵机、动量轮电机、球体舵机、摄像头单元以及MPU6050陀螺仪，实现机器人的行走、翻滚、转向、避障等功能；

通过电机控制动量轮进行球腿复合机器人在平坦地面上以四足模式直线行走，且通过控制系统实现其前进、后退和停止的动作；

对角线位置的两个舵机用于控制对角的两条腿同时往一个方向转，腿转动时抬起设定距离，另外两条腿转动，实现四足转向；

利用角动量守恒，在球体中上方放置两个动量飞轮，同时同速往一个方向转，球体就产生一个反向的力，球体就往反方向转，两个动量飞轮转速不同则可以控制滚动转向。

将上述技术方案应用于实际，以实现一种仿生四足球腿复合机器人的工作方法，如图9所示，包括以下步骤：

S1、通信单元接收外部的远程遥控指令，若接收的指令为四足行走，则执行步骤S2，若接收的指令为滚动，则执行步骤S4；

S2、开发板分别输出对应控制信号给直流减速电机、舵机、电位器和摄像单元，以控制四足移动机构以设定的步态进行移动行走，同时摄像单元实时采集当前地面地形图像、并发送给开发板进行分析；

S3、若开发板分析存在障碍物，则输出对应控制信号给舵机，以控制机器人转向、完成避障操作，否则继续控制四足移动机构以设定的步态进行移动行走；

S4、开发板分别输出对应控制信号给舵机、陀螺仪、动量飞轮、电位器和摄像单元，以控制四足移动机构收拢进入滚动模式，同时陀螺仪实时采集当前三方向位置信息以及加速度信息、并发送给开发板进行分析；

S5、若开发板分析存在不平整路面，则输出对应控制信号给支流减速电机、舵机，以控制机器人进入四足行走模式、控制四足移动机构以设定的步态进行移动行走。

其中，四足行走模式的具体工作过程如图10所示，包括：

W1、开发板从电位器获取当前四足移动机构的收拢角度信息，以判断四足移动机构是否放下，若判断为是，则执行步骤W2，否则开发板输出控制信号给与球腿转换机构连接的舵机，使球腿转换机构收起、四足移动机构放下，之后执行步骤W2；

W2、开发板输出控制信号给直流减速电机，控制四足移动机构按照设定的步态进行移动行走，所述步态包括慢走步态和快走步态。

滚动模式的具体工作过程如图11所示，包括：

R1、开发板从电位器获取当前四足移动机构的收拢角度信息，以判断四足移动机构是否收起，若判断为是，则执行步骤R2，否则开发板输出控制信号给与球腿转换机构连接的舵机，使球腿转换机构闭合、四足移动机构收起，之后执行步骤R2；

R2、开发板输出控制信号给动量飞轮，通过控制动量飞轮的转速，使机器人执行滚动任务。

本实施例应用上述技术方案，如图12所示，主要包括：

一、模型计算

四足移动机构，即仿生四足腿球复合机器人的腿部，设计基于Klann连杆的闭链腿部结构，根据各杆长求得仿生腿足端理论轨迹，对腿部结构进行运动学分析，以复数矢量法求得足尖坐标，用MATLAB绘制足端轨迹曲线，与ADAMS仿真生成的足端轨迹进行对比；对机器人抬腿高度进行优化设计，进行简化模型计算，通过无约束条件的非线性目标规划，求得最优解；以四足动物为仿生对象，设定两种典型运动步态，即慢走步态和快走步态，分析两种步态下的占空比，绘制四足机器人对应的步态运动图谱；最后，选择慢走步态建立稳定性等模型，采用质心投影法判断机器人的稳定性；

二、仿生机器人搭建

搭建Soild works三维模型，验证结构设计的合理性，利用Motion功能进行运动仿真分析；

三、实物控制

仿生四足球腿复合机器人的控制系统采用Arduino Nano开发板配合HC-05蓝牙模块控制腿电机、腿舵机、动量轮电机、球体舵机、摄像头单元以及MPU6050陀螺仪，实现机器人的行走、翻滚、转向、避障等功能。

综上所述，本技术方案结合球形机器人和足式机器人两者的优势，创新性地提出一种多模式球腿复合移动机器人，能适应更复杂的多重作业环境，既能在平滑地面上以球形快速滚动，又能在崎岖地面上变形成四足模式进行仿生越障；且具有良好的动态和静态平衡性、以及良好的密封性，可以行驶在无人、沙尘、潮湿、腐蚀性的恶劣环境中，并具有水陆两栖功能，适用于军事侦测、洞穴检测勘察等方面。

Claims (6)

1.一种仿生四足球腿复合机器人，其特征在于，包括球形上盖(33)，所述球形上盖(33)连接有四足移动机构(30)、球腿转换机构(31)和动量飞轮传动机构(32)，所述球形上盖(33)内部安装有控制模块，所述控制模块用于分别控制四足移动机构(30)、球腿转换机构(31)和动量飞轮传动机构(32)的工作状态，以实现机器人的行走、翻滚、转向以及避障动作，所述控制模块包括开发板，所述开发板分别连接有通信单元、直流减速电机组、两组动量飞轮传动机构(32)、舵机组、四个电位器、电池单元、陀螺仪和摄像单元，所述直流减速电机组包括第一直流减速电机和第二直流减速电机，所述舵机组包括第一舵机和第二舵机，所述通信单元用于传输远程遥控数据信息；

所述第一直流减速电机用于输出动力给四足移动机构(30)，所述第二直流减速电机用于输出动力给动量飞轮传动机构(32)；

所述动量飞轮传动机构(32)的动量飞轮(27)用于驱动机器人发生球形滚动；

所述第一舵机用于驱动改变四足移动机构(30)的移动方向；

所述电位器用于检测四足移动机构(30)的收拢角度信息；

所述陀螺仪用于检测三方向位置信息以及加速度信息；

所述摄像单元用于拍摄当前地面地形图像信息；

所述球腿转换机构(31)设置有两组，以作为机器人的下半球，所述球腿转换机构(31)包括底座(15)，所述底座(15)上安装有根部关节(16)和立式安装座(17)，所述立式安装座(17)转动连接有第一下半球壳(18)，所述第一下半球壳(18)与第二下半球壳(19)转动连接，所述第二下半球壳(19)与第三连杆(20)转动连接，所述第三连杆(20)与铰链(21)转动连接，所述铰链(21)安装于底座(15)，所述根部关节(16)与第一舵机轴向连接，所述第一下半球壳(18)与第二下半球壳(19)之间通过第二舵机相连接；

所述动量飞轮传动机构(32)包括安装有第二直流减速电机的电机架(25)，所述第二直流减速电机的输出轴(12)连接有法兰联轴器(26)，所述法兰联轴器(26)与动量飞轮(27)连接，所述电机架(25)安装于底座(15)上；

所述仿生四足球腿复合机器人的工作方法包括以下步骤：

S1、通信单元接收外部的远程遥控指令，若接收的指令为四足行走，则执行步骤S2，若接收的指令为滚动，则执行步骤S4；

S2、开发板分别输出对应控制信号给第一直流减速电机、第一舵机、电位器和摄像单元，以控制四足移动机构以设定的步态进行移动行走，同时摄像单元实时采集当前地面地形图像、并发送给开发板进行分析；

S3、若开发板分析存在障碍物，则输出对应控制信号给第一舵机，以控制机器人转向、完成避障操作，否则继续控制四足移动机构以设定的步态进行移动行走；

S4、开发板分别输出对应控制信号给第二舵机、陀螺仪、动量飞轮传动机构、电位器和摄像单元，以控制四足移动机构收拢进入滚动模式，同时陀螺仪实时采集当前三方向位置信息以及加速度信息、并发送给开发板进行分析；

S5、若开发板分析存在不平整路面，则输出对应控制信号给第一直流减速电机、第一舵机，以控制机器人进入四足行走模式、控制四足移动机构以设定的步态进行移动行走；

所述滚动模式的具体工作过程为：

R1、开发板从电位器获取当前四足移动机构的收拢角度信息，以判断四足移动机构是否收起，若判断为是，则执行步骤R2，否则开发板输出控制信号给与球腿转换机构连接的第二舵机，使球腿转换机构闭合、四足移动机构收起，之后执行步骤R2；

R2、开发板输出控制信号给动量飞轮传动机构，通过控制动量飞轮的转速，使机器人执行滚动任务。

2.根据权利要求1所述的一种仿生四足球腿复合机器人，其特征在于，所述四足移动机构(30)设置有四组，以作为机器人的四条腿，所述四足移动机构(30)包括弧形的腿部结构(1)，所述腿部结构(1)分别转动连接有第一连杆(2)和第二连杆(6)，所述第一连杆(2)与机架(3)转动连接，所述机架(3)与第一直流减速电机相连接。

3.根据权利要求2所述的一种仿生四足球腿复合机器人，其特征在于，所述第一直流减速电机的输出轴(12)上套设有主动杆(5)，所述主动杆(5)与第二连杆(6)的端部转动连接，所述第二连杆(6)的中间位置转动连接有从动杆(7)，所述从动杆(7)与机架(3)转动连接。

4.根据权利要求3所述的一种仿生四足球腿复合机器人，其特征在于，所述第一连杆(2)与机架(3)的转动连接位置设置有垫片(13)、螺母(11)和塞打螺栓(14)，所述第二连杆(6)与主动杆(5)的转动连接位置、第二连杆(6)与从动杆(7)的转动连接位置均设置有塞打螺栓(14)、螺母(11)、垫圈(8)、法兰轴承(10)和推力球轴承(9)。

5.根据权利要求1所述的一种仿生四足球腿复合机器人，其特征在于，所述球形上盖(33)的下方连接安装有上盖支架(29)，所述上盖支架(29)与底座(15)相连接。

6.根据权利要求1所述的一种仿生四足球腿复合机器人，其特征在于，所述四足行走模式的具体工作过程为：

W1、开发板从电位器获取当前四足移动机构的收拢角度信息，以判断四足移动机构是否放下，若判断为是，则执行步骤W2，否则开发板输出控制信号给与球腿转换机构连接的第二舵机，使球腿转换机构收起、四足移动机构放下，之后执行步骤W2；

W2、开发板输出控制信号给第一直流减速电机，控制四足移动机构按照设定的步态进行移动行走，所述步态包括慢走步态和快走步态。