CN114952884A - 轮足一体化机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了轮足一体化机器人，包括机身、腿、控制板、电机驱动和电池机构；四个腿沿机身的两侧对称布置；电池与控制板连接，控制板与电机驱动连接，电机驱动与电动机连接，电动机与腿连接。机器人工作时，电池为整个机器人提供动力，控制板控制电机工作，电机驱动腿进行工作。相比传统足结构机器人能够大幅度提高行进速度，在非结构化地形以足结构行进。机器人自由度高，轻便灵活，对地形适应能力以及在各种路况下的性能较高。该轮足机器人同时具有行走移动速度快、较强的越障功能、适应环境强等优势，在搭载合适的工具后可灵活应用于消防救援、航天航空、侦查探测等多个领域，具有很高的实用性。
Description
技术领域
本发明是对轮足一体化机器人设计与实现，属于机器人设计改进领域。
背景技术
由于机器人的运动能力受到结构地形的限制，随后逐渐开始了足式机器人的研制。对比早期机器人的运动状况，足式机器人可以在崎岖不平的地面环境中自由运动，对地形的适应能力更强；尽管足式机器人在凹凸地面环境下的运动能力较强，但在平坦的地面环境中，轮式机器人的运动速度要显著高于足式机器人。
轮足式机器人对非结构化环境有很强的适应能力,同时又能避免控制难度较大的缺点,是目前机器人领域的研究热点问题之一。但是,现有针对轮足式机器人的研究都是轮、足分离式的,机器人的结构比较复杂,容易受到环境空间的限制。因此,合理优化轮足式机器人的结构、增强其普适性具有较强的理论和实际应用价值。近年来，国内外诸多学者针对复合式运动机器人进行了大量的研究，都表明轮、足结合的机器人机构对地形环境的适应能力更强，同时机器人具有更高的机动性和实用性。相对于日本、西方等发达国家，我国在轮、足复合式移动机器人领域的研究相对薄弱，但是随着经济的发展进步，国家对机器人领域的研究越来越重视，国内一些高校和科研单位也加大了对轮、足混合式机器人运动的研究力度。
发明内容
本发明的目的在于轮足一体化机器人的设计与实现，该机器人将具备轮式和足式两种运动模式，可以通过巧妙切换变形完成运动模式选择，机器人上装备超声波传感器用于简单避障、配备摄像头用于图像回传及反馈(后期用于环境感知及路径规划)，可作为运载工具执行勘探救援等任务。该轮足机器人同时具有行走移动速度快、较强的越障功能、适应环境强等优势，在搭载合适的工具后可灵活应用于消防救援、航天航空、侦查探测等多个领域，具有很高的实用性。
本发明主要是突破现有的技术不足，创新性的将轮式与足式机器人相结合，使机器人在经历简单的足部变形之后就可以实现轮式与足式的相互转换，能够更好的适应不同的复杂地形，更好的应对不同的使用需求。
本发明采用的技术方案为轮足一体化机器人，包括机身主体(1)、轮足盘(2)、腿(3)。四条腿(3)沿机身(1)的两侧对称布置；四条腿(3)分为两组，每组两条腿，每组的两条腿(3)最底部关节固定在轮足盘(2)，机身主体(1)内安装有总控电机(4)、控制板(5)和电池(6)。电池(6)与控制板(5)连接，控制板(5)与总控电机(4)连接，总控电机(4)与轮足盘(2)连接，轮足盘(2)与腿(3)连接。控制板(5)与总控电机(4)及机器人的舵机相连，用于控制机器人运动。
腿由舵机、支撑主体、旋转关节、半轮和锁死结构构成，共分为四个区；第一区包括轮足盘(2)、第一支撑主体(15)、第一舵机(7)、第一旋转关节(11)。轮足盘(2)与第一支撑主体(15)通过第一舵机(7)与第一旋转关节(11)连接。在以足式运动时，第一支撑主体(15)在第一舵机(1)的带动下能够绕第一旋转关节(11)旋转。在以轮式运动时，第一支撑主体(15)在第一舵机(1)的带动下旋转至水平方向，然后不再旋转；第二区包括第一支撑主体(15)、第二支撑主体(16)、第二舵机(8)和第二旋转关节(12)。第一支撑主体(15)和第二支撑主体(16)通过第二舵机(8)和第二旋转关节(12)连接。在以足式运动时，第二支撑主体(16)在第二舵机(8)的带动下可能够绕第二旋转关节(12)旋转。在以轮式运动时，第二支撑主体(16)在第二舵机(8)的带动下旋转至水平方向然后不再旋转。第三区包括第二支撑主体(16)、第一半轮(13)、第三舵机(9)、第一半轮(13)、第二半轮(14)、第四舵机(10)。第二支撑主体(16)和第一半轮(13)通过第三舵机(9)连接。第一半轮(13)和第二半轮(14)通过第四舵机(10)连接；在进行轮足转换时，第二半轮(14)在第四舵机(10)的带动下旋转半圈然后通过锁死结构(17)进行锁死，将第一半轮(13)和第二半轮(14)拼成完整可旋转轮，从而实现轮足结构的转换。
所述控制板(5)上设有定位模块、摄像头模块、麦克风、Wi-Fi模块、综合检测模块以及轮足控制模块，所述定位模块、摄像头模块、麦克风、Wi-Fi模块、综合检测模块均与轮足控制模块相连。
所述机身主体(1)由主体框架、外置金属保护壳构成。腿(3)与机身主体(1)的主体框架通过双头螺栓轴向连接，外置金属保护壳与机身主体(1)上部固定连接；
所述定位模块包括gps系统和GY953 AHRS惯性传感器，能够根据规划完成巡逻任务的路线。
所述总控电机(4)、控制板(5)经由所述电池(6)供电，并由轮足控制模块控制产生运动脉冲信号；轮足控制模块将运动脉冲信号分别传至四条腿的足轮盘(2)位置处，足轮盘(2)既连接机身主体(1)与四条腿；轮足控制模块作为控制四条腿的运动脉冲信号载体，对第一舵机(7)进行控制，为腿部运动提供第一个自由度的运动控制，使各腿的第一旋转关节(11)能够进行水平运动。同时，传递至第二舵机(8)、第三舵机(9)的运动信号也由控制板(5)经由足轮盘(2)位置进行传递。
轮足转换及两种状态分别运动的过程中，控制板(5)给出统一的运动脉冲信号以完成对各舵机的同步控制，通过步态分析计算不同状态下舵机的控制信号状态；控制板(5)发出运动脉冲信号，对应舵机接收并完成相应运动状态，即可通过控制板(5)同步控制四足中各舵机的运动状态以完成机器人的各运动步态。
所述摄像头模块安装在机身主体(1)的前部及后部，可以监控周围环境，实现无死角监控。麦克风采用麦克风传感器MAX9814，麦克风传感器MAX9814安装在机身主体(1)的顶部，并由一个圆柱体支撑。Wi-Fi模块ESP-12S内嵌于机身主体(1)，能够通过移动设备进行连接和控制。通过Wi-Fi模块提供巡逻、监控和报警功能；所述轮足控制模块包含遥控和声控两种模式，当地形平坦时采用轮控制模式，当地形较为崎岖或较为复杂时则采用足控制模式。综合检测模块包括湿度传感器SHT30、压力压强传感器MY2901和红外传感器HC141。湿度传感器SHT30和压力压强传感器MY2901安装在机身主体(1)的内部，红外传感器HC141安装在机身主体(1)表面。
与现有技术相比，本发明具有以下创新性：
1、该轮足机器人具备轮式和足式两种运动模式，可以通过巧妙切换变形完成运动模式选择。两种运动模式使得轮足机器人同时具有移动速度快、越障功能较强、适应环境强、控制方便、机动性能好等优势，且运动性能也能得到保障。
2、该轮足机器人不仅具有对不同复杂路面更高的通过性，还具有一定负载能力。在搭载合适的工具后可灵活应用于消防救援、航天航空、侦查探测等多个领域，具有很高的实用性。
3、该机器人机械结构简单牢固，拥有较高的稳定性。同时在简单的机械结构上能达到对各个轮轴的精准控制。在整体稳定的基础上达到控制上的灵活。
附图说明
图1机器人整体形态及标号。
图2控制驱动系统及标号。
图3机器人腿组及标号。
图4机器人轮轴及标号。
图5腿部足式形态及标号。
图6腿部轮式形态及标号。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行说明。
机器人的单腿结构如图3、图4所示，由舵机(7、8、9、10)，支撑主体(15、16)，旋转关节(11、12)和半轮(13、14)、锁死结构(17)构成。第一区包括轮足盘(2)、第一支撑主体(15)、第一舵机(7)、第一旋转关节(11)。轮足盘(2)与第一支撑主体(15)通过第一舵机(7)与第一旋转关节(11)连接。在以足式运动时，第一支撑主体(15)在第一舵机(1)的带动下能够绕第一旋转关节(11)旋转。在以轮式运动时，第一支撑主体(15)在第一舵机(1)的带动下旋转至水平方向，然后不再旋转；第二区包括第一支撑主体(15)、第二支撑主体(16)、第二舵机(8)和第二旋转关节(12)。第一支撑主体(15)和第二支撑主体(16)通过第二舵机(8)和第二旋转关节(12)连接。在以足式运动时，第二支撑主体(16)在第二舵机(8)的带动下可能够绕第二旋转关节(12)旋转。在以轮式运动时，第二支撑主体(16)在第二舵机(8)的带动下旋转至水平方向然后不再旋转。第三区包括第二支撑主体(16)、第一半轮(13)、第三舵机(9)、第一半轮(13)、第二半轮(14)、第四舵机(10)。第二支撑主体(16)和第一半轮(13)通过第三舵机(9)连接。第一半轮(13)和第二半轮(14)通过第四舵机(10)连接；在进行轮足转换时，第二半轮(14)在第四舵机(10)的带动下旋转半圈然后通过锁死结构(17)进行锁死，将第一半轮(13)和第二半轮(14)拼成完整可旋转轮，从而实现轮足结构的转换。整体结构中，第一旋转关节(11)和第二旋转关节(12)使整条腿有更高的灵活度，可以在任意非结构化地形上有较强的适应力。同时，锁死结构(17)使第一半轮(13)、第二半轮(14)在运动过程中能够保持相对静止。
定位模块、摄像头模块、麦克风、Wi-Fi模块、综合检测模块以及通讯模块分别与轮足控制模块相连，电源模块向轮足控制模块、电机驱动器及电机供电。
机身主体(1)由主体框架、外置金属保护壳构成。腿(3)与机身主体(1)的主体框架通过双头螺栓轴向连接，外置金属保护壳与机身主体(1)上部固定连接；所述定位模块固定在所述的金属保护壳上，所述定位模块包括gps系统和GY953 AHRS惯性传感器，随时向移动设备发送位置信息和运动状态，能够根据规划完成巡逻任务的路线。
所述摄像头模块安装在机身主体(1)的前部及后部，可以监控周围环境，实现无死角监控。麦克风采用麦克风传感器MAX9814，麦克风传感器MAX9814安装在机身主体(1)的顶部，并由一个圆柱体支撑，使其更容易检测周围的声波和接收工人的语音命令。Wi-Fi模块ESP-12S内嵌于机身主体(1)，能够通过移动设备进行连接和控制。通过Wi-Fi模块提供巡逻、监控和报警功能。由于安装了功能强大的Wi-Fi发射机，所以工作范围很广。所述轮足控制模块为机器人的核心模块，轮足控制模块的控制板嵌于机身内部，与各模块相连，各模块均采用并联方式连接；所述轮足控制模块包含遥控和声控两种模式，当地形平坦时采用轮控制模式，当地形较为崎岖或较为复杂时则采用足控制模式。综合检测模块包括湿度传感器SHT30、压力压强传感器MY2901和红外传感器HC141。湿度传感器SHT30和压力压强传感器MY2901安装在机身主体(1)的内部，红外传感器HC141安装在机身主体(1)表面。湿度传感器SHT30和压力压强传感器MY2901主要用于检测所在路面的物理性质，例如潮湿程度和软硬度，分辨出沼泽、沙地等非结构化地形，红外传感器HC141主要用于检测地面地形，以避免撞到障碍物和及时调整腿部受力，上述传感器使用时应注意其表面刚度以延长寿命。当综合检测模块检测到路面物理性质变化时，机器人会通过Wi-Fi模块通知控制人员并报警。
机器人控制器为Arduino Uno R3，32路，主控芯片为ATMega328P，工作电压5V，伺服电机驱动器为130ST-M06025，用于调整机器人的方向和状态。这个机器人是由一个18650电池组12伏输出。
该机器人的行走过程如下所述：
1)直行时，采用行走步态(Walk)。
①足(19)、足(20)、足(21)保持静止维持机体稳定，足(18)通过第二旋转关节(12)进行抬腿动作，将轮足抬离地面，同时旋转轮足的第一旋转关节(11)使得轮足接地点具有水平向前的位移。足(18)移动结束后，足(19)采用同样的移动方式产生相同的水平向前位移。
②在前两足移动结束机体稳定后，固定机体四足位置，移动机器人躯干向前平移，使得机器人主体的重心具有水平向前的位移。
③机器人躯干移动完成、机身稳定后，采用同样流程移动足(20)、足(21)：先稳定足(18)、足(19)与足(20)，通过足(21)的第二旋转关节(12)的运动使得后腿抬起，同时第一旋转关节(11)，使得足(21)具有和足(18)、足(19)相同的前向位移，移动后保持固定。之后再使用同样的流程移动足(20)，使四足相对位移不变，整体完成前向移动一定距离的任务，即完成直行。
2)后退时，运动情况完全对称，四足运动顺序为：足(20)、足(21)先后产生向后的水平位移，其舵机运动顺序同直行状态，稳定后移动机器人躯干产生整体的后向位移，最后再移动足(18)、足(19)，完成整体机身的后向位移。
3)左转时，左组(18，21)与右组(19，20)同时触地，且左组(18，21)移动步长减小，右组(19，20)移动步长增大，移动步态维持行走(Walk)不变，通过左右组水平方向位移的距离差实现左转。
4)右转时，左组(18，21)与右组(19，20)同时触地，且左组(18，21)移动步长增大，右组(19，20)移动步长减小，移动步态维持行走(Walk)不变，通过左右组水平方向位移的距离差实现右转。
5)足结构变形为轮结构时，四足切换模式方式相同，第四舵机(10)向外旋转，通过第二半轮(14)沿轮轴顺时针旋转180°与第一半轮(13)构成整轮并通过锁死结构(17)锁死。此时整体机身保持静止，仅通过轮上舵机旋转对轮进行补全，锁死后整轮即可通过控制旋转的舵机进行轮的控制。
6)轮结构变形为足结构时，第四舵机(10)向内旋转，通过控制第二半轮(14)沿轮轴逆时针旋转180°与第一半轮(13)重合并通过锁死结构(17)锁死。此时整体机身保持静止，仅通过轮上舵机旋转使整轮还原为半轮，锁死后重新恢复为足式姿态，通过行走步态进行运动。
Claims (8)
1.轮足一体化机器人，其特征在于：包括机身主体(1)、轮足盘(2)、腿(3)；四条腿(3)沿机身(1)的两侧对称布置；四条腿(3)分为两组，每组两条腿，每组的两条腿(3)最底部关节固定在轮足盘(2)，机身主体(1)内安装有总控电机(4)、控制板(5)和电池(6)；电池(6)与控制板(5)连接，控制板(5)与总控电机(4)连接，总控电机(4)与轮足盘(2)连接，轮足盘(2)与腿(3)连接；控制板(5)与总控电机(4)及机器人的舵机相连，用于控制机器人运动。
2.根据权利要求1所述的轮足一体化机器人，其特征在于：腿由舵机、支撑主体、旋转关节、半轮和锁死结构构成，共分为四个区；第一区包括轮足盘(2)、第一支撑主体(15)、第一舵机(7)、第一旋转关节(11)；轮足盘(2)与第一支撑主体(15)通过第一舵机(7)与第一旋转关节(11)连接；在以足式运动时，第一支撑主体(15)在第一舵机(1)的带动下能够绕第一旋转关节(11)旋转；在以轮式运动时，第一支撑主体(15)在第一舵机(1)的带动下旋转至水平方向，然后不再旋转；第二区包括第一支撑主体(15)、第二支撑主体(16)、第二舵机(8)和第二旋转关节(12)；第一支撑主体(15)和第二支撑主体(16)通过第二舵机(8)和第二旋转关节(12)连接；在以足式运动时，第二支撑主体(16)在第二舵机(8)的带动下可能够绕第二旋转关节(12)旋转；在以轮式运动时，第二支撑主体(16)在第二舵机(8)的带动下旋转至水平方向然后不再旋转；第三区包括第二支撑主体(16)、第一半轮(13)、第三舵机(9)、第一半轮(13)、第二半轮(14)、第四舵机(10)；第二支撑主体(16)和第一半轮(13)通过第三舵机(9)连接；第一半轮(13)和第二半轮(14)通过第四舵机(10)连接；在进行轮足转换时，第二半轮(14)在第四舵机(10)的带动下旋转半圈然后通过锁死结构(17)进行锁死，将第一半轮(13)和第二半轮(14)拼成完整可旋转轮，从而实现轮足结构的转换。
3.根据权利要求1所述的轮足一体化机器人，其特征在于：所述控制板(5)上设有定位模块、摄像头模块、麦克风、Wi-Fi模块、综合检测模块以及轮足控制模块，所述定位模块、摄像头模块、麦克风、Wi-Fi模块、综合检测模块均与轮足控制模块相连。
4.根据权利要求1所述的轮足一体化机器人，其特征在于：所述机身主体(1)由主体框架、外置金属保护壳构成；腿(3)与机身主体(1)的主体框架通过双头螺栓轴向连接，外置金属保护壳与机身主体(1)上部固定连接。
5.根据权利要求1所述的轮足一体化机器人，其特征在于：所述定位模块包括gps系统和GY953 AHRS惯性传感器，能够根据规划完成巡逻任务的路线。
6.根据权利要求1所述的轮足一体化机器人，其特征在于：所述总控电机(4)、控制板(5)经由所述电池(6)供电，并由轮足控制模块控制产生运动脉冲信号；轮足控制模块将运动脉冲信号分别传至四条腿的足轮盘(2)位置处，足轮盘(2)既连接机身主体(1)与四条腿；轮足控制模块作为控制四条腿的运动脉冲信号载体，对第一舵机(7)进行控制，为腿部运动提供第一个自由度的运动控制，使各腿的第一旋转关节(11)能够进行水平运动；同时，传递至第二舵机(8)、第三舵机(9)的运动信号也由控制板(5)经由足轮盘(2)位置进行传递。
7.根据权利要求1所述的轮足一体化机器人，其特征在于：轮足转换及两种状态分别运动的过程中，控制板(5)给出统一的运动脉冲信号以完成对各舵机的同步控制，通过步态分析计算不同状态下舵机的控制信号状态；控制板(5)发出运动脉冲信号，对应舵机接收并完成相应运动状态，即可通过控制板(5)同步控制四足中各舵机的运动状态以完成机器人的各运动步态。
8.根据权利要求1所述的轮足一体化机器人，其特征在于：所述摄像头模块安装在机身主体(1)的前部及后部，可以监控周围环境，实现无死角监控；麦克风采用麦克风传感器MAX9814，麦克风传感器MAX9814安装在机身主体(1)的顶部，并由一个圆柱体支撑；Wi-Fi模块ESP-12S内嵌于机身主体(1)，能够通过移动设备进行连接和控制；通过Wi-Fi模块提供巡逻、监控和报警功能；所述轮足控制模块包含遥控和声控两种模式，当地形平坦时采用轮控制模式，当地形较为崎岖或较为复杂时则采用足控制模式；综合检测模块包括湿度传感器SHT30、压力压强传感器MY2901和红外传感器HC141；湿度传感器SHT30和压力压强传感器MY2901安装在机身主体(1)的内部，红外传感器HC141安装在机身主体(1)表面。
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2022
- 2022-05-22 CN CN202210559151.5A patent/CN114952884A/zh active Pending
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