CN212529859U - 一种轮腿复合式机器人运动控制设备及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种轮腿复合式机器人运动控制设备及系统。该设备包括：控制器、多个腿部控制设备、车轮控制设备和距离传感器；腿部控制设备设置于轮腿复合式机器人的腿部；车轮控制设备设置于轮腿复合式机器人的车轮；距离传感器设置在距离车轮控制设备设定位置处的底盘上，用于检测底盘与车轮即将经过的地面的距离并发送至控制器；控制器分别与腿部控制设备、车轮控制设备和距离传感器相连接。采用上述设备或系统能够通过距离传感器获知机器人车轮即将经过地面的情况，并以此对机器人进行适应性调整，保证机器人的平稳移动，提高了对复杂地面的适应性，实现了机器人控制的预知性。

Description

一种轮腿复合式机器人运动控制设备及系统

技术领域

本实用新型涉及机器人控制技术领域，具体涉及一种轮腿复合式机器人运动控制设备及系统。

背景技术

随着人类科技的发展，越来越多的智能机器人应用到各行各业。而机器人的性能好坏则直接影响到任务的完成情况。其中机器人对路面的适应性尤为重要。为了解决复杂路面带来的影响，开发了可攀爬阶梯，沟壑等复杂路面的移动机器人。其中包括轮腿式复合式机器人。轮腿式复合式移动机器人具有很强的复杂地面适应能力和较好的机动性，但其结构和控制系统一般较复杂，需要有合适的控制系统以及结合多种传感器数据的算法逻辑。

现有的复合式移动机器人的控制大多通过三轴加速度传感器以及角度传感器来获取到机器人的姿态，并通过此姿态调节机器人。但此种控制只有在遇到障碍物或崎岖地形后才能进行调整，即只有当机器人移动到障碍物或崎岖地形时，三轴加速度传感器及角度传感器才能检测到复杂地面的相关系信息，才能控制机器人进行相应的调整。但此种控制设备是在复杂路面已经影响了机器人的移动后作出的调整反应，具有一定的滞后性，无法很好的规避崎岖路面和障碍物对机器人稳定性的影响。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种轮腿复合式机器人运动控制设备及系统。

为实现以上目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种轮腿复合式机器人运动控制设备，包括：

控制器、多个腿部控制设备、多个车轮控制设备和多个距离传感器；

所述腿部控制设备设置于轮腿复合式机器人的腿部；所述车轮控制设备设置于所述轮腿复合式机器人的车轮；

所述距离传感器设置在轮腿复合式机器人的底盘上，用于检测所述底盘与轮腿复合式机器人的车轮即将经过的地面的距离并发送至所述控制器；

所述控制器，分别与所述腿部控制设备、所述车轮控制设备和所述距离传感器相连接，用于根据目标速度和车轮实时速度得到车轮待移动速度，并发送至所述车轮控制设备，根据目标速度、腿部实时移动信息和所述距离得到腿部待移动信息，并发送至所述腿部控制设备；所述目标速度由上位机控制器发送，所述车轮实时速度由所述车轮控制设备检测得到，所述腿部实时移动信息由所述腿部控制设备检测得到；所述腿部待移动信息包括腿部待移动速度和腿长调整信息；所述腿部移动信息包括腿部实时移动速度和实时腿长；

所述车轮控制设备根据所述车轮待移动速度控制所述车轮的移动速度；

所述腿部控制设备根据所述腿部待移动信息控制所述腿部的移动速度和腿长。

可选的，还包括：与所述控制器相连接的九轴加速度传感器；

所述九轴加速度传感器用于检测所述轮腿复合式机器人的移动速度及移动方向并发送至所述控制器；

所述控制器还用于根据所述移动速度和所述移动方向纠正所述车轮和所述腿部的移动速度和移动方向。

可选的，所述腿部控制设备包括：腿部电机驱动控制器、腿部电机编码器和腿部电机；

所述腿部电机编码器，与所述控制器相连接，用于检测所述腿部实时移动信息并发送至所述控制器；

所述腿部电机驱动控制器，分别与所述控制器和所述腿部电机相连接，用于接收所述控制器发送的所述腿部待移动信息，并根据所述腿部待移动信息控制所述腿部电机运行。

可选的，所述腿部控制设备包括：腿部电调和腿部电机；

所述腿部电调，分别与所述控制器和所述腿部电机相连接，用于检测所述腿部实时移动信息并发送至所述控制器；并接收所述控制器发送的所述腿部待移动信息，根据所述腿部待移动信息控制所述腿部电机运行。

可选的，所述车轮控制设备包括：车轮电机驱动控制器、车轮电机编码器和车轮电机；

所述车轮电机编码器，与所述控制器相连接，用于检测所述车轮实时速度并发送至所述控制器；

所述车轮电机驱动控制器，分别与所述控制器和所述车轮电机相连接，用于接收所述控制器发送的所述车轮待移动速度，并根据所述车轮待移动速度控制所述车轮电机运行。

可选的，所述车轮控制设备包括：车轮电调和车轮电机；

所述车轮电调，分别与所述控制器、所述车轮电机相连接，用于检测所述车轮实时速度并发送至所述控制器；并接收所述控制器发送的所述车轮待移动速度，根据所述车轮待移动速度控制所述车轮电机运行。

可选的，所述车轮控制设备的个数为4和/或所述腿部控制设备的个数为4和/或距离传感器的个数为4。

可选的，所述距离传感器的个数不小于所述车轮控制设备的个数。

可选的，还包括：与所述控制器相连接的无线通信模块，用于接收上位机控制器发送的所述目标速度。

一种轮腿复合式机器人运动控制系统，包括：

上位机控制器、以及与所述上位机控制器通信连接的如上述所述的轮腿复合式机器人运动控制设备。

本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请中公开了一种轮腿复合式机器人运动控制设备，包括：控制器、多个腿部控制设备、车轮控制设备和距离传感器；其中腿部控制设备设置于轮腿复合式机器人的腿部；车轮控制设备设置于车轮；距离传感器设置在距离车轮控制设备设定位置处的底盘上，用于检测底盘与车轮即将经过的地面的距离并发送至控制器；控制器分别与腿部控制设备、车轮控制设备和距离传感器相连接，用于根据目标速度和车轮实时速度得到车轮待移动速度，并发送至车轮控制设备，根据目标速度、腿部实时移动信息和距离得到腿部待移动信息，并发送至腿部控制设备；车轮控制设备根据车轮待移动速度控制车轮的移动速度；腿部控制设备根据腿部待移动信息控制腿部的移动速度和腿长。上述控制设备中控制器通过车轮的实时移动速度与目标速度相比较进行车轮的移动速度的控制，通过腿部的实时移动速度与目标速度比较进行腿部移动速度的控制，以此保证机器人的正常移动；同时上述控制设备还通过距离控制腿部的实时腿长，以此保证机器人腿部能够实时调整适应不同地面情况。而且本申请中的距离传感器采集的是车轮前方即将经过的地面与底盘的距离，以此实现预先调整机器人的实时腿长来适应不同地面情况的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型一实施例提供的轮腿复合式机器人运动控制设备结构图；

图2是本实用新型另一实施例提供的轮腿复合式机器人运动控制设备结构图；

图3是本实用新型又一实施例提供的轮腿复合式机器人运动控制设备结构图；

图4是本实用新型一实施例提供的轮腿复合式机器人运动控制系统结构图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。

传统的麦克纳姆轮全向移动车只能在无障碍物的平坦路面移动，对于实际复杂路面情况，包括路面凸凹不平、遇到移动障碍物、重心偏移等，就会无法满足使用要求。因此实用新型了能应对复杂路面情况的机器人。此种移动机器人除了包括轮腿式复合式机器人外，还包括轮式、腿式、履带式等机器人。

其中，轮式移动机器人具有机动能力强、结构简单、重量轻和易于控制的优点，但其环境适应性较差，遇到崎岖路面重心偏移严重，很难适应阶梯和沟壑这类特殊的障碍物；腿式移动机器人具有较强的环境适应能力，可通过调整腿部动作来适应各种复杂崎岖的路面，但这种移动机器人结构复杂、移动速度慢、效率低，难以实现稳定的控制；履带式移动机器人具有良好的攀爬性能和跨越能力，但是机动性较差，自身重量较大，重心难以控制，整体速度较慢。在上述现状下，轮腿式复合机器人则更符合复杂路面的情况。本申请中提供了一种轮腿式复合机器人的运行控制系统，具体情况如下。

图1是本实用新型一实施例提供的轮腿复合式机器人运动控制设备结构图。参见图1，一种轮腿复合式机器人运动控制设备，包括：

控制器101、设定数目个腿部控制设备103、设定数目个车轮控制设备102和设定数目个距离传感器104；其中，本实施例中的设定数目为4。需要注意的是，本实施例中的腿部控制设备103和车轮控制设备102的数量可以相等也可以不相等，只要腿部控制设备能够使轮腿复合式机器人稳定前进即可。但本申请中的距离传感器104的数量不能少于车轮控制设备102的数量，一定要保证每一个车轮控制设备至少对应一个距离传感器。

腿部控制设备103设置于轮腿复合式机器人的腿部；车轮控制设备102设置于轮腿复合式机器人的车轮。

距离传感器104设置在底盘上，用于检测底盘与车轮即将经过的地面的距离并发送至控制器101；本申请中的距离传感器104能够检测车轮前方的地面情况，以此能够预先获知机器人即将经过的地面情况。

控制器101，分别与腿部控制设备103、车轮控制设备102和距离传感器104相连接，用于根据目标速度和车轮实时速度得到车轮待移动速度，并发送至车轮控制设备102，根据目标速度、腿部实时移动信息和距离得到腿部待移动信息，并发送至腿部控制设备103；目标速度由上位机控制器发送，车轮实时速度由车轮控制设备102检测得到，腿部实时移动信息由腿部控制设备103检测得到；腿部待移动信息包括腿部待移动速度和腿长调整信息；其中控制器与上位机控制器通过无线通信模块连接。

车轮控制设备102根据车轮待移动速度控制车轮的移动速度；本实施例中通过PID速度单环闭环控制车轮的移动。

腿部控制设备103根据腿部待移动信息控制腿部的移动速度和腿长。本申请中采用PID位置速度双环闭环控制腿部的移动。即先对腿部的实际腿长进行外层判断，再对腿部速度进行内层判断，以此实现腿部的双环控制。

需要注意的是，本申请中的控制器为现有芯片，且控制器进行数据处理时的程序亦为现有程序，没有执行改进算法。例如本申请中的控制器进行了数据大小的比较，将目标速度与腿部实时速度、车轮实时速度分别进行数值大小的比较，以此判断车轮或腿部是应该增速还是减速，进而生成电机转速信号发送至腿部控制设备或车轮控制设备，腿部控制设备或车轮控制设备根据接收到的转速工作，以此实现腿部速度和车轮速度的控制。本申请中的控制器采用的是STM32F427IIH6单片机，需要注意的是，本申请方案中的控制器的芯片选择并不唯一，可根据实际情况而定。

本实施例中的上述实施例中通过车轮控制设备对车轮的移动速度进行控制，以控制机器人的全向移动；腿部控制设备通过控制机器人腿部的移动速度来保证机器人的运行，通过控制机器人的腿长来适应复杂地面情况，以控制机器人的姿态，保证机器人运动的平稳性，提高了机器人对各种复杂苛刻的路面的适应性。最重要的是，本实施例中的距离传感器检测的是机器人的车轮即将经过的地面情况，即本申请中的距离传感器检测的是车轮前方的地面情况，能够使机器人在到达前方地面之前即可获知地面情况，能预先调整机器人的腿长，以适应复杂的地面情况，实现了轮腿复合式机器人的预知性。

在上述实施例的基础上，本申请还公开了另外一种实施例，具体情况如下：

图2是本实用新型另一实施例提供的轮腿复合式机器人运动控制设备结构图。参见图2，一种轮腿复合式机器人运动控制设备，包括：

控制器101、设定数目个腿部控制设备103、设定数目个车轮控制设备102、设定数目个距离传感器104和九轴加速度传感器105；

腿部控制设备103设置于轮腿复合式机器人的腿部；车轮控制设备102设置于轮腿复合式机器人的车轮；距离传感器104设置在距离车轮控制设备102设定位置处的底盘上，用于检测底盘与车轮即将经过的地面的距离并发送至控制器101；底盘为轮腿复合式机器人的底盘；

控制器101，分别与腿部控制设备103、车轮控制设备102和距离传感器104相连接，用于根据目标速度和车轮实时速度得到车轮待移动速度，并发送至车轮控制设备102，根据目标速度、腿部实时移动信息和距离得到腿部待移动信息，并发送至腿部控制设备103；目标速度由上位机控制器发送，车轮实时速度由车轮控制设备102检测得到，腿部实时移动信息由腿部控制设备103检测得到；腿部待移动信息包括腿部待移动速度和腿长调整信息；

车轮控制设备102根据车轮待移动速度控制车轮的移动速度；

腿部控制设备103根据腿部待移动信息控制腿部的移动速度和腿长。

九轴加速度传感器105，与控制器101相连接，用于检测轮腿复合式机器人的移动速度及移动方向并发送至控制器101；此处的九轴加速度传感器105安装在轮腿复合式机器人的重心位置处，以准确检测该机器人的整体移动速度和移动方向。九轴加速度传感器通过磁力融合可以准确地得到各个方向的速度以及加速度，两者数据通过算法合并，得出稳定的速度数据。其中，九轴加速度传感器不仅可以检测速度、加速度、方向等信息，本申请中具体控制过程可以不仅仅通过速度控制腿部和车轮的移动，还可以通过加速度进行控制，具体视情况而定。

控制器101还用于根据移动速度和移动方向纠正车轮和腿部的移动速度和移动方向。控制器根据九轴加速度传感器检测的移动速度来判断车轮的移动速度和腿部的移动速度是否满足上位机控制器发送的速度条件，若不满足，可根据九轴加速度传感器检测的移动速度和上位机控制器发送的目标速度对车轮和腿部进行速度调整。通过控制器根据九轴加速度传感器检测的移动方向，来判断机器人的移动方向是否满足上位机控制器发送的方向条件，若不满足同样可以根据当前的移动方向(九轴加速度传感器检测的移动方向)和目标方向(上位机控制器发送的方向)来调整车轮和腿部的移动方向。

上述实施例中不仅通过车轮控制设备和腿部控制设备实现了机器人的移动速度的控制，能够实时调整机器人的腿长来适应不同的复杂路面情况；还能通过九轴加速度传感器对机器人的整体移动速度和移动方向等进行核查，以确保机器人移动的准确性。

在上述实施例的基础上，本申请还公开了一个详细介绍轮腿复合式机器人的控制系统的实施例，具体内容如下。

图3是本实用新型又一实施例提供的轮腿复合式机器人运动控制设备结构图。参见图3，一种轮腿复合式机器人运动控制设备，包括：

控制器301、设定数目个腿部控制设备302、设定数目个车轮控制设备304、设定数目个距离传感器303和九轴加速度传感器305；其中，腿部控制设备302包括：腿部电机驱动控制器3022、腿部电机编码器3021和腿部电机3023；车轮控制设备304包括：车轮电机驱动控制器3042、车轮电机编码器3041和车轮电机3043；

距离传感器303设置在距离车轮控制设备设定位置处的底盘上，用于检测底盘与车轮即将经过的地面的距离并发送至控制器；底盘为轮腿复合式机器人的底盘；

控制器301用于根据目标速度和车轮实时速度得到车轮待移动速度，并发送至车轮电机驱动控制器3042，根据目标速度、腿部实时移动信息和距离得到腿部待移动信息，并发送至腿部电机驱动控制器3022；目标速度由上位机控制器发送。

腿部电机编码器3021，与控制器301相连接，用于检测腿部实时移动信息并发送至控制器301；腿部电机驱动控制器3022，分别与控制器301和腿部电机3023相连接，用于接收控制器301发送的腿部待移动信息，并根据腿部待移动信息控制腿部电机3023运行。其中，腿部待移动信息包括腿部待移动速度和腿长调整信息。其中，腿部电机编码器能够反馈腿部电机的编码信息，也就是电机转动的准确位置(角度)，通过算法可以得到腿部的移动速度以及加速度。同时腿部电机编码器还能够检测当前腿长，以此进行腿长控制。

车轮电机编码器3041，与控制器301相连接，用于检测车轮实时速度并发送至控制器301；车轮电机驱动控制器3042，分别与控制器301和车轮电机3043相连接，用于接收控制器301发送的车轮待移动速度，并根据车轮待移动速度控制车轮电机运行。车轮电机编码器同样能够反馈车轮电机的编码信息，也就是车轮电机转动的准确位置(角度)，通过算法可以得到速度以及加速度。

需要注意的是，本实施例中的车轮控制设备和腿部控制设备的具体结构并不仅仅局限于上述提到的电机驱动控制器、电机编码器和电机的结构。例如：电机驱动控制器和电机为一个设备，电机编码器为另一个设备；或者电机驱动控制器、电机编码器和电机为一个设备；或者电机驱动控制器和电机编码器为一个设备(例如电调)，电机为一个单独的设备。以上结构都可以实现通过控制器发送的信号来控制电机的转速，进而控制机器人车轮或腿部的移动速度。因此，车轮控制设备和腿部控制设备的具体结构并不单一，可据实际情况而定。

在上述基础上，控制器还与九轴加速度传感器相连接，用于接收九轴加速度传感器检测的机器人的整体移动速度和移动方向，进而根据移动速度和移动方向对车轮的移动速度和移动方向、腿部的移动速度和移动方向进行核查，以确保机器人以目标速度朝目标方向移动。

上述实施例中通过腿部电机编码器和轮部电机编码器分别对机器人的腿部实时移动信息和车轮实时速度进行检测，并结合上位机发送的目标速度，对车轮和腿部进行速度调整控制，同时为实现对不同复杂地面的适应性，本申请通过距离传感器检测机器人车轮即将经过的地面情况，以此调整机器人的腿长，以此保证机器人的移动平稳性。而且通过九轴加速度传感器能够对机器人移动进行方向和速度核查，确保机器人移动速度和方向的准确性。

在上述实施例的基础上，本申请中还公开了一种控制系统，具体情况如下：

图4是本实用新型一实施例提供的轮腿复合式机器人运动控制系统结构图。参见图4，一种轮腿复合式机器人运动控制系统，包括：

上位机控制器401、以及与上位机控制器401通信连接的如上述所述的轮腿复合式机器人运动控制设备402。

其中，上位机控制器401与轮腿复合式机器人运动控制设备402通过无线通信模块进行通信连接。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或设定数目个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种轮腿复合式机器人运动控制设备，其特征在于，包括：

控制器、多个腿部控制设备、多个车轮控制设备和多个距离传感器；

所述腿部控制设备设置于轮腿复合式机器人的腿部；所述车轮控制设备设置于所述轮腿复合式机器人的车轮；

所述距离传感器设置在轮腿复合式机器人的底盘上，用于检测所述底盘与轮腿复合式机器人的车轮即将经过的地面的距离并发送至所述控制器；

所述控制器，分别与所述腿部控制设备、所述车轮控制设备和所述距离传感器相连接，用于根据目标速度和车轮实时速度得到车轮待移动速度，并发送至所述车轮控制设备，根据目标速度、腿部实时移动信息和所述距离得到腿部待移动信息，并发送至所述腿部控制设备；所述目标速度由上位机控制器发送，所述车轮实时速度由所述车轮控制设备检测得到，所述腿部实时移动信息由所述腿部控制设备检测得到；所述腿部待移动信息包括腿部待移动速度和腿长调整信息；所述腿部移动信息包括腿部实时移动速度和实时腿长；

所述车轮控制设备根据所述车轮待移动速度控制所述车轮的移动速度；

所述腿部控制设备根据所述腿部待移动信息控制所述腿部的移动速度和腿长。

2.根据权利要求1所述的轮腿复合式机器人运动控制设备，其特征在于，还包括：与所述控制器相连接的九轴加速度传感器；

所述九轴加速度传感器用于检测所述轮腿复合式机器人的移动速度及移动方向并发送至所述控制器；

所述控制器还用于根据所述移动速度和所述移动方向纠正所述车轮和所述腿部的移动速度和移动方向。

3.根据权利要求1所述的轮腿复合式机器人运动控制设备，其特征在于，所述腿部控制设备包括：腿部电机驱动控制器、腿部电机编码器和腿部电机；

所述腿部电机编码器，与所述控制器相连接，用于检测所述腿部实时移动信息并发送至所述控制器；

所述腿部电机驱动控制器，分别与所述控制器和所述腿部电机相连接，用于接收所述控制器发送的所述腿部待移动信息，并根据所述腿部待移动信息控制所述腿部电机运行。

4.根据权利要求1所述的轮腿复合式机器人运动控制设备，其特征在于，所述腿部控制设备包括：腿部电调和腿部电机；

所述腿部电调，分别与所述控制器和所述腿部电机相连接，用于检测所述腿部实时移动信息并发送至所述控制器；并接收所述控制器发送的所述腿部待移动信息，根据所述腿部待移动信息控制所述腿部电机运行。

5.根据权利要求1所述的轮腿复合式机器人运动控制设备，其特征在于，所述车轮控制设备包括：车轮电机驱动控制器、车轮电机编码器和车轮电机；

所述车轮电机编码器，与所述控制器相连接，用于检测所述车轮实时速度并发送至所述控制器；

所述车轮电机驱动控制器，分别与所述控制器和所述车轮电机相连接，用于接收所述控制器发送的所述车轮待移动速度，并根据所述车轮待移动速度控制所述车轮电机运行。

6.根据权利要求1所述的轮腿复合式机器人运动控制设备，其特征在于，所述车轮控制设备包括：车轮电调和车轮电机；

所述车轮电调，分别与所述控制器、所述车轮电机相连接，用于检测所述车轮实时速度并发送至所述控制器；并接收所述控制器发送的所述车轮待移动速度，根据所述车轮待移动速度控制所述车轮电机运行。

7.根据权利要求1所述的轮腿复合式机器人运动控制设备，其特征在于，所述车轮控制设备的个数为4和/或所述腿部控制设备的个数为4和/或距离传感器的个数为4。

8.根据权利要求1所述的轮腿复合式机器人运动控制设备，其特征在于，所述距离传感器的个数不小于所述车轮控制设备的个数。

9.根据权利要求1所述的轮腿复合式机器人运动控制设备，其特征在于，还包括：与所述控制器相连接的无线通信模块，用于接收上位机控制器发送的所述目标速度。

10.一种轮腿复合式机器人运动控制系统，其特征在于，包括：

上位机控制器、以及与所述上位机控制器通信连接的如权利要求1-9任一项所述的轮腿复合式机器人运动控制设备。

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