CN115583298A - 一种可变构型轮式机器人结构 - Google Patents
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Abstract
一种可变构型轮式机器人结构，属于机器人技术领域。用于提高机器人的越障能力。该机器人结构，包括躯体部分、支腿部分及配件部分；所述支腿部分安装在躯体部分上，且支腿部分采用由电机直驱的多自由度轮腿结构，为机器人提供跨越能力，所述配件部分安装在躯体部分上，为机器人提供获取信息和传输信息的能力。本发明的机器人同时具有较强的越障能力和较高的速度，支腿部分采用轮腿复合的结构，腿部运动能力可帮助机器人跨越障碍物,具有较强的地形适应能力。具有极强的变形能力，可根据不同的环境和需求，改变机器人的结构，可以使机器人体积变小从而有更小的阻力，可用于通过复杂不规则地形，也可以用于横向通过较宽的障碍物。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种可变构型轮式机器人结构。
背景技术
地面移动机器人按驱动形式一般可以分为轮式、足式、履带式等，随着物流仓储、抢险救灾、军事侦查、野外运输、工业巡检等领域的需求越来越广和功能要求越来越高，目前已有的地面移动机器人逐渐不能满足运动能力和障碍通过能力的需求。轮式机器人通过轮子在地面上的滚动产生运动，具有能量利用效率高、载重量大、运动速度快，高通行里程的优点，但是由于车轮半径以及车轮悬架系统的行程有限，难以越过较大的障碍物，往往局限于相对平坦的地形，在复杂的地形环境如楼梯、废墟、山地中，通行能力很差。履带式的机器人相比轮式机器人有更强的全地形适应能力，且结构稳定性较好，但是运动效率降低，爬高能力有限，通常设计成较大的尺寸。在2011年日本福岛核电站事故发生后，世界各国的机器人研究机构着手研制出各式各样的采用轮式、履带式的救援机器人，用于对事故现场进行勘探搜救，但是因为事故现场多为台阶、楼梯、沟槽等非结构化地形，轮式、履带式的救援机器人并没有展现出自身的性能优势。足式机器人因为具有时间、空间均离散的落足点，可以以非接触的方式越过尺寸与机器人腿长相近的障碍物，具有很强的地形适应能力。但是足式机器人能量效率低、速度慢且载荷较低，同时足式机器人自由度多，结构复杂，系统模型高度耦合，要实现精确的运动控制很困难，其实际表现还不能胜任复杂任务和复杂地形通过的需求，目前很少用于搜救、巡逻等应用场景中。
随着非结构化地形环境、高能量效率和高移动半径等机器人应用场景对机器人的性能提出了更高的要求，单纯的轮式和足式机器人由于自身固有的缺陷，均难以胜任复杂环境和复杂任务的要求。一种有吸引力的方案是在足式机器人末端加入轮子从而构成轮腿式机器人，轮腿式机器人结合了轮式机器人在平坦地面上能量效率高、速度快的优点，和足式机器人在复杂地形上的适应能力强的优点，可以在保有四足机器人的原有优势下，在较高速运动和特殊路面运动情况下发挥出新的优势，拓宽了机器人的应用场景和作业范围，近年来成为了国内外机器人学者的研究热点。四足轮腿式机器人的相关研究也是当前四足类机器人的研究热点。
目前，四足轮腿机器人的研究主要集中在腿部结构、控制算法、轨迹规划算法、SLAM等方面。早期的轮腿式机器人受硬件限制多采用大减速比的丝杠或连杆设计，整体结构较大，同时腿部运动缓慢，腿部自由度排布有所区别；而最新研制的轮腿式机器人一般由普通四足机器人发展而来，一般采用电机直接驱动，通常在驱动轮的布置上有所区别，并充分发挥轮腿复合的优势，在越障能力上具有较强的提升。
发明内容
本发明为了提高机器人的越障能力，进而提供一种可变构型轮式机器人结构。
本发明所采取的技术方案是：一种可变构型轮式机器人结构，包括躯体部分、支腿部分及配件部分；所述支腿部分安装在躯体部分上，且支腿部分采用由电机直驱的多自由度轮腿结构，为机器人提供跨越能力，所述配件部分安装在躯体部分上，为机器人提供获取信息和传输信息的能力。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明的机器人同时具有较强的越障能力和较高的速度，支腿部分采用轮腿复合的结构，同时结合了腿式底盘和轮式底盘的优点，腿部运动能力可帮助机器人跨越障碍物,具有较强的地形适应能力，相比于传统机械狗的越障方式，可以360度旋转的大腿小腿提供了更丰富的越障方式。
2.本发明的机器人具有极强的变形能力，可根据不同的环境和需求，改变机器人的结构，可以使机器人体积变小从而有更小的阻力，可用于通过复杂不规则地形，也可以用于横向通过较宽的障碍物。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明躯体部分结构示意图；
图3是本发明支腿部分结构示意图；
图4是本发明配件部分结构示意图；
图5是本发明轴测图；
图6是当本发明的机器人需要高速运动且地面比较平坦时，状态示意图；
图7是本发明腿部向后旋转抬起越障示意图；
图8是本发明变构型示意图(左轮式，右爬行动物)；
其中：1、躯体部分；2、支腿部分；3、配件部分；101、上部壳体板；102、端部壳体支撑板；103、中部壳体支撑板；104、下部壳体支撑板；105、下部壳体板；106、端部壳体；201、腿式电机；202、髋关节连接件；203、大腿连接件；204、关节保护垫；205、大腿；206、膝关节电机连接；207、膝关节电机保护垫；208、膝关节连接；209、小腿连接件；210、膝关节保护垫；211、小腿；212、小腿保护垫；213、驱动轮连接件；214、轮式电机；215、大轮毂；216、轮胎；217、小轮毂；2012、髋关节驱动电机；2013、膝关节驱动电机；301、双目相机；302、相机固定钣金件；303、激光雷达；304、保护架；305、图传天线固定件；306、图传天线。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的做进一步详细的描述。
参照图1～图5所示，本发明的一种可变构型轮式机器人结构，包括躯体部分1以及安装在躯体部分1上的支腿部分2和配件部分3。支腿部分采用由电机直驱的多自由度轮腿结构，为机器人提供跨越能力，配件部分3为机器人提供获取信息和传输信息的能力。
其中：如图1、图2所示，躯体部分1由支撑件和覆盖在支撑件的外部壳体组成；与普通的外壳结构相比，在保证强度的同时有较强的一体性和美观性，同时内部空间更大有利于内部布置控制器、电池、无线图传等模块。
支撑件包括中部壳体支撑板103、下部壳体支撑板104及两个端部壳体支撑板102；两个端部壳体支撑板102平行且对称设置在中部壳体支撑板103前后两侧，且中部壳体支撑板103和两个端部壳体支撑板102均垂直于下部壳体支撑板104，下部壳体支撑板104用于安装控制器、电池等其他部件，两个端部壳体支撑板102用于与支腿部分2连接。
外部壳体由上部壳体板101、下部壳体板105和两个端部壳体106从上下前后四个方向搭接而成，为具有内腔的壳体结构，支撑件设置在外部壳体的内腔内，作为骨架从内部支撑外部壳体，上部壳体板101用于连接各种激光雷达和天线，端部壳体106用于连接相机，端部壳体106和支撑件的端部壳体支撑板102之间留有足够空间保证支腿部分2运动不受到干涉。
上部壳体板101和下部壳体板105强度要求较低，可以采用2mm铝制钣金，也可采用碳纤维拼接制成，上部壳体板101和下部壳体板105两侧与端部壳体106连接处做切除变窄处理，保障髋关节驱动电机2012的运动空间。
为增加稳定性，中部壳体支撑板103和两个端部壳体支撑板102均设置为八边形结构，上部壳体板101和下部壳体板105同时弯折成与端部壳体支撑板102、中部壳体支撑板103的八边形配合的结构。
如图1所示，机器人包含四条支腿部分2，支腿部分2采用四自由度设计，即支腿髋关节处两个旋转自由度，两个自由度垂直布置，膝关节处一个旋转自由度，轮胎216一个旋转自由度，髋关节第二个自由度、膝关节自由度、轮胎216自由度平行布置，所有自由度均由电机直接驱动，选用高减速比电机，保证关节处大力矩的需求，保证各种动作时的稳定性，腿式结构驱动采用腿式电机201，轮式结构驱动采用轮式电机214。考虑到轮腿式机器人可变构型的需求，为保证机器人小腿可绕大腿完成一周旋转，两者运动互不干涉，使机器人的小腿211横向偏置安装在大腿205外侧，较传统的机器人采用小腿和大腿在同一长度方向中心线上的安装方式相比，机器人大腿小腿采用在横向上偏置布置，以获得更大的运动角度，极大提高支腿的灵活性，膝关节驱动不采用常用的连杆、履带的同轴方案，采用电机直接驱动，这样可以保证膝关节处各种角度的精准和快速定位，提高可变构型的能力。腿部连接采用矩形铝合金管，减少整机重量的同时方便隐藏各电机的走线。
为提高机器人在平坦地面的运动速度，降低运动能耗，在支腿的末端添加轮子组成轮腿结构，同时为轮子添加驱动，保证其独立运动能力，与普通四足机器人相比，在平坦地面的速度有极大提升，与不带驱动的轮腿式机器人相比，在斜坡上的运动能力有极大提升，由于轮子连接在腿部末端，普通设计的轮子的轮毂为居中对称设计，这种结构的轮子直接安装在末端导致偏置太大，造成整机体积过大，连接处扭矩过大的问题，采用偏心式的轮毂，将电机嵌入在轮胎216整体之中，提高电机和轮胎216的一体性。
如图3～5所示，支腿部分2的具体结构为：包括腿式电机201、髋关节驱动电机2012、大腿205、膝关节驱动电机2013、小腿211、轮式电机214、轮胎216及大轮毂215；
每个端部壳体支撑板102上均设置两个圆孔，四个腿式电机201分别插入四个圆孔内，实现腿式电机201与端部壳体支撑板102的连接，使腿式电机201连接固定在外部壳体上，
腿式电机201的输出端通过髋关节连接件202与髋关节驱动电机2012连接，髋关节驱动电机2012的输出端通过大腿连接件203与大腿205上端连接，大腿205下端通过膝关节电机连接206与膝关节驱动电机2013连接，膝关节驱动电机2013的输出端通过膝关节连接208与小腿连接件209连接，小腿连接件209通过小腿211与驱动轮连接件213，轮式电机214安装在驱动轮连接件213上，轮式电机214的输出端通过大轮毂215连接固定小轮毂217，大轮毂215和小轮毂217夹紧固定轮胎216，且使轮式电机214嵌入轮胎216内。
机器人腿部的关节布置全部采用偏置布置，与传统居中布置的腿部相比，机器人的关节运动时躯体与臂之间、臂与臂之间、臂与轮胎216之间都不会发生相互干扰，髋关节驱动电机2012和膝关节驱动电机2013驱动的旋转关节都可以完成360°的整圈旋转，腿部运动空间大，增加机器人的变构型能力和变构型方式，
为防止机器人在运动过程中与地面发生碰撞和刮蹭，在机器人支腿的重要位置添加高密度橡胶保护材料，如大腿205上设有关节保护垫204，膝关节驱动电机2013上设有膝关节电机保护垫207，小腿连接件209上设有膝关节保护垫210，小腿211上设有小腿保护垫212。
为隐藏和保护电机走线，将连接部件设计成中空同时做了开孔处理，包括大腿连接件203、大腿205、小腿211、驱动轮连接件213，整体走线由轮式电机214开始穿过驱动轮连接件213、小腿211、小腿连接件209、大腿205、大腿连接件203，最后由端部壳体支撑板102中间镂空处进入与与内部控制器相连。
本机器人同时具有较强的越障能力和较高的速度，轮腿复合的结构同时结合了腿式底盘和轮式底盘的优点，腿部运动能力可帮助机器人跨越障碍物,具有较强的地形适应能力，相比于传统机械狗的越障方式外，可以360度旋转的大腿205和小腿211提供了更丰富的越障方式，传统的腿部布置方案的单条支腿要越过较高障碍物时只能由前方抬起超过障碍物，同时当机器人与障碍物较近时，腿部抬起动作会与障碍物侧边冲突导致无法抬起，本机器人的360度全向旋转方案可以采用腿部向后旋转抬起的方式，(如图7所示)避免了腿部运动和障碍物冲突；同时，可以360度旋转的支腿部分2可以充当三自由度机械臂使用，(即支腿髋关节处两个旋转自由度，和膝关节处一个旋转自由度，)提高了机器人定点操作能力；轮式运动能力帮助机器人在平坦环境具有较高的运动速度，增强能量利用效率，获得更高的里程数。
本机器人的另一大优势是可变结构，根据不同的环境和需求，改变机器人的结构获得更好的效果，本机器人的电机布置方案使得腿部运动之间互不干扰，机器人具有极强的变形能力，利用变形能力改变机器人的整体构型。例如当机器人需要高速运动且地面比较平坦时，如图6所示，可将大腿205垂直向上，小腿211垂直向下平行布置，变成类似小车的结构，此时机器人底盘大幅降低，整体的重心降低后机器人有更强的稳定性，机器人体积变小从而有更小的阻力；也可以将大腿205与机器人机身平行布置，利用髋关节和膝关节的运动充当悬架缓冲作用，进一步提高轮式运动时的平稳性。如图8所示，增大前后腿的间距，变成类似爬行动物的结构，此时四足接触点构成的面积增大，机器人整体的稳定性尤其横向移动的稳定性得到很大提高，可用于通过复杂不规则地形，也可以用于横向通过较宽的障碍物。
配件部分3包括相机、激光雷达303、天线及传感器。
相机采用双目相机301，且双目相机301通过相机固定钣金件302连接在端部壳体106上，激光雷达303固定在上部壳体板101顶部，在激光雷达303外侧套装有保护架304，保护架304固定在上部壳体板101和端部壳体106上，天线采用图传天线306，且图传天线306通过图传天线固定件305夹紧安装在上部壳体板101的侧面，传感器安装在躯体部分1上。
整机配备有激光雷达303、双目相机301、传感器IMU、图传天线306，激光雷达303和双目相机301用于获取环境深度信息，可用于后续的SLAM和导航功能，双目相机301还可获取外部环境的图像信息，IMU可以获得机器人位姿和加速度信息，帮助机器人实现稳定运动控制，图传天线306用于将机器人和操作者之间的信息传输。操作者可以发布运动指令给机器人完成运动，机器人也可以分析传感器信息完成自主控制和导航。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (8)
1.一种可变构型轮式机器人结构，其特征在于：包括躯体部分(1)、支腿部分(2)及配件部分(3)；所述支腿部分(2)安装在躯体部分(1)上，且支腿部分(2)采用由电机直驱的多自由度轮腿结构，为机器人提供跨越能力，所述配件部分(3)安装在躯体部分(1)上，为机器人提供获取信息和传输信息的能力。
2.根据权利要求1所述的一种可变构型轮式机器人结构，其特征在于：所述躯体部分(1)由支撑件和覆盖在支撑件的外部壳体组成；所述支撑件包括中部壳体支撑板(103)、下部壳体支撑板(104)及两个端部壳体支撑板(102)；两个所述端部壳体支撑板(102)平行且对称设置在中部壳体支撑板(103)前后两侧，且中部壳体支撑板(103)和两个端部壳体支撑板(102)均垂直于下部壳体支撑板(104)，所述下部壳体支撑板(104)用于安装控制器、电池，两个端部壳体支撑板(102)用于与支腿部分(2)连接。
3.根据权利要求2所述的一种可变构型轮式机器人结构，其特征在于：所述外部壳体由上部壳体板(101)、下部壳体板(105)和两个端部壳体(106)从上下前后四个方向搭接而成，为具有内腔的壳体结构，所述支撑件设置在外部壳体的内腔内，作为骨架从内部支撑外部壳体，上部壳体板(101)用于连接激光雷达(303)和天线，所述端部壳体(106)用于连接相机，所述端部壳体(106)和支撑件的端部壳体支撑板(102)之间留有足够空间保证支腿部分(2)运动不受到干涉。
4.根据权利要求3所述的一种可变构型轮式机器人结构，其特征在于：所述中部壳体支撑板(103)和两个端部壳体支撑板(102)均设置为八边形结构，所述上部壳体板(101)和下部壳体板(105)弯折成与端部壳体支撑板(102)、中部壳体支撑板(103)的八边形配合的结构。
5.根据权利要求1所述的一种可变构型轮式机器人结构，其特征在于：所述支腿部分(2)的数量为四个，每个支腿部分(2)均包括腿式电机(201)、髋关节驱动电机(2012)、大腿(205)、膝关节驱动电机(2013)、小腿(211)、轮式电机(214)、轮胎(216)及大轮毂(215)；所述腿式电机(201)与端部壳体支撑板(102)连接，腿式电机(201)的输出端通过髋关节连接件(202)与髋关节驱动电机(2012)连接，所述髋关节驱动电机(2012)的输出端通过大腿连接件(203)与大腿(205)上端连接，所述大腿(205)下端通过膝关节电机连接(206)与膝关节驱动电机(2013)连接，所述膝关节驱动电机(2013)的输出端通过膝关节连接(208)与小腿连接件(209)连接，小腿连接件(209)通过小腿(211)与驱动轮连接件(213)，所述轮式电机(214)安装在驱动轮连接件(213)上，轮式电机(214)的输出端通过大轮毂(215)连接固定小轮毂(217)，所述大轮毂(215)和小轮毂(217)夹紧固定轮胎(216)，且使轮式电机(214)嵌入轮胎(216)内。
6.根据权利要求5所述的一种可变构型轮式机器人结构，其特征在于：所述腿式电机(201)和髋关节驱动电机(2012)的轴线垂直布置，所述髋关节驱动电机(2012)、膝关节驱动电机(2013)、轮式电机(214)的轴线平行布置。
7.根据权利要求6所述的一种可变构型轮式机器人结构，其特征在于：所述大腿(205)上设有关节保护垫(204)，所述膝关节驱动电机(2013)上设有膝关节电机保护垫(207)，所述小腿连接件(209)上设有膝关节保护垫(210)，所述小腿(211)上设有小腿保护垫(212)，关节保护垫(204)、膝关节电机保护垫(207)、膝关节保护垫(210)和小腿保护垫(212)具有防刮蹭防冲击的作用，采用高密度橡胶制成。
8.根据权利要求3所述的一种可变构型轮式机器人结构，其特征在于：所述配件部分(3)包括相机、激光雷达(303)、天线及传感器；所述相机采用双目相机(301)，且双目相机(301)通过相机固定钣金件(302)连接在端部壳体(106)上，所述激光雷达(303)固定在上部壳体板(101)顶部，在激光雷达(303)外侧套装有保护架(304)，所述保护架(304)固定在上部壳体板(101)和端部壳体(106)上，所述天线采用图传天线(306)，且图传天线(306)通过图传天线固定件(305)夹紧安装在上部壳体板(101)的侧面，所述传感器安装在躯体部分(1)上。
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