CN118579171A - 一种双轮足机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人领域，提供了一种双轮足机器人及其控制方法，包括躯干支架，在躯干支架的后端两侧对称地设置有轮足总成，在躯干支架的前端两侧对称安装有机械臂组件；轮足总成的腿部驱动机构与躯干支架的后端两侧连接，腿部驱动机构中的腿部驱动电机固定在支撑板上，腿部驱动电机的末端安装有第一齿轮；所述支撑板通过第一轴承轴与大腿连杆转动连接，所述支撑板通过第二轴承轴与齿轮固定板转动连接；大腿连杆与第二齿轮连接，齿轮固定板上安装有第三齿轮和第四齿轮，腿部驱动电机通过第一齿轮与第三齿轮内啮合传动，大腿连杆通过第二齿轮和第四齿轮外啮合传动。本发明缩小整体安装尺寸的同时增大输出扭力，提高腿部输出力量。

Description

一种双轮足机器人及其控制方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种双轮足机器人及其控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前地面机器人大致可分为基于腿足式和基于轮子的两种运动构型。传统的轮式移动机器人具有结构简单、易于控制、移动速度快和稳定能力强等优点，但是只适合路况良好的平面，地面必须连续、平坦，运动受地形影响比较大，当其遇到一定高度的连续型障碍物时就无法通过。而腿足式移动机器人的腿脚运动灵活，可以跨越和攀登诸多障碍，只需要离散的支撑点，几乎可以适应各种复杂地形，在复杂的地形和非结构化的环境中，具有更好的灵活性和适应性。近年来一些腿足式机器人系统表现出了很好的性能，克服了楼梯或湿滑的地形等障碍，但它们通常需要大量的时间来执行这些复杂的运动；同时，在平面上运动时的能耗大、动力效用低、速度跟轮状物相比又太慢。将这两种核心能力结合在一起的机器人，在平坦的地面上快速、平滑地机动和动态地克服障碍。

现有的将腿足式和轮式两种运动构型结合在一起的双轮足机器人，虽然能够在复杂环境中灵活机动，采用四条可折叠的腿和机身两侧的驱动主动轮及一个从动轮的结构实现轮式和足式运动状态切换，该方案的不足在于跨越障碍时需要切换模式耗时较长，而且系统所需的驱动电机比较多，系统集成不够紧凑、从而导致结构复杂，同时也不太容易实现自动平衡控制与跳跃控制的解耦。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种双轮足机器人及其控制方法，本发明结构紧凑，设计巧妙，可以实现自动平衡控制与跳跃控制。

根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种双轮足机器人，采用如下技术方案：

一种双轮足机器人，包括躯干支架，在所述躯干支架的后端两侧对称地设置有轮足总成，在所述躯干支架的前端两侧对称安装有机械臂组件；

所述轮足总成的腿部驱动机构与躯干支架的后端两侧连接，所述腿部驱动机构中的腿部驱动电机固定在支撑板上，腿部驱动电机的末端安装有第一齿轮；所述支撑板通过第一轴承轴与大腿连杆转动连接，所述支撑板通过第二轴承轴与齿轮固定板转动连接；

所述大腿连杆与第二齿轮连接，所述齿轮固定板上安装有第三齿轮和第四齿轮，所述腿部驱动电机通过第一齿轮与第三齿轮内啮合传动，所述大腿连杆通过第二齿轮和第四齿轮外啮合传动。

进一步地，所述腿部驱动机构还包括驱动连杆，所述驱动连杆一端与齿轮固定板铰接，所述驱动连杆另外一端与小腿连杆铰接；

所述大腿连杆通过第三轴承与小腿连杆铰接。

进一步地，所述第一齿轮和第三齿轮的减速比为1:2.5。

进一步地，所述轮足总成还包括脚轮驱动机构，所述脚轮驱动机构包括电机固定板，所述电机固定板安装在小腿连杆的末端。

进一步地，所述电机固定板远离小腿连杆的一端固定有车轮，所述电机固定板靠近小腿连杆的一端固定有轮足驱动电机，所述轮足驱动电机的外壳和车轮贴合；

所述小腿连杆靠近电机固定板的一侧上固定有编码器，所述轮足驱动电机与编码器通过第五齿轮啮合。

进一步地，所述机械臂组件中的机械臂使用舵机提供动力，每条机械臂包含6个舵机实现空间6自由度组合；

所述机械臂组件的第三关节处安装有小从动轮。

进一步地，所述躯干支架中安装有控制箱，所述控制箱内安装有驱动器、主控制器以及IMU模块；

所述控制箱内还安装有电源系统，所述电源系统分别给主控制器、驱动器以及IMU模块提供直流电源；

腿部驱动电机自带的编码器和轮足驱动电机连接的编码器分别与驱动器的电机接口和通讯接口相连，驱动器与主控制器的通讯接口相连接，IMU模块与主控制器通讯接口相连；主控制器根据IMU模块所获取到的机器人的实时状态来控制腿部驱动电机和轮足驱动电机的工作。

根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种双轮足机器人的控制方法，采用如下技术方案：

一种双轮足机器人的控制方法，基于第一方案所述的一种双轮足机器人，包括：

当所述机器人在平坦地面直立时，机器人的姿态通过IMU模块获取，以使得主控制器通过控制两个轮足驱动电机正反转运动保持机器人直立平衡状态；

在平坦地面行走时，主控制器通过控制机器人轮足驱动电机使机器人姿态与地面产生倾角，并通过IMU模块实时读取，进而转化为控制轮足驱动电机控制机器人行进；

在不平坦地面行走时，主控制器控制腿部驱动电机处于下蹲状态，控制轮足驱动电机行进的同时，控制腿部驱动电机，使机器人跳跃，并前进，以跨越障碍物。

进一步地，所述主控制器采用PID控制算法，机器人在地面时，利用轮子与地面的摩擦力，控制轮子转动，从而控制机器人平衡；在空中时刻，将轮子看作动量轮，调整PID参数，同时调整姿态环的目标量，即可实现利用动量轮的转动惯量，对机器人进行姿态的调整和控制。

进一步地，所述主控制器采用图像识别台阶算法，运行过程中，机器人通过深度摄像头实时采集机器人前进的路况图像信息，利用深度学习算法，对深度图像信息进行台阶识别；识别到台阶特征后，预先控制腿部电机，完成下蹲动作，缓行分析台阶特征与机器人的距离，距离缩短至可跳跃通过时，加速跳跃，完成上台阶的动作。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过对腿部驱动机构进行调整设计，将腿部驱动电机连接的第一齿轮以及齿轮固定板上的第三齿轮进行内啮合传动，这样可以有效利用安装空间，缩小整体安装尺寸的同时增大输出扭力，提高腿部输出力量，让机器人的弹跳力更强；将大腿连杆连接的第二齿轮和齿轮固定板上的第四齿轮外啮合传动，将动力输送给大腿连杆；腿部驱动电机通过两套齿轮传动同时将动力输出给驱动连杆和大腿连杆，同样增强腿部力量，增加弹跳力。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例中一种双轮足机器人的整体机构图；

图2是本发明实施例中轮足总成结构图；

图3是本发明实施例中腿部驱动机构结构图；

图4是本发明实施例中轮足的运行轨迹图；

图5是本发明实施例中脚轮驱动机构结构图；

图6是本发明实施例中一种双轮足机器人下蹲的姿态示意图；

图中：

1-躯干支架；2-支撑板；3-大腿连杆；4-小腿连杆；5-驱动连杆；6-外转子无刷直流电机；7-车轮；8-编码器；9-机械臂；10-从动轮；11-关节电机；12-第一齿轮；13-第一轴承；14-第二轴承；15-齿轮固定板；16-第二齿轮；17-第三齿轮；18-第四齿轮；19-电机固定板；20-第五齿轮。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种双轮足机器人，包括躯干支架，在所述躯干支架的后端两侧对称地设置有轮足总成，在所述躯干支架的前端两侧对称安装有机械臂组件；

所述轮足总成的腿部驱动机构与躯干支架的后端两侧连接，所述腿部驱动机构中的腿部驱动电机固定在支撑板上，腿部驱动电机的末端安装有第一齿轮；所述支撑板通过第一轴承轴与大腿连杆转动连接，所述支撑板通过第二轴承轴与齿轮固定板转动连接；

所述大腿连杆与第二齿轮连接，所述齿轮固定板上安装有第三齿轮和第四齿轮，所述腿部驱动电机通过第一齿轮与第三齿轮啮合传动，所述大腿连杆通过第二齿轮和第四齿轮外啮合传动。

所述腿部驱动机构还包括驱动连杆，所述驱动连杆一端与齿轮固定板铰接，所述驱动连杆另外一端与小腿连杆铰接；

所述大腿连杆通过第三轴承与小腿连杆铰接。

所述第一齿轮和第三齿轮的减速比为1:2.5。

所述轮足总成还包括脚轮驱动机构，所述脚轮驱动机构包括电机固定板，所述电机固定板安装在小腿连杆的末端。

所述电机固定板远离小腿连杆的一端固定有车轮，所述电机固定板靠近小腿连杆的一端固定有轮足驱动电机，所述轮足驱动电机的外壳和车轮贴合；

所述小腿连杆靠近电机固定板的一侧上固定有编码器，所述轮足驱动电机与编码器通过第五齿轮啮合。

所述机械臂组件中的机械臂使用舵机提供动力，每条机械臂包含6个舵机实现空间6自由度组合；

所述机械臂组件的第三关节处安装有小从动轮。

所述躯干支架中安装有控制箱，所述控制箱内安装有驱动器、主控制器以及IMU模块；

所述控制箱内还安装有电源系统，所述电源系统分别给主控制器、驱动器以及IMU模块提供直流电源；

腿部驱动电机自带的编码器和轮足驱动电机连接的编码器分别与驱动器的电机接口和通讯接口相连，驱动器与主控制器的通讯接口相连接，IMU模块与主控制器通讯接口相连；主控制器根据IMU模块所获取到的机器人的实时状态来控制腿部驱动电机和轮足驱动电机的工作。

具体地，如图1所示，一种双轮足机器人，包括躯干支架1，在所述躯干支架1的两侧对称地设置有轮足总成，在所述躯干支架1的上侧安装六自由度机械臂组件；

轮足总成如图2所示，一方面包括驱动机器人站立、蹲下以及弹跳的腿部驱动机构，另一方面包括驱动机器人前进、后退以及转弯的脚轮驱动机构；

腿部驱动机构包括腿部驱动电机-关节电机11、支撑板2、传动齿轮、轴承、大腿连杆3、小腿连杆4以及驱动连杆5；所述支撑板和驱动连杆使用的是航空铝材质，所述大腿连杆和小腿连杆使用的是碳纤维中空方管，可以有效的减轻机器人整机重量，更有利于机器人的弹跳动作。

腿部驱动机构的详细装配如图3所示，腿部驱动电机-关节电机11的外壳固定在支撑板2上，且关节电机的输出轴末端固定有第一齿轮12；第一轴承13和第二轴承14固定在支撑板内，齿轮固定板15上固定安装有第三齿轮17和第四齿轮18，齿轮固定板15、第三齿轮17以及第四齿轮18相当于一个整体件，齿轮固定板15绕第二轴承14轴心转动；也就是说，齿轮固定板通过第二轴承14与支撑板2转动连接，齿轮固定板15的运动是与第三齿轮17和第四齿轮18一体的；第二轴承14的外圈和内圈，一个固定在支撑板内，一个固定在齿轮固定板上，两者具体在哪个结构上，可根据实际需求进行适应性调整即可。

大腿连杆3的一端与第二齿轮16固定连接，具体的，大腿连杆3的一端开设圆孔，第一轴承13的内圈固定在圆孔边圈内，第二齿轮16固定在第一轴承的内圈上，也就使得大腿连杆3绕第一轴承13轴心转动；第一齿轮12和第三齿轮17内啮合传动，第一齿轮12和第三齿轮17的减速比为1:2.5，这样可以有效利用安装空间，缩小整体安装尺寸的同时增大输出扭力，提高腿部输出力量，让机器人的弹跳力更强；第二齿轮16和第四齿轮18外啮合传动，将动力输送给大腿连杆；关节电机11通过两套齿轮传动同时将动力输出给驱动连杆和大腿连杆，同样增强腿部力量，增加弹跳力；驱动连杆5一端与齿轮固定板15铰接，另外一端与小腿连杆4铰接；大腿连杆3一端通过第二齿轮16与齿轮固定板15固定的第四齿轮18外啮合，另一端通过第三轴承与小腿连杆铰接；此结构一方面可以缩短驱动连杆的尺寸，减小整机尺寸；另一方面使用一个关节电机就可以实现腰部和膝部关节的转动，可省去膝部关节电机的使用，降低制造成本的同时减轻整机重量。

可以理解的是，上述所提到的各个齿轮和轴承可以根据具体的设计需要选择合适的型号即可，不限定使用哪种型号，例如第三轴承可以选择交叉滚子轴承，也可以选择其他型号的轴承。

具体地，本实施例所述的轮足机器人，通过驱动关节电机转动，带动第一齿轮12转动，由于第一齿轮12与第三齿轮17内啮合传动，第一齿轮12的转动带动第三齿轮17转动，由于第三齿轮17固定在齿轮固定板15上，第三齿轮的17的转动就带动齿轮固定板15转动，而齿轮固定板15与驱动连杆5铰接，齿轮固定板15的转动带动驱动连杆5同时带动第四齿轮18的转动，由于第四齿轮18与第二齿轮16外啮合传动，从而带动第二齿轮16转动，而第二齿轮16固定在大腿连杆3上，使得大腿连杆3随着第二齿轮16的转动而转动；轮足的运行轨迹如图4所示，本结构可以实现连杆末端的移动轨迹的上段平直，末段后弯曲的效果。实现了双轮足机器人在跳跃过程中良好的下蹬腿的力和前进的力融合的特点。从而实现机器人跳远80cm的实测距离，比双电机远一倍以上。

脚轮驱动机构如图5以及图1所示，包括轮足驱动电机-外转子无刷直流电机6、电机固定板19、第五齿轮20、编码器8及车轮7；

所述电机固定板安装在小腿连杆的末端，轮足驱动电机和车轮固定在电机固定板19上，编码器固定在小腿连杆上；轮足驱动电机与编码器通过第五齿轮20啮合，采集电机数据；

所述轮足驱动电机的外壳和车轮外圈贴合，通过摩擦力驱动车轮转动实现行走，此结构通过大小轮的配比实现了高扭矩输出，提高了爆发力，同时省去了减速机的使用，可有效减轻整机重量；所述电机固定板安装方向更靠近腿部的旋转中心，可减小关节电机的驱动力臂，有利于腿部的摆动，有利于弹跳动作的执行。可以理解的是，轮足驱动电机可以选择外转子无刷直流电机，也可以根据需要选择其他类型的电机。

所述机械臂组件安装在躯干支架的上部，左右各一个，呈对称布局，机械臂使用舵机提供动力，每条机械臂包含6个舵机实现空间6自由度组合，运动灵活，机器人手臂可以完成多种抓取等任务。

所述机械臂组件的第三关节处安装有小从动轮，直立状态时，机器人手臂可以完成多种抓取等任务，不影响机械臂的所有功能，俯卧姿态时，配合电机的电磁抱闸锁定，机器人以四轮方式运行，可以降低双轮机器人能耗，如图6所示。

在所述躯干支架中安装有箱体，所述IMU模块、主控制器以及驱动器均安装在箱体内；在所述箱体内还安装有电源系统，电源系统分别给主控制器、驱动器、IMU模块提供直流电源。

所述腿部驱动电机自带编码器，而轮足驱动电机连接的编码器，腿部驱动电机和轮足驱动电机的编码器分别与驱动器的电机接口和通讯接口相连，驱动器与主控制器的通讯接口相连接，IMU模块与主控制器通讯接口相连；主控制器根据IMU模块所获取到的机器人的实时状态来控制腿部驱动电机和轮足驱动电机的工作。

实施例二

本实施例提供了一种双轮足机器人的控制方法，基于实施例一所述的一种双轮足机器人，包括：

当所述机器人在平坦地面直立时，机器人的姿态通过IMU模块获取，以使得主控制器通过控制两个轮足驱动电机正反转运动保持机器人直立平衡状态；

在平坦地面行走时，主控制器通过控制机器人轮足驱动电机使机器人姿态与地面产生倾角，并通过IMU模块实时读取，进而转化为控制轮足驱动电机控制机器人行进；

在不平坦地面行走时，主控制器控制腿部驱动电机处于下蹲状态，控制轮足驱动电机行进的同时，控制腿部驱动电机，使机器人跳跃，并前进，以跨越障碍物。

所述主控制器采用PID控制算法，机器人在地面时，可以利用轮子与地面的摩擦力，控制轮子转动，从而控制机器人平衡；机器人跳跃过程中，面临短暂的滞空，此时，机器人的轮子与地面的摩擦力为0，无法再利用地面的摩擦轮保持机器人的空中姿态进行控制。在空中时刻，将轮子看作动量轮，调整PID参数，同时调整姿态环的目标量，即可实现利用动量轮的转动惯量，对机器人进行姿态的调整和控制。

所述主控制器采用图像识别台阶算法，运行过程中，机器人通过深度摄像头实时采集机器人前进的路况图像信息，利用深度学习算法，对深度图像信息进行台阶识别。识别到台阶特征后，预先控制腿部电机，完成下蹲动作，如图6所示；缓行分析台阶特征与机器人的距离，距离缩短至可跳跃通过时，加速跳跃，完成上台阶的动作。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种双轮足机器人，其特征在于，包括躯干支架，在所述躯干支架的后端两侧对称地设置有轮足总成，在所述躯干支架的前端两侧对称安装有机械臂组件；

所述轮足总成的腿部驱动机构与躯干支架的后端两侧连接，所述腿部驱动机构中的腿部驱动电机固定在支撑板上，腿部驱动电机的末端安装有第一齿轮；所述支撑板通过第一轴承轴与大腿连杆转动连接，所述支撑板通过第二轴承轴与齿轮固定板转动连接；

所述大腿连杆与第二齿轮连接，所述齿轮固定板上安装有第三齿轮和第四齿轮，所述腿部驱动电机通过第一齿轮与第三齿轮内啮合传动，所述大腿连杆通过第二齿轮和第四齿轮外啮合传动。

2.如权利要求1所述的一种双轮足机器人，其特征在于，所述腿部驱动机构还包括驱动连杆，所述驱动连杆一端与齿轮固定板铰接，所述驱动连杆另外一端与小腿连杆铰接；

所述大腿连杆通过第三轴承与小腿连杆铰接。

3.如权利要求1所述的一种双轮足机器人，其特征在于，所述第一齿轮和第三齿轮的减速比为1:2.5。

4.如权利要求1所述的一种双轮足机器人，其特征在于，所述轮足总成还包括脚轮驱动机构，所述脚轮驱动机构包括电机固定板，所述电机固定板安装在小腿连杆的末端。

5.如权利要求4所述的一种双轮足机器人，其特征在于，所述电机固定板远离小腿连杆的一端固定有车轮，所述电机固定板靠近小腿连杆的一端固定有轮足驱动电机，所述轮足驱动电机的外壳和车轮贴合；

所述小腿连杆靠近电机固定板的一侧上固定有编码器，所述轮足驱动电机与编码器通过第五齿轮啮合。

6.如权利要求1所述的一种双轮足机器人，其特征在于，所述机械臂组件中的机械臂使用舵机提供动力，每条机械臂包含6个舵机实现空间6自由度组合；

所述机械臂组件的第三关节处安装有小从动轮。

7.如权利要求1所述的一种双轮足机器人，其特征在于，所述躯干支架中安装有控制箱，所述控制箱内安装有驱动器、主控制器以及IMU模块；

所述控制箱内还安装有电源系统，所述电源系统分别给主控制器、驱动器以及IMU模块提供直流电源；

腿部驱动电机自带的编码器和轮足驱动电机连接的编码器分别与驱动器的电机接口和通讯接口相连，驱动器与主控制器的通讯接口相连接，IMU模块与主控制器通讯接口相连；主控制器根据IMU模块所获取到的机器人的实时状态来控制腿部驱动电机和轮足驱动电机的工作。

8.一种双轮足机器人的控制方法，基于权利要求1-7任一项所述的一种双轮足机器人，其特征在于，包括：

当所述机器人在平坦地面直立时，机器人的姿态通过IMU模块获取，以使得主控制器通过控制两个轮足驱动电机正反转运动保持机器人直立平衡状态；

在平坦地面行走时，主控制器通过控制机器人轮足驱动电机使机器人姿态与地面产生倾角，并通过IMU模块实时读取，进而转化为控制轮足驱动电机控制机器人行进；

在不平坦地面行走时，主控制器控制腿部驱动电机处于下蹲状态，控制轮足驱动电机行进的同时，控制腿部驱动电机，使机器人跳跃，并前进，以跨越障碍物。

9.如权利要求8所述的一种双轮足机器人的控制方法，其特征在于，所述主控制器采用PID控制算法，机器人在地面时，利用轮子与地面的摩擦力，控制轮子转动，从而控制机器人平衡；在空中时刻，将轮子看作动量轮，调整PID参数，同时调整姿态环的目标量，即可实现利用动量轮的转动惯量，对机器人进行姿态的调整和控制。

10.如权利要求8所述的一种双轮足机器人的控制方法，其特征在于，所述主控制器采用图像识别台阶算法，运行过程中，机器人通过深度摄像头实时采集机器人前进的路况图像信息，利用深度学习算法，对深度图像信息进行台阶识别；识别到台阶特征后，预先控制腿部电机，完成下蹲动作，缓行分析台阶特征与机器人的距离，距离缩短至可跳跃通过时，加速跳跃，完成上台阶的动作。