CN106828651B - 一种可变形的轮足运动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变形的轮足运动机器人，包括控制系统和机械系统，机械系统包括躯干、轮式运动机构和安装在躯干上的四条具有多运动自由度的腿部运动机构，轮式运动机构包括安装在机械系统后部的四个轮子和驱动至少一个轮子的驱动电机，各腿部运动机构包括串接在一起的若干舵机，各舵机的输出轴相互垂直，控制系统控制各舵机转动以调整各腿部运动机构的位姿，此通过腿部运动机构和轮式运动机构的设置，平地运动时采用轮式运动机构运动，当遭遇复杂地形时，通过调整前后的腿部运动机构位姿以实现轮式运动和足式运动间的运动模式切换，该可变形的轮足运动机器人运动灵活、环境适应能力强，此发明用于四足机器人技术领域。

Description

一种可变形的轮足运动机器人

技术领域

本发明涉及四足机器人技术领域，特别是涉及一种可变形的轮足运动机器人。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，在面对恶劣环境和复杂地形时，利用运动机器人的变形功能来增强其地形适应和自主运动能力是近年发展较快的一种机器人技术。相比轮式、履带式或一般足式运动机器人，轮足可变形式机器人具有越障能力强、运动速度高的特点。

对国内外复杂环境下的移动机器人分析后发现，当前机器人的运动机构主要采用轮式机构、履带式机构、腿式机构以及它们的复合机构等形式。轮式机构移动速度很快，控制也简单，但是在越障方面表现极差；履带式机构环境适应能力很强，尤其加了摆臂之后，但是能耗大；腿式结构，由于机器人的足端与地面是点接触，对环境要求低，因而越障能力强，但是运动速度低，结构和控制都较为复杂；复合式结构，如履腿式、轮履式、轮腿式甚至轮履腿式，往往会将其各方面的优点结合起来，发挥各自最好的性能优势，应用也越来越广，但其控制有一定的复杂性。

考虑到复杂环境下作业的移动机器人系统的功能需求，急需设计一种四足可变形的轮腿运动相结合的移动机器人，搭载传感器，并能被远程控制。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种运动灵活、环境适应能力强的可变形的轮足运动机器人。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可变形的轮足运动机器人，包括控制系统和机械系统，机械系统包括躯干、轮式运动机构和安装在躯干上的四条具有多运动自由度的腿部运动机构，轮式运动机构包括安装在机械系统后部的四个轮子和驱动至少一个轮子的驱动电机，各腿部运动机构包括串接在一起的若干舵机，各舵机的输出轴相互垂直，控制系统控制各舵机转动以调整各腿部运动机构位姿以实现轮式运动和足式运动间的运动模式切换。

作为上述技术方案的进一步改进，各腿部运动机构包括依次串接固定在一起的第一舵机、第一舵机支架、第二舵机支架、第二舵机、第三舵机和第三舵机支架，第一舵机前后摆动方向安装，第二舵机左右摆动方向安装，第三舵机前后摆动方向安装。

作为上述技术方案的进一步改进，四个轮子分别安装在躯干后部的两条腿部运动机构的上下两端。

作为上述技术方案的进一步改进，驱动电机有两个，还设置有安装两驱动电机在躯干后部左右两侧的两电机支架，两轮子分别与两驱动电机传动连接，另外两轮子分别转动连接在后部的两第三舵机支架上。

作为上述技术方案的进一步改进，各第三舵机支架的底端设置有防滑垫。

作为上述技术方案的进一步改进，躯干为由3D打印制作而成的方形板，躯干的前后两侧中部均开设有U形切口，各腿部运动机构固定连接在躯干的四个边角处。

作为上述技术方案的进一步改进，控制系统包括主芯片、电源模块、WIFI模块、舵机控制端口、直流电机控制端口、USART、电源输出模块、传感器模块、直流电机驱动器和程序下载模块。

作为上述技术方案的进一步改进，控制系统基于ARM开发，传感器模块包括摄像头和姿态传感器。

本发明的有益效果：此可变形的轮足运动机器人通过腿部运动机构和轮式运动机构的设置，平地运动时采用轮式运动机构运动，当遭遇复杂地形时，躯干前部的两腿部运动机构伸直到与躯干垂直，接着躯干后部的两腿部运动机构往前摆，直至前部的两腿部运动机构着地，此时前部的两腿部运动机构往前摆，直至躯干达到水平位置，然后四腿部运动机构回复到原始位置，完成运动模式切换，该可变形的轮足运动机器人运动灵活、环境适应能力强。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是可变形的轮足运动机器人的四足运动模式结构示意图；

图2是可变形的轮足运动机器人的轮式运动模式结构示意图。

具体实施方式

参照图1和图2，本发明为一种可变形的轮足运动机器人，包括控制系统和机械系统，机械系统包括躯干1、轮式运动机构和安装在躯干1上的四条具有多运动自由度的腿部运动机构，轮式运动机构包括安装在机械系统后部的四个轮子7和驱动至少一个轮子7的驱动电机8，各腿部运动机构包括串接在一起的若干舵机，各舵机的输出轴相互垂直，控制系统控制各舵机转动以调整各腿部运动机构位姿以实现轮式运动和足式运动间的运动模式切换。

通过腿部运动机构和轮式运动机构的设置，平地运动时采用轮式运动机构运动，当遭遇复杂地形时，躯干1前部的两腿部运动机构伸直到与躯干1垂直，接着躯干1后部的两腿部运动机构往前摆，直至前部的两腿部运动机构着地，此时前部的两腿部运动机构往前摆，直至躯干1达到水平位置，然后四腿部运动机构回复到原始位置，完成运动模式切换，该可变形的轮足运动机器人运动灵活、环境适应能力强。

作为优选的实施方式，各腿部运动机构包括依次串接固定在一起的第一舵机2、第一舵机支架31、第二舵机支架32、第二舵机41、第三舵机42和第三舵机支架5，第一舵机2前后摆动方向安装，第二舵机41左右摆动方向安装，第三舵机42前后摆动方向安装。

作为优选的实施方式，四个轮子7分别安装在躯干1后部的两条腿部运动机构的上下两端。

作为优选的实施方式，驱动电机8有两个，还设置有安装两驱动电机8在躯干1后部左右两侧的两电机支架9，两轮子7分别与两驱动电机8传动连接，另外两轮子7分别转动连接在后部的两第三舵机支架5上。

作为优选的实施方式，各第三舵机支架5的底端设置有防滑垫6，各防滑垫6为橡胶防滑垫。

作为优选的实施方式，躯干1为由3D打印制作而成的方形板，躯干1的前后两侧中部均开设有U形切口，各腿部运动机构固定连接在躯干1的四个边角处。

作为优选的实施方式，控制系统包括主芯片、电源模块、WIFI模块、舵机控制端口、直流电机控制端口、USART、电源输出模块、传感器模块、直流电机驱动器和程序下载模块。

作为优选的实施方式，控制系统固定设置在躯干1上，控制系统基于ARM开发，传感器模块包括摄像头和姿态传感器，姿态传感器为MPU6050姿态传感器，控制系统的功能主要是对传感器模块回传的数据进行采集处理，然后无线传输给上位机，根据上位机分析结果对腿部运动机构上各舵机和驱动电机8进行协调控制。

作为优选的实施方式，第一舵机2为单轴舵机，第二舵机41和第三舵机42均为双轴舵机，两电机支架9固定设置在躯干1的后部左右两侧，两驱动电机8通过两电机支架9固定设置在躯干1后部的左右两侧，两驱动电机8均为直流无刷电机，两轮子7分别与两驱动电机8传动连接成为主动轮，另外两轮子7分别转动连接在后部的两第三舵机支架5上成为从动轮。

作为优选的实施方式，该可变形的轮足运动机器人足式运动时，各腿部运动机构末端采用抛物线形状的运动方式实现运动，在给定末端轨迹的情况下基于MATLAB的机器人工具箱逆解计算出各舵机在每个时刻的输出角度，通过控制系统控制各舵机的运动以使四条腿交替运动，实现足式运动。

轮式运动时，和两驱动电机8相连的两轮子7为主动轮，另外的两轮子7为被动轮，通过第二舵机41的转动角度以调节机器人轮式运动时的运动方向。

当需要由足式运动模式转换到轮式运动模式时，首先四条腿部运动机构伸直与地面呈垂直状，接着后部的两腿部运动机构同时向前摆动，前部的两腿部运动机构向后摆动，此时两主动轮着地，后部的两腿部运动机构恢复伸直状态且前部的两腿部运动机构下摆至极限位置，即完成转换过程。

当需要由轮式运动模式切换到足式运动模式时，首先前部的两腿部运动机构伸直至与躯干1垂直位置，后部的两腿部运动机构慢慢前摆，直至前部的两腿部运动机构着地，此时前部的两腿部运动机构慢慢前摆，直到躯干1达到水平位置为止，然后四条腿部运动机构同时回复到初始位置即可，即完成转换过程。

当然，本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种可变形的轮足运动机器人，其特征在于：包括控制系统和机械系统，所述机械系统包括躯干(1)、轮式运动机构和安装在所述躯干(1)上的四条具有多运动自由度的腿部运动机构，所述轮式运动机构包括安装在机械系统后部的四个轮子(7)和驱动至少一个轮子(7)的驱动电机(8)，四个所述轮子(7)分别安装在躯干(1)后部的两条腿部运动机构的上下两端，各所述腿部运动机构包括串接在一起的若干舵机，各所述舵机的输出轴相互垂直，所述控制系统控制各舵机转动以调整各腿部运动机构位姿以实现轮式运动和足式运动间的运动模式切换。

2.根据权利要求1所述的可变形的轮足运动机器人，其特征在于：各所述腿部运动机构包括依次串接固定在一起的第一舵机(2)、第一舵机支架(31)、第二舵机支架(32)、第二舵机(41)、第三舵机(42)和第三舵机支架(5)，所述第一舵机(2)前后摆动方向安装，所述第二舵机(41)左右摆动方向安装，所述第三舵机(42)前后摆动方向安装。

3.根据权利要求2所述的可变形的轮足运动机器人，其特征在于：所述驱动电机(8)有两个，还设置有安装两所述驱动电机(8)在躯干(1)后部左右两侧的两电机支架(9)，两所述轮子(7)分别与两所述驱动电机(8)传动连接，另外两所述轮子(7)分别转动连接在后部的两第三舵机支架(5)上。

4.根据权利要求3所述的可变形的轮足运动机器人，其特征在于：各所述第三舵机支架(5)的底端设置有防滑垫(6)。

5.根据权利要求1所述的可变形的轮足运动机器人，其特征在于：所述躯干(1)为由3D打印制作而成的方形板，所述躯干(1)的前后两侧中部均开设有U形切口，各所述腿部运动机构固定连接在躯干(1)的四个边角处。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的可变形的轮足运动机器人，其特征在于：所述控制系统包括主芯片、电源模块、WIFI模块、舵机控制端口、直流电机控制端口、USART、电源输出模块、传感器模块、直流电机驱动器和程序下载模块。

7.根据权利要求6所述的可变形的轮足运动机器人，其特征在于：所述控制系统基于ARM开发，所述传感器模块包括摄像头和姿态传感器。