CN211491511U - 一种可收折四轮腿式越障机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可收折四轮腿式越障机器人，由中央机架、机械腿、控制器、传感器、激光雷达、中间连接架和多个伺服电机组成。中央机架为方框形结构，机械腿分别对称设置在中央机架的四角，机械腿一端与中央机架通过传动轴连接，机械腿另一端与驱动轮通过车轮转向架连接。伺服电机分别安装在中央机架的四角，伺服电机输出轴与机械腿传动轴固连。中间连接架位于中央机架上部，激光雷达、加速度传感器固连在中间连接架上部。控制器设置在中央机架底部，控制器接收伺服电机和传感器信号，控制器发出控制指令，通过传感器对各伺服电机和驱动轮进行闭环控制。机器人结构紧凑、机身稳定性强，适用于复杂地形条件下的高速作业。

Description

一种可收折四轮腿式越障机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人及自动控制技术领域，具体地说，涉及一种可收折四轮腿式越障机器人。

背景技术

自20世纪60年代开始，国内外对移动机器人开展了广泛研究。现有的轮式或履带式移动装置配备的被动悬架系统使移动机器人不能适应更为复杂崎岖的自然地形。近年来的科技发展表明，腿足式步行装置对崎岖地形有较高的适应性。但腿足式机构运动速度较慢，所需的能量消耗较大，控制也更为复杂。将腿足步行与轮式运动的特点结合起来组成轮腿复合式机器人。它具有更多的运动模式，良好的地形适应性，更高的移动速度，更强的运动平稳性，更灵活的越障能力。因此，轮腿复合式移动机器人被视为最有发展潜力的高性能移动机器人。

轮腿式机器人的应用范围广，适用于多种场合:面向事故救援、山地运输、危险环境作业的无人或半自动化工程机械；面向野外环境的军用机器人；面向外星地面构筑的工程机器人；面向城市环境的助老助残服务移动机器人；面向农业自动化的移动机器人。

实用新型内容

为了避免现有技术存在的不足，本实用新型提出一种可收折四轮腿式越障机器人，该机器人具有结构紧凑、运动能力强、机身稳定性好的特点，可实现机械腿的收折存放，具有全方位行驶的能力，在非结构地形条件下可以调整机械腿的姿态控制轮地接触力，使其具有更好的着地力，提高机身的稳定性，适用于复杂地形条件下的高速作业。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是:包括中央机架、机械腿、控制器、伺服电机、加速度传感器、激光雷达和中间连接架，其特征在于所述中央机架为方框形结构，所述机械腿分别对称设置在中央机架的四角，机械腿一端与中央机架通过传动轴连接，机械腿另一端与驱动轮通过车轮转向架连接；四组伺服电机分别位于中央机架上，伺服电机输出轴与传动轴固连；所述控制器设置在中央机架底部，控制器接收伺服电机和加速度传感器信号，控制器发出控制指令，通过加速度传感器对各伺服电机和驱动轮进行闭环控制；

所述机械腿包括腿根横摆关节、腿根连杆、大腿关节、大腿连杆、膝部关节、膝部连杆、小腿关节、小腿连杆、车轮转向关节、车轮转向架、驱动轮，腿根横摆关节包括第一传动轴、第二传动轴，第一伺服电机输出轴与第一传动轴固连，第二传动轴与腿根连杆连接，第一传动轴与第二传动轴通过链条连接传动，实现腿根横摆关节的旋转轴转动，并带动腿根连杆、大腿连杆、膝部连杆、小腿连杆、车轮转向架、驱动轮在水平面的摆动；

所述大腿关节包括丝杠滑台和大腿连杆，大腿连杆分别为大腿上连杆、大腿中连杆和大腿下连杆，丝杠滑台、大腿中连杆和大腿上连杆两两铰接组成三角形结构，腿根连杆、大腿上连杆、大腿下连杆和膝部内连杆两两铰接组成平行四边形结构；其中，腿根连杆与膝部内连杆相互平行，大腿上连杆与大腿下连杆相互平行，第二伺服电机与大腿丝杠连接，带动大腿丝杠转动和丝杠滑台上下移动，并带动大腿连杆转动，实现大腿连杆、膝部连杆、小腿连杆、车轮转向架在竖直面的转动；大腿丝杠力传感器一端与第二伺服电机连接，另一端与大腿丝杠连接，大腿丝杠力传感器用于测量大腿关节力；

所述膝部关节由膝部内连杆、膝部中连杆和膝部外连杆两两铰接组成，膝部中连杆并排放置刚性弹簧，膝部关节承担缓冲作用；

所述小腿关节由小腿连杆和小腿电动缸组成；小腿连杆有两个基础单元分别为小腿上连杆、小腿下连杆，小腿上连杆与小腿下连杆相互平行，膝部外连杆、小腿上连杆、小腿下连杆、车轮转向外框两两铰接组成平行四边形结构；小腿电动缸一端与小腿下连杆铰接，小腿电动缸另一端与小腿上连杆铰接；小腿电动缸由第三伺服电机驱动，通过电动缸直线运动，实现小腿连杆、车轮转向架、驱动轮在竖直面的转动；小腿电动缸力传感器安装在小腿电动缸缸尾端，用于测量小腿关节力；

所述车轮转向关节由第三传动轴、第四传动轴组成，第三传动轴与车轮转向外框连接，第四传动轴与车轮转向架连接；第四伺服电机与第三传动轴连接，两轴轴线垂直于水平面平行，两传动轴通过链传动连接，实现驱动轮在水平面的摆动。

所述控制器控制机械腿各伺服电机驱动腿根横摆关节、大腿关节、小腿关节角度值，可调整机械腿姿态，控制车轮转向关节改变驱动轮的前进方向，驱动轮集成有车轮速度传感器检测其行驶速度。

所述加速度传感器通过中间连接架设置在中央机架上，加速度传感器用于控制机械腿的姿态，调整中央机架姿态至水平放置。

所述激光雷达通过中间连接架安装在中央机架上，激光雷达用于测量周围环境地形。

有益效果

本实用新型提出的一种可收折四轮腿式越障机器人，有三种运动模式，分别为轮式运动模式、轮腿混合式运动模式、腿足式运动模式。控制器控制驱动轮的使能和刹车状态，可方便地实现轮模式和腿模式切换。车轮选用可驱动的直流电机并配有越野轮胎，具有多地形全向运动能力，在平地行驶时，驱动轮工作在使能状态，控制器控制驱动轮转速，实现轮式运动；轮式运动时最快行驶速度可达20km/h，使四轮腿机器人具有高速机动能力。在高低起伏不平的地形上行驶时，驱动轮工作在使能状态，控制器根据力传感器计算得到的轮地接触力的大小，同时调节四条腿的姿态，实现轮腿混合式运动。在跨越障碍物时，驱动轮工作在刹车状态，驱动轮无法转动，控制器调整四条机械腿姿态实现腿足式运动。三种运动模式由控制器根据激光雷达数据对周围环境做出判断，最终实现多种路况下的全向移动和越障功能。

本实用新型可收折四轮腿式越障机器人，每条轮腿有5个主动自由度，1个被动自由度，机械腿工作空间大，四轮腿整机结构紧凑可收折，大大减少占地面积，便于运输和存放；

基于力位混合控制的控制方法，可根据机身中央的加速度传感器调整机身至水平姿态，大腿关节力和小腿关节力计算出轮地接触力，在起伏不平路面行驶具有更好的着地力，机身稳定性好；

由于机身平台可实时调整至水平姿态，且机身上方空间可搭载负载平台，机械腿大腿连杆和小腿连杆平行四连杆结构，各连杆基础单元为桁架结构，抗弯曲抗扭转能力强，有负载任务平台的能力，可推广应用于多种场合。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本实用新型一种可收折四轮腿式越障机器人作进一步详细说明。

图1为本实用新型可收折四轮腿式越障机器人俯视图。

图2为本实用新型可收折四轮腿式越障机器人前视图。

图3为本实用新型可收折四轮腿式越障机器人的机械腿示意图。

图4为本实用新型可收折四轮腿式越障机器人的车轮转向关节示意图。

图5为本实用新型可收折四轮腿式越障机器人的机械腿收折姿态示意图。

图6为本实用新型可收折四轮腿式越障机器人控制流程图。

图中

1.中央机架 2.第一机械腿 3.第二机械腿 4.第三机械腿 5.第四机械腿 6.控制器 7.加速度传感器 8.激光雷达 9.中间连接架 10.大腿丝杠 11.第一伺服电机 12.腿根横摆关节 13.腿根连杆 14.大腿关节 15.大腿丝杠力传感器 16.第二伺服电机 17.大腿连杆 18.大腿上连杆 19.膝部内连杆 20.膝部中连杆 21.膝部外连杆 22.小腿关节 23.小腿连杆 24.第三伺服电机 25.小腿上连杆 26.小腿电动缸 27.第四伺服电机 28.第四传动轴 29.驱动轮 30.小腿下连杆 31.膝部连杆 32.小腿电动缸力传感器 33.膝部关节34.大腿下连杆 35.大腿中连杆 36.丝杠滑台 37.第二传动轴 38.第一传动轴 39.车轮转向关节 40.第三传动轴 41.车轮转向外框 42.车轮转向架

具体实施方式

本实施例是一种可收折四轮腿式越障机器人。

参阅图1～图6，本实施例可收折四轮腿式越障机器人，由中央机架1、机械腿、控制器6、伺服电机、加速度传感器7、激光雷达8和中间连接架9组成；其中，机械腿包括第一机械腿2、第二机械腿3、第三机械腿4和第四机械腿5；伺服电机包括第一伺服电机11、第二伺服电机16、第三伺服电机24、第四伺服电机27。中央机架1为方框形结构；中间连接架9安装在中央机架上部，激光雷达8、加速度传感器7固连在中间连接架9上部；机械腿分别对称设置在中央机架的四角，机械腿一端与中央机架通过传动轴连接，机械腿另一端与驱动轮29通过车轮转向架42连接；四组伺服电机分别安装在中央机架上，伺服电机输出轴与传动轴固连。控制器6设置在中央机架1底部，控制器6接收伺服电机和加速度传感器7信号，控制器6发出控制指令，通过加速度传感器7对各伺服电机和驱动轮进行闭环控制。

本实施例中，机械腿还包括腿根横摆关节12、腿根连杆13、大腿关节14、大腿连杆17、膝部关节33、膝部连杆31、小腿关节22、小腿连杆23、车轮转向关节39、车轮转向架42、驱动轮29；腿根横摆关节12包括第一传动轴38、第二传动轴37，第一伺服电机11输出轴与第一传动轴38固连，第二传动轴与腿根连杆13连接，第一传动轴38与第二传动轴37通过链条连接传动，实现腿根横摆关节12的旋转轴转动并带动腿根连杆13、大腿连杆17、膝部连杆31、小腿连杆23、车轮转向架42、主动驱动车轮29在水平面的摆动。

大腿关节14包括丝杠滑台36和大腿连杆17，大腿连杆分别为大腿上连杆18、大腿中连杆35和大腿下连杆34，丝杠滑台36、大腿中连杆35和大腿上连杆18两两铰接组成三角形结构；腿根连杆13、大腿上连杆18、大腿下连杆34和膝部内连杆19两两铰接组成平行四边形结构。其中，腿根连杆13与膝部内连杆19相互平行，大腿上连杆18与大腿下连杆34相互平行；第二伺服电机16与大腿丝杠10连接，带动大腿丝杠10转动和丝杠滑台36上下移动，并带动大腿连杆17转动，实现大腿连杆17、膝部连杆31、小腿连杆23、车轮转向架42在竖直面的转动。大腿丝杠力传感器15一端与第二伺服电机16连接，另一端与大腿丝杠10连接，用于测量大腿关节力。

膝部关节33由膝部内连杆19、膝部中连杆20和膝部外连杆32两两铰接组成；膝部中连杆并排放置刚性弹簧，膝部关节33承担缓冲作用。

小腿关节22由小腿连杆23和小腿电动缸26组成；小腿连杆有两个基础单元分别为小腿上连杆25、小腿下连杆30，小腿上连杆25与小腿下连杆30相互平行；膝部外连杆21、小腿上连杆25、小腿下连杆30、车轮转向外框41两两铰接组成平行四边形结构。小腿电动缸26一端与小腿下连杆30铰接，小腿电动缸26另一端与小腿上连杆25铰接。小腿电动缸26由第三伺服电机24驱动，通过电动缸直线运动，实现小腿连杆23、车轮转向架42、驱动轮29在竖直面的转动。小腿电动缸力传感器32安装在小腿电动缸26缸尾端，用于测量小腿关节力。

车轮转向关节39由第三传动轴、第四传动轴28和第四伺服电机27组成，第三传动轴40与车轮转向外框41固连，第四传动轴28与车轮转向架42固连；第四伺服电机27与第三传动轴40连接，两轴轴线垂直于水平面平行。第三传动轴40、第四传动轴28通过链传动连接，实现驱动轮在水平面的摆动。

控制器6控制机械腿各伺服电机驱动腿根横摆关节12、大腿关节14、小腿关节22角度值可调整机械腿姿态，控制车轮转向关节39改变驱动轮29的前进方向，驱动轮29集成有车轮速度传感器可检测其行驶速度。

加速度传感器7通过中间连接架9设置在中央机架上中间部位，加速度传感器7用于控制机械腿的姿态，调整中央机架姿态至水平放置。

激光雷达8通过中间连接架9安装在中央机架上，激光雷达用于测量周围环境地形。

本实施例以第一机械腿2为例作以描述，其控制器6接收大腿丝杠力传感器15、小腿电动缸力传感器32信号，得到计算的轮地接触力，通过计算的轮地接触力与模型再分配的期望轮地接触力进行比较。控制器6接收各伺服电机脉冲数，对电机位置进行控制，控制第一伺服电机11转动，实现腿根横摆关节12在水平面的转动，使腿根横摆关节12到达期望角度值。控制第二伺服电机16转动，实现大腿关节14在竖直平面的转动，使大腿关节14到达期望角度值。控制第三伺服电机24转动，控制小腿关节22在竖直平面的转动，使小腿关节22到达期望角度值。控制第四伺服电机28转动，实现车轮转向关节39在水平面的转动，使车轮转向关节39到达期望角度值，实现机械腿姿态控制，使机械腿轮地接触力与期望轮地接触力相等，实现对驱动轮29着地力的控制，使机械腿动作有更好的柔顺性。

控制器6接收加速度传感器7数据，同时控制第一机械腿2、第二机械腿3、第三机械腿4、第四机械腿5的姿态，保持机身姿态水平，同时进行力位混合控制，使行驶时中央机架1有更好的水平稳定性。

在机器人停止工作时，控制器6控制大腿关节至3度，此时大腿连杆与竖直平面的上方夹角至3度；控制小腿关节至177度，此时小腿连杆与竖直平面的上方夹角至177度；控制根部关节至135度，此时机械腿与中央机架侧面平行，可实现四轮腿式机器人的收折存放。

本实施例可收折四轮腿式越障机器人有三种运动模式，分别为轮式运动模式、轮腿混合式运动模式、腿足式运动模式。三种运动模式由控制器6根据激光雷达8数据对周围环境做出判断，控制器6控制驱动轮29的使能和刹车状态，可方便地实现轮模式和腿模式转换；实现多种路况下的全向移动和越障功能。

工作步骤

(1)控制器6接受各传感器和伺服电机数据，确认机器人是否处于收折状态，若处于收折状态，控制第一机械腿2、第二机械腿3、第三机械腿4、第四机械腿5姿态，并调整中央机架1姿态至水平状态，调整机械腿车轮转向关节39的角度，确保具有全向运动能力，并可继续接受运动指令。

(2)控制器6接收激光雷达8数据，扫描现场环境，确定轮式、腿足式、或轮腿混合式运动模式，调整中央机架1姿态至水平状态，调整机械腿车轮转向关节39的角度，确保具有全向运动能力，并可继续接受运动指令。

(3)在机器人上放置负载后，控制器6接收加速度传感器7的数据，控制四条机械腿的姿态，调整中央机架1姿态至水平状态，调整机械腿车轮转向关节39的角度，确保具有全向运动能力，并可继续接受运动指令。

(4)机器人运动中出现障碍物时，控制器6根据工作空间判断是否可以越过障碍物，如果判断不可以越过障碍物，控制机械腿车轮转向关节39的角度，绕开障碍物，如果判断可以越过障碍物，控制第一机械腿2，第二机械腿3，第三机械腿4，第四机械腿5姿态和末端位置，通过足式运动跨越障碍物。控制器6调整中央机架1姿态至水平状态，调整机械腿车轮转向关节39的角度，确保具有全向运动能力，并可继续接受运动指令。

(5)机器人停止运动后，控制器6控制第一机械腿2，第二机械腿3，第三机械腿4，第四机械腿5姿态和末端位置，将轮腿式移动平台收折至机械腿收折姿态。

Claims (4)

1.一种可收折四轮腿式越障机器人，包括中央机架、机械腿、控制器、伺服电机、加速度传感器、激光雷达和中间连接架，其特征在于:所述中央机架为方框形结构，所述机械腿分别对称设置在中央机架的四角，机械腿一端与中央机架通过传动轴连接，机械腿另一端与驱动轮通过车轮转向架连接；四组伺服电机分别位于中央机架上，伺服电机输出轴与传动轴固连；所述控制器设置在中央机架底部，控制器接收伺服电机和加速度传感器信号，控制器发出控制指令，通过加速度传感器对各伺服电机和驱动轮进行闭环控制；

所述机械腿包括腿根横摆关节、腿根连杆、大腿关节、大腿连杆、膝部关节、膝部连杆、小腿关节、小腿连杆、车轮转向关节、车轮转向架、驱动轮，腿根横摆关节包括第一传动轴、第二传动轴，第一伺服电机输出轴与第一传动轴固连，第二传动轴与腿根连杆连接，第一传动轴与第二传动轴通过链条连接传动，实现腿根横摆关节的旋转轴转动，并带动腿根连杆、大腿连杆、膝部连杆、小腿连杆、车轮转向架、驱动轮在水平面的摆动；

所述大腿关节包括丝杠滑台和大腿连杆，大腿连杆分别为大腿上连杆、大腿中连杆和大腿下连杆，丝杠滑台、大腿中连杆和大腿上连杆两两铰接组成三角形结构，腿根连杆、大腿上连杆、大腿下连杆和膝部内连杆两两铰接组成平行四边形结构；其中，腿根连杆与膝部内连杆相互平行，大腿上连杆与大腿下连杆相互平行，第二伺服电机与大腿丝杠连接，带动大腿丝杠转动和丝杠滑台上下移动，并带动大腿连杆转动，实现大腿连杆、膝部连杆、小腿连杆、车轮转向架在竖直面的转动；大腿丝杠力传感器一端与第二伺服电机连接，另一端与大腿丝杠连接，大腿丝杠力传感器用于测量大腿关节力；

所述膝部关节由膝部内连杆、膝部中连杆和膝部外连杆两两铰接组成，膝部中连杆并排放置刚性弹簧，膝部关节承担缓冲作用；

所述小腿关节由小腿连杆和小腿电动缸组成；小腿连杆有两个基础单元分别为小腿上连杆、小腿下连杆，小腿上连杆与小腿下连杆相互平行，膝部外连杆、小腿上连杆、小腿下连杆、车轮转向外框两两铰接组成平行四边形结构；小腿电动缸一端与小腿下连杆铰接，小腿电动缸另一端与小腿上连杆铰接；小腿电动缸由第三伺服电机驱动，通过电动缸直线运动，实现小腿连杆、车轮转向架、驱动轮在竖直面的转动；小腿电动缸力传感器安装在小腿电动缸缸尾端，用于测量小腿关节力；

所述车轮转向关节由第三传动轴、第四传动轴组成，第三传动轴与车轮转向外框连接，第四传动轴与车轮转向架连接；第四伺服电机与第三传动轴连接，两轴轴线垂直于水平面平行，两传动轴通过链传动连接，实现驱动轮在水平面的摆动。

2.根据权利要求1所述的可收折四轮腿式越障机器人，其特征在于:所述控制器控制机械腿各伺服电机驱动腿根横摆关节、大腿关节、小腿关节角度值，可调整机械腿姿态，控制车轮转向关节改变驱动轮的前进方向，驱动轮集成有车轮速度传感器检测其行驶速度。

3.根据权利要求1所述的可收折四轮腿式越障机器人，其特征在于:所述加速度传感器通过中间连接架设置在中央机架上，加速度传感器用于控制机械腿的姿态，调整中央机架姿态至水平放置。

4.根据权利要求1所述的可收折四轮腿式越障机器人，其特征在于:所述激光雷达通过中间连接架安装在中央机架上，激光雷达用于测量周围环境地形。

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