CN117549989A - 一种四足履带爬行机器人的工作方法 - Google Patents

一种四足履带爬行机器人的工作方法 Download PDF

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CN117549989A CN202310164630.1A CN202310164630A CN117549989A CN 117549989 A CN117549989 A CN 117549989A CN 202310164630 A CN202310164630 A CN 202310164630A CN 117549989 A CN117549989 A CN 117549989A
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connecting piece
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缪文南
王子林
张亚楠
王豪
朱彦晓
杜龙飞
严仲宇
叶天淇
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Abstract

本发明提供一种四足履带爬行机器人的工作方法，具体步骤包括：（1）预设行进路线；（2）选择不同的行进模式，开启行进指令，驱使机器人行进，包括履带行进模式和四足行进模式；本发明可以使得机器人实现履带行进模式和四足行进模式，并能够根据不同的地形切换不同的形态，使得机器人稳定行进且稳定性好。

Description

一种四足履带爬行机器人的工作方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种四足履带爬行机器人的工作方法。
背景技术
当前国内能够在复杂的地形下能够进行救援以及进行补给的机器人较少，轮式机器人和四足式机器人是其中的两种，其中轮式机器人主要有轮子或履带等结构驱动，其动力较为强劲，实用性广泛；而四足式机器人有更强的灵活性，但行进速度相对较慢，机器人的背部可以承载一定重量的物资，在一些自然灾害中可以为提供补给援助。
而中国专利申请号为201910320411.1，公布日为2019.06.25的专利文献，其公开了一种协同履带式的四足机器狗，包括躯干主体，分别连接在所述躯干主体四个端部的能够在平坦道路或复杂地形上行走且能够自行折叠及旋转的四个肢腿，以及通过电磁铁连接在所述躯干主体腹部、用于带动躯干主体和四个肢腿整体在平坦道路行走的履带小车，该发明采用较为简单的机械结构，机器狗模拟仿生犬类的行走姿态，以三点支撑的方式保持平衡，实现第四条腿的迈进，依次循环，达到前进，便于实现控制，灵活运动，能够适应较为复杂的地形环境，而在较为平坦的地形时，可以使四条腿分别以两个主关节为轴实现折叠翻转，四足机器人的重心降低，腹部的履带车着地，由履带车负载躯体运动，节省能源。
该专利文献的结构在复杂多变的地形环境时，通过四个肢腿模拟仿生犬类的行走姿态迈步前进；在较为平坦的地形时，其四个肢腿分别以两个主关节为轴实现折叠翻转，使得腹部的履带车着地，由履带车负载躯体运动，由此看出在多变的地形中，该结构的行进模式单一，难以应对多变的地形，难以兼顾机器人的行进顾速度与稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种四足履带爬行机器人的工作方法，可以使得机器人实现不同的行进模式，并能够根据不同的地形切换不同的形态，且稳定性好。
为达到上述目的，一种四足履带爬行机器人的工作方法，四足履带机器人包括躯体和腿部结构，所述腿部结构包括舵机驱动装置、第一限位连接组件、第二限位连接组件和履带驱动装置，所述舵机驱动装置通过舵机连接件设置在所述躯体的两侧，所述舵机驱动装置包括舵机一、U形连接件、舵机固定板和舵机二，所述舵机二的输出轴端通过连接外壳与所述履带驱动装置转动连接，所述U形连接件的一端与所述舵机一的输出轴端转动连接，所述U形连接件的另一端通过舵机固定板与所述舵机二固定连接，所述履带驱动装置通过连接外壳与所述舵机驱动装置转动连接；
具体步骤包括：
（1）预设行进路线；
（2）选择不同的行进模式，开启行进指令，驱使机器人行进，包括履带行进模式和四足行进模式；
（3）履带行进模式；
获取当前行进路线前方路况，然后控制模块根据当前行进路线前方路况控制舵机一和舵机二转动，改变躯体与地面的相对高度，停止舵机一和舵机二驱动，然后以改变后躯体与地面的相对高度驱动履带使机器人行进；
（4）四足行进模式；
（4.1）传感器实时监测机器人是否偏离路线，包括（4.1.1）-（4.1.2）；
（4.1.1）陀螺仪实时检测加速度，获取加速度的大小和方向；
（4.1.2）判别加速度出现偏移现象或加速度方向与预设行进路线的方向不在同一水平线上，则识别为机器人偏离了预设的行进路线；
（4.2）若识别到机器人偏离了预设的行进路线，陀螺仪记录当前状态加速度的大小和方向，并将数据传送给控制模块；
（4.3）控制模块发出修正指令；
（4.4）检测舵机一和舵机二的状态，并修正机器人的路线；（4.4）具体包括（4.4.1）-（4.4.3）；
（4.4.1）建立XYZ空间坐标系，根据小腿长度、大腿长度、小腿与大腿之间的连接长度以及足端坐标计算舵机一转角和舵机二转角；
（4.4.2）将舵机一转角和舵机二转角以及Trot步态算法，进而转换为舵机一和舵机二的修正角度，同时舵机一和舵机二在向修正角度转动时，在行进的前t/4处于加速状态，在行进中的t/2处于匀速状态，在行进的后t/4处于减速状态，t为Trot步态算法中预设的一个步态周期，完成平衡控制下的行进姿态调整，实现修正路线；
（4.4.3）当通过舵机一和舵机二转角与Trot步态算法结合调整行进姿态时，若检测到机器人前方具有障碍物，确定腿部结构的力矩的大小，若腿部结构的力矩大于最高堵转力矩，则退出Trot步态算法调整行进姿态或使得腿部结构切换到Trot行走周期中的摆动项。
以上设置，通过设置舵机连接件将舵机驱动安装连接在躯体的两侧，能够通过腿部结构带动躯体行进；在舵机一与舵机二之间设置U形连接件，通过U形连接件将舵机一和舵机二转动连接，从而能够通过舵机一带动舵机二进行转动；而舵机驱动装置通过连接外壳与履带驱动装置连接，进而通过舵机二转动带动履带驱动实现仿生步态行进，并且可以灵活地转换成履带驱动选用履带行进模式时，保持履带与地面紧贴，同时根据当前行进路线前方路况，通过控制舵机一和舵机二转动，从而调节机器人躯体与地面的相对高度，使得机器人翻越障碍物；选用四足行进模式时，根据腿部的长度以及足端的坐标确定大腿的驱动舵机二以及大腿与小腿之间驱动舵机一的转动角度，然后根据转动角度确定期待的姿势，并通过Trot算法得到之后的姿势修正，这样能在根据不同的机器人之后无需对机器人的转动角度的设置进行逐一设置，通用性强，另外通过确定舵机一和舵机二的转动角度之后可以确定为了实现足端坐标下确保在行进路线下进行行进方向的调整，然后结合Trot算法进行姿态调整，从而使得姿态调整更加可靠有效，另外由于在遇到障碍物时，通过计算腿部结构的力矩是否超出预设值，在超出预设值之后将不再进行步态调整或使得腿部结构切换到Trot行走周期中的摆动项，这样使得超负荷的腿部结构不再受到过多的支撑力的冲击从而损坏机器人，可靠性高。
进一步的，所述躯体上设置有控制模块；在所述躯体的顶部设置有用于识别和检测前方的行进路况的摄像头，摄像头与控制模块电连接；所述履带驱动装置包括履带、履带固定件和驱动电机，所述履带固定件设置在所述履带上并设有通孔，所述驱动电机的输出端穿过通孔与所述履带转动连接，用于驱动所述履带转动；
步骤（3）中具体还包括根据不同当前行进路线前方路况，切换不同的姿态，使机器人的躯体与地面的相对高度不同，包括：
当处于容易侧翻的地形时，切换为A姿态，A姿态为：U形连接件与躯体之间的夹角小于90°，机器人的重心降到最低，躯体与地面的相对高度最小；
当处于颠簸且需要高速行进的地形，切换为B姿态，B姿态为：U形连接件与躯体之间的夹角为90°；
当处于丛生植物覆盖的地形，切换为C姿态，C姿态为：U形连接件与躯体之间的夹角为91°~179°；
当处于低洼易陷地形，切换为D姿态，D姿态为：U形连接件与躯体之间的夹角为180°，躯体与地面的相对高度最大；
步骤（4.4.1）中具体还包括以机器人右侧方向为Z轴方向，以机器人后侧方向为Y轴方向，以垂直Y轴和Z轴所在平面的方向为X轴方向，建立XYZ空间坐标系，在XOY坐标系中，设置小腿长度为I1，大腿长度为I2，小腿与大腿之间的连接长度为，预设足端坐标为（x，y），舵机二转角/>通过公式（1）得到；
（1）；
舵机一转角θ4通过公式（2）得到；
（2）。
以上设置，通过在躯体上设置控制模块、传感器，能够通过传感器识别和检测机器人行进的路况，并将路况数据传输给控制模块，从而控制模块通过路况数据分析，进而控制舵机驱动和履带驱动，舵机驱动装置通过连接外壳与履带驱动装置转动连接，进而通过舵机二转动带动履带驱动装置实现仿生步态行进，能够使得履带驱动与舵机驱动之间灵活转换，另外驱动履带行进时，通过控制舵机转动，能够调节机器人躯体与地面的相对高度，实现机器人在不同地形中稳定行进。
进一步的，所述舵机固定板包括第一舵机固定板和第二舵机固定板；所述舵机连接件上设有通孔，所述舵机连接件的一端与所述躯体连接，所述舵机连接件的另一端通过舵机固定板与所述舵机一固定连接；
步骤（4.4.3）中具体还包括通过判断腿部结构的力矩大小，实现平衡行进姿态调整，包括：
S1、通过腿部结构建立动力学模型，在XYZ空间坐标系中，根据空间坐标的惯性矩阵、耦合矩阵、速度以及加速度通过动力学方程，计算得到小腿的力矩和大腿的力矩/>；
S2、将小腿的力矩和大腿的力矩/>中至少一个大于舵机的最高堵转力矩进行比较，控制模块控制腿部结构的舵机一和舵机二停止转动，则退出Trot步态算法调整行进姿态或使得腿部结构切换到Trot行走周期中的摆动项。以上设置，通过在躯体与腿部结构之间设置舵机连接件，从而使得躯体与腿部结构连接形成整体，保证了机器人能够在舵机驱动和履带驱动之间灵活转换，从而实现机器人稳定高效行进，同时通过动力学方程计算出大腿和小腿的力矩从而防止腿部结构超负荷而损坏机器人。
进一步的，所述U形连接件上设置有通孔，所述U形连接件的一端与所述舵机一的输出轴端转动连接，所述U形连接件的另一端通过舵机固定板与所述舵机二固定连接。
以上设置，通过在舵机一和舵机二之间设置U形连接件，能够将舵机一和舵机二连接，同时使得舵机一能够带动舵机二进行转动，从而使得腿部结构实现仿生步态行进。
进一步的，所述舵机二的输出轴端与第二舵盘转动连接，所述连接外壳的一端与第二舵盘连接，所述连接外壳的另一端与履带固定件连接。
以上设置，通过在舵机二和履带固定件之间设置外壳连接件，使得舵机二通过外壳连接件与履带固定件连接，从而实现舵机驱动与履带驱动进行连接。
进一步的，所述第二舵盘与所述第二连接杆的一端连接，所述第二连接杆的另一端与所述第二限位环的一端连接，所述第二限位环的另一端套接在第二凸块上。
以上设置，通过第二连接杆与第二舵盘连接，在只有履带驱动行进时，可以限制舵机二转动角度过大，从而限制机器人行进过程中躯体下降的高度。
进一步的，所述第一限位连接组件包括第一连接杆、第一限位环、第一圆盘，所述第一圆盘通过横杆与所述舵机固定板固定连接，所述第一圆盘上设有第一凸块，所述第一限位环套接在第一凸块上，第一限位环的一端与第一连接杆的一端相连，所述第一连接杆的另一端与所述U形连接件连接，所述第二限位连接组件包括第二连接杆、第二限位环、第二圆盘，所述第二圆盘通过横杆与所述舵机固定板固定连接，所述第二圆盘上设有第二凸块，所述第二限位环套接在第二凸块上，第二限位环的一端与第二连接杆的一端相连，所述第二连接杆的另一端与第二舵盘连接，所述舵机二的输出轴端通过连接外壳与所述履带驱动装置转动连接。
以上设置，当需要通过四足进行行走时，通过驱动舵机一和舵机二进行工作从而腿部姿态之间切换进而实现四足进行行走，当需要通过履带进行行进时，舵机驱动装置静止，同时保持履带与地面紧贴，由于第一限位连接组件中第一连接杆的另一端与U形连接件相连，第一连接杆的一端与第一限位环套接，第二限位连接组件具有相同结构设置，从而使得履带与底面相贴合时，受到底面向上的力时，第一凸块和第二凸块分别在第一限位环以及第二限位环移动到最顶端，从而防止躯体受到地面瞬间冲击力进而使得躯体向上运动过大从而使得躯体与U形连接件之间容易出现损坏的情况，同时当行驶到突然变高的地面时，第一凸块和第二凸块分别在第一限位环和第二限位环内移动到最低端，从而使得防止躯体受到地面高处影响使得躯体向下移动过低从而导致躯体与U形连接件之间损坏，仅通过一套腿部结构即可实现履带行走也可以实现四足行走，结构简单，且可靠性好。
进一步的，所述U形连接件靠近所述舵机一输出轴端的一端与所述第一连接杆的一端固定连接，舵机一的输出轴端通过第一舵机与U形连接件转动连接，所述第一连接杆的另一端与所述第一限位环的一端连接，所述第一限位环的另一端套接在第一凸块上。
以上设置，通过第一连接杆与U形连接件连接，在只有履带驱动行进时，可以限制舵机一转动角度过大，从而限制机器人行进过程中躯体下降的高度。
进一步的，第二连接件包括第二一连接杆和第二二连接杆，第二一连接杆的一端与第二限位环铰接，第二一连接杆的另一端与第二二连接杆的一端固定连接，第二二连接杆的另一端设置有第二弧形杆，第二弧形杆与第二舵盘的外周壁相贴，第二弧形杆固定在设置连接外壳上，第二一连接杆的另一端与第二二连接杆一端具有夹角。
以上设置，通过将第二二连接杆的另一端设置为第二弧形杆，然后第二弧形杆与第二舵盘的外周壁相贴，从而第二弧形杆既不会影响第二舵盘的转动，同时也能与外接外壳相连，通过第二一连接杆与第二二连接杆之间的夹角设置，使得第二凸块在第二限位环内移动更加可靠，结构简单且可靠。
进一步的，第一连接件包括第一一连接杆和第一二连接杆，第一一连接杆的一端与第一限位环铰接，第一一连接杆的另一端与第一二连接杆的一端固定连接，第一二连接杆的另一端设置有第一弧形杆，第一弧形杆与第一舵盘的外周壁相贴，第一弧形杆固定在设置U形连接件上，第一一连接杆的另一端与第一二连接杆一端具有夹角。
以上设置，通过将第一二连接杆的另一端设置为第一弧形杆，然后第一弧形杆与第一舵盘的外周壁相贴，从而第一弧形杆既不会影响第一舵盘的转动，同时也能与U形连接件相连，通过第一一连接杆与第一二连接杆之间的夹角设置，使得第一凸块在第一限位环套内移动更加可靠，结构简单且可靠。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明另一视角的整体结构示意图。
图3为本发明的腿部结构爆炸图。
图4为本发明的限位连接组件、U型连接件以及舵盘连接示意图。
图5为本发明在XYZ坐标系中计算舵机一和舵机二转角的示意图。
图6为本发明的方法步骤流程图。
图7为本发明的Trot步态算法中一个步态周期内的示意图。
图8为本发明的履带模式A姿态示意图。
图9为本发明的履带模式B姿态示意图。
图10为本发明的履带模式C姿态示意图。
图11为本发明的履带模式D姿态示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
如图1至图11所示，一种四足履带机器人包括躯体1和腿部结构2，躯体1上设置有控制模块12，用于协调控制机器人；在躯体1的顶部设置有摄像头13，用于识别和检测前方的行进路况，并将路况数据传输给控制模块12，从而使得控制模块12根据路况数据控制腿部结构2，实现机器人行进，本申请中，控制模块12为现有技术在此不再累述；本结构中腿部结构2具有四个，分别在躯体1的两侧的四个位置，腿部结构2包括舵机驱动装置、第一限位连接组件21、第二限位连接组件22和履带驱动装置，舵机驱动装置包括舵机一201、U形连接件202、舵机固定板和舵机二203，其中舵机固定板包括第一舵机固定板40和第二舵机固定板41，第一限位连接组件21包括第一连接杆211、第一限位环212、第一圆盘213，第二限位连接组件22包括第二连接杆221、第二限位环222、第二圆盘223，履带驱动装置包括履带24、履带固定件25和驱动电机26。
本实施例中，如图3所示，舵机驱动装置还包括舵机连接件3，舵机连接件3上设有通孔，舵机连接件3的一端通过螺栓穿过通孔与躯体1固定连接，舵机连接件3的另一端通过螺栓穿过通孔与第一舵机固定板40固定连接，同时舵机一21安装在第一舵机固定板40上，舵机一201的输出轴端与U形连接件202的一端转动连接，本实施例中，舵机一201的输出轴端通过第一舵盘与U形连接件转动连接，而U形连接件202的另一端通过螺栓穿过通孔与第二舵机固定板41固定连接，同时舵机二203安装在第二舵机固定板41上，使得舵机一201和舵机二203通过U形连接件202进行连接，舵机一201通过第一舵机固定板40固定在躯体1上，然后通过舵机一201的输出端使得U形连接件202相对于舵机一201转动，从而实现舵机一201带动舵机二203进行转动，从而使得腿部结构2实现仿生步态行进。
本实施例中，如图3所示，第一圆盘213通过横杆4与第一舵机固定板40固定连接，第一凸块214设置在第一圆盘213上，第一限位环212套接在第一凸块214上，第一限位环212的另一端与第一连接杆211的一端铰接，第一连接杆211的另一端与U形连接件202靠近舵机一201输出轴端的一端固定连接，使得U形连接件202相对于舵机一201转动，进而带动第一连接杆211转动，从而实现第一限位环212绕着第一凸块214转动，同时形成滑动连接；
第二圆盘223通过横杆4与第二舵机固定板41固定连接，第二凸块224设置在第二圆盘223上，第二限位环222套接在第二凸块224上，第二限位环222的另一端与第二连接杆221的一端铰接，第二连接杆221另一端与第二舵盘6固定连接，同时第二舵盘6安装在连接外壳7上，本实施例中，第二连接外壳7的上端设置有缺口（图中未示意出），第二舵盘6设置在缺口内，且舵机二203的输出轴端与第二舵盘6转动连接，同时第二舵盘6与连接外壳7的一端转动连接，使得履带驱动装置相对于舵机二203进行转动，进而带动第二连接杆221转动，连接外壳7的另一端与履带固定件25固定连接，履带固定件25设置在履带24上并设有通孔，驱动电机26的输出端穿过通孔与履带24转动连接，用于驱动履带24转动；通过在舵机二203和履带固定件25之间设置连接外壳7，使得舵机二203通过连接外壳7与履带固定件25连接，从而实现舵机驱动与履带驱动进行连接，使得机器人能够实现仿生步态行进与履带驱动行进灵活转换，从而实现机器人稳定高效行进。
如图4所示，第二连接件221包括第二一连接杆2211和第二二连接杆2212，第二一连接杆2211的一端与第二限位环222铰接，第二一连接杆2211的另一端与第二二连接杆2212的一端固定连接，第二二连接杆2212的另一端设置有第二弧形杆2213，第二弧形杆2213与第二舵盘6的外周壁相贴，第二弧形杆2213固定在设置连接外壳上7，本实施例中，第二二连接杆2212上设置有固定孔，通过螺钉穿过固定孔将第二二连接杆2212固定在连接外壳7上，第二一连接杆2211的另一端与第二二连接杆2212一端具有夹角；通过将第二二连接杆2212的另一端设置为第二弧形杆2213，然后第二弧形杆2213与第二舵盘6的外周壁相贴，从而第二弧形2213杆既不会影响第二舵盘6的转动，同时也能与连接外壳7相连，通过第二一连接杆2211与第二二连接杆2212之间的夹角设置，使得第二凸块221在第二限位环222内移动更加可靠，结构简单且可靠。
如图4所示，第一连接件211包括第一一连接杆2111和第一二连接杆2112，第一一连接杆211的一端与第一限位环212铰接，第一一连接杆2111的另一端与第一二连接杆2112的一端固定连接，第一二连接杆2112的另一端设置有第一弧形杆2113，第一弧形杆2113与第一舵盘8的外周壁相贴，第一弧形杆2113固定在设置U形连接件202上，第一一连接杆211的另一端与第一二连接杆2112一端具有夹角；通过将第一二连接杆2112的另一端设置为第一弧形杆2113，然后第一弧形杆2113与第一舵盘8的外周壁相贴，从而第一弧形杆2113既不会影响第一舵盘8的转动，同时也能与U形连接件202相连，通过第一一连接杆2111与第一二连接杆2112之间的夹角设置，使得第一凸块214在第一限位环212内移动更加可靠，结构简单且可靠。
如图6所示，一种四足履带爬行机器人的工作方法，具体步骤包括：
（1）预设行进路线。
（2）选择不同的行进模式，开启行进指令，驱使机器人行进，包括履带行进模式和四足行进模式。
（3）履带行进模式；
获取当前行进路线前方路况，然后控制模块根据当前行进路线前方路况控制舵机一和舵机二转动，改变躯体与地面的相对高度，停止舵机一和舵机二驱动，然后以改变后躯体与地面的相对高度驱动履带使机器人行进；
本实施例中，（3）具体包括：根据不同当前行进路线前方路况，切换不同的姿态，使机器人的躯体与地面的相对高度不同，包括：
如图8所示，当处于容易侧翻的地形时，比如通过摄像头获取行进路线前方环境图片，控制模块然后对图片识别出前方是否有台阶或峭壁等容易侧翻的地形，若有则切换为A姿态，A姿态为：U形连接件与躯体之间的夹角小于90°，机器人的重心降到最低，躯体与地面的相对高度最小；加大提升机体稳定性，防止侧翻。
如图9所示，当处于颠簸且需要高速行进的地形，比如通过摄像头获取行进路线前方环境图片，控制模块然后对图片识别出前方是否有颠簸的地形，如有则切换为B姿态，B姿态为：U形连接件与躯体之间的夹角为90°；兼顾低重心、不宜侧翻的同时，U形连接件可开启阻尼模式，在面对颠簸起伏的地形时，可起到类似弹簧一样的减震作用。
如图10所示，当处于丛生植物覆盖的地形，比如通过摄像头获取行进路线前方环境图片，控制模块然后对图片识别出前方是否有草丛、灌木等丛生植物覆盖地形，如有则切换为C姿态，C姿态为：U形连接件与躯体之间的夹角为91°~179°；将机身抬高，减少与草丛灌木接触，减少阻力，提高行进速度。
如图11所示，当处于低洼易陷地形，比如通过摄像头获取行进路线前方环境图片，控制模块然后对图片识别出前方是否有沼泽等低洼易陷的地形，如有则切换为D姿态，D姿态为：U形连接件与躯体之间的夹角为180°，躯体与地面的相对高度最大，避免机体卡住、陷入沟壑，同时将整机传感器阵列提升至高位，增强机体侦测侦察能力。以上实施例中，摄像头获取前方环境图片之后控制模块进行图片识别技术为现有技术在此不再累述。
（4）四足行进模式；
（4.1）传感器实时监测机器人是否怕偏离路线，包括（4.1.1）-（4.1.2）。
（4.1.1）陀螺仪实时检测加速度，获取加速度的大小和方向；
（4.1.2）判别加速度出现偏移现象或加速度方向与预设行进路线的方向不在同一水平线上，则识别为机器人偏离了预设的行进路线；
（4.2）陀螺仪记录当前状态加速度的大小和方向，并将数据传送给控制模块。
（4.3）控制模块发出修正指令。
（4.4）检测驱动舵机的状态，并修正机器人的路线，具体包括（4.4.1）-（4.4.3）；
（4.4.1）以机器人右侧方向为Z轴方向，以机器人后侧方向为Y轴方向，以垂直Y轴和Z轴所在平面的方向为X轴方向，建立XYZ空间坐标系，在XOY坐标系中，设置小腿长度为I1，大腿长度为I2，小腿与大腿之间的连接长度为，预设足端坐标为（x，y），有
，
根据余弦定理有：
，
可以得到舵机二转角
；
接着计算小腿与大腿之间连接直线与小腿之间的角度，该公式依然通过余弦定理得到：
，
而对于小腿与大腿连接直线的转角，
；
则有
，
计算得出
；
其中，舵机一转角为θ4，舵机二转角为θ5；
（4.4.2）将舵机一转角和舵机二转角作为参数加入Trot步态算法的空间坐标中，进而转换为舵机的修正角度，同时舵机在向修正角度转动时，在行进的前t/4处于加速状态，在行进中的t/2处于匀速状态，在行进的后t/4处于减速状态，t为Trot步态算法中预设的一个步态周期，完成平衡控制下的行进姿态调整，实现修正路线；本实施例中，t/4处于加速状态可以通过（4.2）陀螺仪记录当前状态加速度的大小实现，同时参看图7所示，Trot步态算法是步态周期t内调整各个腿部运动上的姿态，比如在前t/4周期时，需要右后腿向前移动，左前腿向上移动，从而可以确定右后腿以及左前腿上舵机一和舵机二的转动角度之后的预期姿态，然后根据Trot步态算法进行调整，同时舵机一和舵机二进行加速转动从而使得姿态进行调整的同时也实现偏航路线的调整，前t/4进行加速转动能使得偏航路线能尽快进行调整确保调整的可靠性；
（4.4.3）当通过舵机一和舵机二转角与Trot步态算法结合调整行进姿态时，若检测到机器人前方具有障碍物，确定腿部结构的力矩的大小，若腿部结构的力矩大于最高堵转力矩，则退出Trot步态算法调整行进姿态或使得腿部结构切换到Trot行走周期中的摆动项，本实施例中障碍物的检测可以通过摄像头获取前方路况的图片之后并进行识别，若物品超过一定大小则识别为障碍物，具体包括：
S1、通过腿部结构建立动力学模型，在XYZ空间坐标系中，根据空间坐标的惯性矩阵、耦合矩阵、速度、重力载荷以及加速度通过动力学方程，计算得到小腿的力矩和大腿的力矩/>，本实施例中，通过使用matlab插件Robotic toolbox可以求出对应力矩值，首先，计算重力荷载采用gravload()函数，其次，使用inertia()计算惯性矩阵M(x)之后，使用criolis()函数计算关节之间的耦合矩阵W(x,v)，最后使用payload()函数计算重力荷载G(x)，最后，使用inertia()函数求出的惯性矩阵，并用nofriction()函数求解速度v，然后根据陀螺仪测量到的加速度a，然后通过以下动力学方程计算出驱动力矩/>，/>=M（x）*a+W（x,v）+G（x），其中x表示的是关节位置，比如是大腿还是小腿；
S2、将小腿的力矩和大腿的力矩/>中至少一个大于舵机的最高堵转力矩进行比较，控制模块控制腿部结构的舵机一和舵机二停止转动，则退出Trot步态算法调整行进姿态或使得腿部结构切换到Trot行走周期中的摆动项。本实施例中，最高堵转力矩是预设好的，为/>。
本发明通过设置舵机连接件将舵机驱动安装连接在躯体的两侧，能够通过腿部结构带动躯体行进；在舵机一与舵机二之间设置U形连接件，通过U形连接件将舵机一和舵机二转动连接，从而能够通过舵机一带动舵机二进行转动；而舵机驱动装置通过连接外壳与履带驱动装置连接，进而通过舵机二转动带动履带驱动实现仿生步态行进，并且可以灵活地转换成履带驱动选用履带行进模式时，保持履带与地面紧贴，同时根据当前行进路线前方路况，通过控制舵机一和舵机二转动，从而调节机器人躯体与地面的相对高度，使得机器人翻越障碍物；选用四足行进模式时，根据腿部的长度以及足端的坐标确定大腿的驱动舵机二以及大腿与小腿之间驱动舵机一的转动角度，然后根据转动角度确定期待的姿势，并通过Trot算法得到之后的姿势修正，这样能在根据不同的机器人之后无需对机器人的转动角度的设置进行逐一设置，通用性强，另外通过确定舵机一和舵机二的转动角度之后可以确定为了实现足端坐标下确保在行进路线下进行行进方向的调整，然后结合Trot算法进行姿态调整，从而使得姿态调整更加可靠有效，另外由于在遇到障碍物时，通过计算腿部结构的力矩是否超出预设值，在超出预设值之后将不再进行步态调整或使得腿部结构切换到Trot行走周期中的摆动项，这样使得超负荷的腿部结构不再受到过多的支撑力的冲击从而损坏机器人，可靠性高。

Claims (10)

1.一种四足履带爬行机器人的工作方法，包括躯体和腿部结构，其特征在于：所述腿部结构包括舵机驱动装置、第一限位连接组件、第二限位连接组件和履带驱动装置，所述舵机驱动装置通过舵机连接件设置在所述躯体的两侧，所述舵机驱动装置包括舵机一、U形连接件、舵机固定板和舵机二，所述舵机二的输出轴端通过连接外壳与所述履带驱动装置转动连接，所述U形连接件的一端与所述舵机一的输出轴端转动连接，所述U形连接件的另一端通过舵机固定板与所述舵机二固定连接，所述履带驱动装置通过连接外壳与所述舵机驱动装置转动连接；
具体步骤包括：
（1）预设行进路线；
（2）选择不同的行进模式，包括履带行进模式和四足行进模式；
（3）履带模式；获取当前行进路线前方路况，然后控制模块根据当前行进路线前方路况控制舵机一和舵机二转动，改变躯体与地面的相对高度，停止舵机一和舵机二驱动，然后以改变后躯体与地面的相对高度驱动履带使机器人行进；
（4）四足行进模式；
（4.1）传感器实时监测机器人是否偏离路线，包括（4.1.1）-（4.1.2）；
（4.1.1）陀螺仪实时检测加速度，获取加速度的大小和方向；
（4.1.2）判别加速度出现偏移现象或加速度方向与预设行进路线的方向不在同一水平线上，则识别为机器人偏离了预设的行进路线；
（4.2）若识别到机器人偏离了预设的行进路线，陀螺仪记录当前状态加速度的大小和方向，并将数据传送给控制模块；
（4.3）控制模块发出修正指令；
（4.4）检测舵机一和舵机二的状态，并修正机器人的路线；（4.4）具体包括（4.4.1）-（4.4.3）；
（4.4.1）建立XYZ空间坐标系，根据小腿长度、大腿长度、小腿与大腿之间的连接长度以及足端坐标计算舵机一转角和舵机二转角；
（4.4.2）将舵机一转角和舵机二转角以及Trot步态算法，进而转换为舵机一和舵机二的修正角度，同时舵机一和舵机二在向修正角度转动时，在行进的前t/4处于加速状态，在行进中的t/2处于匀速状态，在行进的后t/4处于减速状态，t为Trot步态算法中预设的一个步态周期，完成平衡控制下的行进姿态调整，实现修正路线；
（4.4.3）当通过舵机一和舵机二转角与Trot步态算法结合调整行进姿态时，若检测到机器人前方具有障碍物，确定腿部结构的力矩的大小，若腿部结构的力矩大于最高堵转力矩，则退出Trot步态算法调整行进姿态或使得腿部结构切换到Trot行走周期中的摆动项。
2.根据权利要求1所述的一种四足履带爬行机器人的工作方法，其特征在于：所述躯体上设置有控制模块；在所述躯体的顶部设置有用于识别和检测前方的行进路况的摄像头，摄像头与控制模块电连接；所述履带驱动装置包括履带、履带固定件和驱动电机，所述履带固定件设置在所述履带上并设有通孔，所述驱动电机的输出端穿过通孔与所述履带转动连接，用于驱动所述履带转动；
步骤（3）中具体还包括根据不同当前行进路线前方路况，切换不同的姿态，使机器人的躯体与地面的相对高度不同，包括：
当处于容易侧翻的地形时，切换为A姿态，A姿态为：U形连接件与躯体之间的夹角小于90°，机器人的重心降到最低，躯体与地面的相对高度最小；
当处于颠簸且需要高速行进的地形，切换为B姿态，B姿态为：U形连接件与躯体之间的夹角为90°；
当处于丛生植物覆盖的地形，切换为C姿态，C姿态为：U形连接件与躯体之间的夹角为91°~179°；
当处于低洼易陷地形，切换为D姿态，D姿态为：U形连接件与躯体之间的夹角为180°，躯体与地面的相对高度最大；
步骤（4.4.1）中具体还包括以机器人右侧方向为Z轴方向，以机器人后侧方向为Y轴方向，以垂直Y轴和Z轴所在平面的方向为X轴方向，建立XYZ空间坐标系，在XOY坐标系中，设置小腿长度为I1，大腿长度为I2，小腿与大腿之间的连接长度为，预设足端坐标为（x，y），舵机二转角/>通过公式（1）得到；
（1）；
舵机一转角θ4通过公式（2）得到；
（2）。
3.根据权利要求1所述的一种四足履带爬行机器人的工作方法，其特征在于：所述舵机固定板包括第一舵机固定板和第二舵机固定板；所述舵机连接件上设有通孔，所述舵机连接件的一端与所述躯体连接，所述舵机连接件的另一端通过舵机固定板与所述舵机一固定连接；
步骤（4.4.3）中具体还包括通过判断腿部结构的力矩大小，实现平衡行进姿态调整，包括：
S1、通过腿部结构建立动力学模型，在XYZ空间坐标系中，根据空间坐标的惯性矩阵、耦合矩阵、速度以及加速度通过动力学方程，计算得到小腿的力矩和大腿的力矩/>；
S2、将小腿的力矩和大腿的力矩/>中至少一个大于舵机的最高堵转力矩进行比较，控制模块控制腿部结构的舵机一和舵机二停止转动，则退出Trot步态算法调整行进姿态或使得腿部结构切换到Trot行走周期中的摆动项。
4.根据权利要求1所述的一种四足履带爬行机器人的工作方法，其特征在于：所述U形连接件上设置有通孔，所述U形连接件的一端与所述舵机一的输出轴端转动连接，所述U形连接件的另一端通过舵机固定板与所述舵机二固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种四足履带爬行机器人的工作方法，其特征在于：所述舵机二的输出轴端与第二舵盘转动连接，所述连接外壳的一端与第二舵盘连接，所述连接外壳的另一端与履带固定件连接。
6.根据权利要求4所述的一种四足履带爬行机器人的工作方法，其特征在于：所述第二舵盘与所述第二连接杆的一端连接，所述第二连接杆的另一端与所述第二限位环的一端连接，所述第二限位环的另一端套接在第二凸块上。
7.根据权利要求1所述的一种四足履带爬行机器人的工作方法，其特征在于：所述第一限位连接组件包括第一连接杆、第一限位环、第一圆盘，所述第一圆盘通过横杆与所述舵机固定板固定连接，所述第一圆盘上设有第一凸块，所述第一限位环套接在第一凸块上，第一限位环的一端与第一连接杆的一端相连，所述第一连接杆的另一端与所述U形连接件连接，所述第二限位连接组件包括第二连接杆、第二限位环、第二圆盘，所述第二圆盘通过横杆与所述舵机固定板固定连接，所述第二圆盘上设有第二凸块，所述第二限位环套接在第二凸块上，第二限位环的一端与第二连接杆的一端相连，所述第二连接杆的另一端与第二舵盘连接，所述舵机二的输出轴端通过连接外壳与所述履带驱动装置转动连接。
8.根据权利要求4所述的一种四足履带爬行机器人的工作方法，其特征在于：所述U形连接件靠近所述舵机一输出轴端的一端与所述第一连接杆的一端固定连接，舵机一的输出轴端通过第一舵机与U形连接件转动连接，所述第一连接杆的另一端与所述第一限位环的一端连接，所述第一限位环的另一端套接在第一凸块上。
9.根据权利要求7所述的一种四足履带爬行机器人的工作方法，其特征在于：第二连接件包括第二一连接杆和第二二连接杆，第二一连接杆的一端与第二限位环铰接，第二一连接杆的另一端与第二二连接杆的一端固定连接，第二二连接杆的另一端设置有第二弧形杆，第二弧形杆与第二舵盘的外周壁相贴，第二弧形杆固定在设置连接外壳上，第二一连接杆的另一端与第二二连接杆一端具有夹角。
10.根据权利要求7所述的一种四足履带爬行机器人的工作方法，其特征在于：第一连接件包括第一一连接杆和第一二连接杆，第一一连接杆的一端与第一限位环铰接，第一一连接杆的另一端与第一二连接杆的一端固定连接，第一二连接杆的另一端设置有第一弧形杆，第一弧形杆与第一舵盘的外周壁相贴，第一弧形杆固定在设置U形连接件上，第一一连接杆的另一端与第一二连接杆一端具有夹角。
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