本發(fā)明涉及四足機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種可變形的輪足運(yùn)動(dòng)機(jī)器人。

背景技術(shù)：

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，在面對(duì)惡劣環(huán)境和復(fù)雜地形時(shí)，利用運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的變形功能來(lái)增強(qiáng)其地形適應(yīng)和自主運(yùn)動(dòng)能力是近年發(fā)展較快的一種機(jī)器人技術(shù)。相比輪式、履帶式或一般足式運(yùn)動(dòng)機(jī)器人，輪足可變形式機(jī)器人具有越障能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)速度高的特點(diǎn)。

對(duì)國(guó)內(nèi)外復(fù)雜環(huán)境下的移動(dòng)機(jī)器人分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要采用輪式機(jī)構(gòu)、履帶式機(jī)構(gòu)、腿式機(jī)構(gòu)以及它們的復(fù)合機(jī)構(gòu)等形式。輪式機(jī)構(gòu)移動(dòng)速度很快，控制也簡(jiǎn)單，但是在越障方面表現(xiàn)極差；履帶式機(jī)構(gòu)環(huán)境適應(yīng)能力很強(qiáng)，尤其加了擺臂之后，但是能耗大；腿式結(jié)構(gòu)，由于機(jī)器人的足端與地面是點(diǎn)接觸，對(duì)環(huán)境要求低，因而越障能力強(qiáng)，但是運(yùn)動(dòng)速度低，結(jié)構(gòu)和控制都較為復(fù)雜；復(fù)合式結(jié)構(gòu)，如履腿式、輪履式、輪腿式甚至輪履腿式，往往會(huì)將其各方面的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各自最好的性能優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用也越來(lái)越廣，但其控制有一定的復(fù)雜性。

考慮到復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的功能需求，急需設(shè)計(jì)一種四足可變形的輪腿運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的移動(dòng)機(jī)器人，搭載傳感器，并能被遠(yuǎn)程控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種運(yùn)動(dòng)靈活、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的可變形的輪足運(yùn)動(dòng)機(jī)器人。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種可變形的輪足運(yùn)動(dòng)機(jī)器人，包括控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)包括軀干、輪式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和安裝在軀干上的四條具有多運(yùn)動(dòng)自由度的腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，輪式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括安裝在機(jī)械系統(tǒng)后部的四個(gè)輪子和驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)輪子的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，各腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括串接在一起的若干舵機(jī)，各舵機(jī)的輸出軸相互垂直，控制系統(tǒng)控制各舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以調(diào)整各腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)位姿以實(shí)現(xiàn)輪式運(yùn)動(dòng)和足式運(yùn)動(dòng)間的運(yùn)動(dòng)模式切換。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，各腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括依次串接固定在一起的第一舵機(jī)、第一舵機(jī)支架、第二舵機(jī)支架、第二舵機(jī)、第三舵機(jī)和第三舵機(jī)支架，第一舵機(jī)前后擺動(dòng)方向安裝，第二舵機(jī)左右擺動(dòng)方向安裝，第三舵機(jī)前后擺動(dòng)方向安裝。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，四個(gè)輪子分別安裝在軀干后部的兩條腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的上下兩端。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)有兩個(gè)，還設(shè)置有安裝兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)在軀干后部左右兩側(cè)的兩電機(jī)支架，兩輪子分別與兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)連接，另外兩輪子分別轉(zhuǎn)動(dòng)連接在后部的兩第三舵機(jī)支架上。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，各第三舵機(jī)支架的底端設(shè)置有防滑墊。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，軀干為由3D打印制作而成的方形板，軀干的前后兩側(cè)中部均開(kāi)設(shè)有U形切口，各腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定連接在軀干的四個(gè)邊角處。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，控制系統(tǒng)包括主芯片、電源模塊、WIFI模塊、舵機(jī)控制端口、直流電機(jī)控制端口、USART、電源輸出模塊、傳感器模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和程序下載模塊。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，控制系統(tǒng)基于ARM開(kāi)發(fā)，傳感器模塊包括攝像頭和姿態(tài)傳感器。

本發(fā)明的有益效果：此可變形的輪足運(yùn)動(dòng)機(jī)器人通過(guò)腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和輪式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)置，平地運(yùn)動(dòng)時(shí)采用輪式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)遭遇復(fù)雜地形時(shí)，軀干前部的兩腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)伸直到與軀干垂直，接著軀干后部的兩腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)往前擺，直至前部的兩腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)著地，此時(shí)前部的兩腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)往前擺，直至軀干達(dá)到水平位置，然后四腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)回復(fù)到原始位置，完成運(yùn)動(dòng)模式切換，該可變形的輪足運(yùn)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：

圖1是可變形的輪足運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的四足運(yùn)動(dòng)模式結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是可變形的輪足運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的輪式運(yùn)動(dòng)模式結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D1和圖2，本發(fā)明為一種可變形的輪足運(yùn)動(dòng)機(jī)器人，包括控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)包括軀干1、輪式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和安裝在軀干1上的四條具有多運(yùn)動(dòng)自由度的腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，輪式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括安裝在機(jī)械系統(tǒng)后部的四個(gè)輪子7和驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)輪子7的驅(qū)動(dòng)電機(jī)8，各腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括串接在一起的若干舵機(jī)，各舵機(jī)的輸出軸相互垂直，控制系統(tǒng)控制各舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以調(diào)整各腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)位姿以實(shí)現(xiàn)輪式運(yùn)動(dòng)和足式運(yùn)動(dòng)間的運(yùn)動(dòng)模式切換。

通過(guò)腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和輪式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)置，平地運(yùn)動(dòng)時(shí)采用輪式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)遭遇復(fù)雜地形時(shí)，軀干1前部的兩腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)伸直到與軀干1垂直，接著軀干1后部的兩腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)往前擺，直至前部的兩腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)著地，此時(shí)前部的兩腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)往前擺，直至軀干1達(dá)到水平位置，然后四腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)回復(fù)到原始位置，完成運(yùn)動(dòng)模式切換，該可變形的輪足運(yùn)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，各腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括依次串接固定在一起的第一舵機(jī)2、第一舵機(jī)支架31、第二舵機(jī)支架32、第二舵機(jī)41、第三舵機(jī)42和第三舵機(jī)支架5，第一舵機(jī)2前后擺動(dòng)方向安裝，第二舵機(jī)41左右擺動(dòng)方向安裝，第三舵機(jī)42前后擺動(dòng)方向安裝。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，四個(gè)輪子7分別安裝在軀干1后部的兩條腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的上下兩端。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)8有兩個(gè)，還設(shè)置有安裝兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)8在軀干1后部左右兩側(cè)的兩電機(jī)支架9，兩輪子7分別與兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)8傳動(dòng)連接，另外兩輪子7分別轉(zhuǎn)動(dòng)連接在后部的兩第三舵機(jī)支架5上。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，各第三舵機(jī)支架5的底端設(shè)置有防滑墊6，各防滑墊6為橡膠防滑墊。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，軀干1為由3D打印制作而成的方形板，軀干1的前后兩側(cè)中部均開(kāi)設(shè)有U形切口，各腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定連接在軀干1的四個(gè)邊角處。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，控制系統(tǒng)包括主芯片、電源模塊、WIFI模塊、舵機(jī)控制端口、直流電機(jī)控制端口、USART、電源輸出模塊、傳感器模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和程序下載模塊。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，控制系統(tǒng)固定設(shè)置在軀干1上，控制系統(tǒng)基于ARM開(kāi)發(fā)，傳感器模塊包括攝像頭和姿態(tài)傳感器，姿態(tài)傳感器為MPU6050姿態(tài)傳感器，控制系統(tǒng)的功能主要是對(duì)傳感器模塊回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，然后無(wú)線傳輸給上位機(jī)，根據(jù)上位機(jī)分析結(jié)果對(duì)腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上各舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)8進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，第一舵機(jī)2為單軸舵機(jī)，第二舵機(jī)41和第三舵機(jī)42均為雙軸舵機(jī)，兩電機(jī)支架9固定設(shè)置在軀干1的后部左右兩側(cè)，兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)8通過(guò)兩電機(jī)支架9固定設(shè)置在軀干1后部的左右兩側(cè)，兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)8均為直流無(wú)刷電機(jī)，兩輪子7分別與兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)8傳動(dòng)連接成為主動(dòng)輪，另外兩輪子7分別轉(zhuǎn)動(dòng)連接在后部的兩第三舵機(jī)支架5上成為從動(dòng)輪。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，該可變形的輪足運(yùn)動(dòng)機(jī)器人足式運(yùn)動(dòng)時(shí)，各腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)末端采用拋物線形狀的運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在給定末端軌跡的情況下基于MATLAB的機(jī)器人工具箱逆解計(jì)算出各舵機(jī)在每個(gè)時(shí)刻的輸出角度，通過(guò)控制系統(tǒng)控制各舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)以使四條腿交替運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)足式運(yùn)動(dòng)。

輪式運(yùn)動(dòng)時(shí)，和兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)8相連的兩輪子7為主動(dòng)輪，另外的兩輪子7為被動(dòng)輪，通過(guò)第二舵機(jī)41的轉(zhuǎn)動(dòng)角度以調(diào)節(jié)機(jī)器人輪式運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向。

當(dāng)需要由足式運(yùn)動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到輪式運(yùn)動(dòng)模式時(shí)，首先四條腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)伸直與地面呈垂直狀，接著后部的兩腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)向前擺動(dòng)，前部的兩腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)向后擺動(dòng)，此時(shí)兩主動(dòng)輪著地，后部的兩腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)恢復(fù)伸直狀態(tài)且前部的兩腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)下擺至極限位置，即完成轉(zhuǎn)換過(guò)程。

當(dāng)需要由輪式運(yùn)動(dòng)模式切換到足式運(yùn)動(dòng)模式時(shí)，首先前部的兩腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)伸直至與軀干1垂直位置，后部的兩腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)慢慢前擺，直至前部的兩腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)著地，此時(shí)前部的兩腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)慢慢前擺，直到軀干1達(dá)到水平位置為止，然后四條腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)回復(fù)到初始位置即可，即完成轉(zhuǎn)換過(guò)程。

當(dāng)然，本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施方式，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可作出等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請(qǐng)權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。