輪腿複合移動機器人的製作方法

2023-07-22 18:39:37 3

本實用新型屬於機器人技術領域，尤其是涉及一種輪腿複合移動機器人。

背景技術：

腿式機器人的優點是不僅能在平坦地面上行走而且可以在崎嶇地面上步行，可跨越溝壑，上下臺階，還可做無滑動的完整和單向運動，並為其上的傳感器提供穩定的動態平臺，因此具有廣泛的適用性，但其存在缺點，即較難實現其穩定步態規劃和穩定平衡控制，運動速度與能量的利用效率較低，另外，腿式機器人一般較重，且結構複雜。輪式機器人優點是，自動操作簡單，動作穩定，特別適合在平坦的地面上運動，有更大的運動速度和能量利用效率，是目前廣泛使用的一類機器人。但是與腿式機器人相比，其對地形的適應性較差，很難做到跨越高度和爬樓梯。

隨著社會的不斷發展，為解決複雜的路面行走問題，設計了方便、快速的輪腿變換的機器人，集成了輪式機器人和腿式機器人各自的優點，同時，也彌補了輪式機器人和腿式機器人各自的缺點，具有各取所長，相互彌補的特點。申請號為200810056851.2的中國專利申請公布了一種輪腿兩用式移動機器人，該機器人採用輪腿結合運動模式，包括機體，機體兩側對稱安裝有四條結構相同的具有輪、足兩用功能的腿，每條腿包括大腿和小腿，大腿的兩端位於大腿內側轉動裝配有兩個大輪，位於機器人內部的大輪通過傳動軸連接，傳動軸與動力源連接，每條腿上位於機器人外部的大輪上轉動裝配有小腿，小腿的末端轉動裝配有小輪，小輪上設置有用於控制小輪從動或止轉的電磁抱閘。該機器人通過傳動軸上的離合器進行輪腿模式切換，上述大輪和小輪均繞腿徑向延伸的各自對應的轉軸轉動。在切換為腿式工作時，大腿與機體保持一定角度，然後小腿繞軸旋轉運動實現機器人的行走，這種輪腿複合機器人結構大多是將輪與腿結合在一起的串聯結構，並無明顯的「輪」運動形式和「腿」運動形式的區分，其適應地形的特性也大多是為了使機器人可以越障，而非使機器人通過使用不同的運動形式而發揮出每種運動形式最大的優勢。所以，這種輪腿複合機器人在遇到故障時很容易因為結構的限制而使兩種運動模式均處於癱瘓狀態。

技術實現要素：

本實用新型的目的是針對現有輪腿複合機器人技術的不足之處，提供一種輪或腿兩種獨立運動且可相互切換的輪腿複合移動機器人。

本實用新型的技術構思為：針對現有技術中輪腿複合移動機器人設計為串聯式結構可能帶來並無輪或腿獨立運動明顯區分而造成適應性差的問題，設計了一種具有並聯結構和並聯控制電路系統的輪腿複合移動機器人。他可以令機器人切換兩種不同的輪或腿獨立運動模式，每種運動模式適應特定的地形，以便機器人可以發揮每種運動模式最大的優勢。其次，為使機器人可以勝任載具與移動平臺的功能，開發出可以拓展功能的嵌入式系統，增加了計算機雲臺與機械手作為擴展結構並開發出相應的控制系統，增強機器人的實用性。

本實用新型的技術方案為：一種輪腿複合移動機器人，其包括機體、獨立安裝在機體上的多個機械腿和輪部、給機械腿和輪部提供動力的電源系統、控制機械腿與輪部相互切換和控制兩者行動的操控裝置，以及安裝在機體上的外殼；機體包括上層板支架，下層板支架，連接上、下層板支架的連接架。電源系統安裝在上層板支架上，多個機械腿分布安裝在上層板支架的邊緣處，多個輪部分布安裝在連接架的周圍，每個機械腿上安裝至少三個機械爪，每個機械爪的自由端能夠獨立朝機體的中心線靠近或遠離，相互協作完成抓取球狀或不規則物體。處於機器人尾部的上層板支架的一側安裝有電力操作平臺，用以控制機器人的電力供應和安全保護。機器人安裝的拓展組件為計算機雲臺，該計算機雲臺安裝有外殼，計算機雲臺安裝在上層板支架支架上。計算機雲臺內裝有遠程控制系統和圖像採集系統組件；所述的輪部包括直流電機、聯軸器、電機座、輪軸和萬向輪，輪部安裝在下層板支架上。為了減輕萬向輪在地面上轉動時產生的震動，在輪部模塊與機器人上層板支架之間裝有彈簧減震器和減震器安裝架構成的減震結構。

每一條機械腿都具有三個轉動副，也即三個自由度，這三個轉動副充當了機械腿的關節。根據昆蟲的機械腿結構進行仿生設計，與機身最近的部位是機械腿安裝架，也是機械腿與機身的連接處。然後是關節連接件、股骨連接件以及脛部連接架，最後是足尖，機械腿的每一個關節都由舵機驅動。在機器人處於輪式運動模式時，六條機械腿離地收緊，當機器人處於「腿」運動模式時，六足支撐起機器人步行。機器人的足尖是重要的傳感零件，其中有壓力傳感器，通過力的反饋，機器人可以調整步態和位姿達到適應地形保持平衡的效果。計算機雲臺具有三個自由度，其主要由數個連接件和三個舵機構成，其上安有大燈，可以保證夜間或陰暗處機器人的圖像採集。此外，雲臺上還可以搭載圖像採集系統，其具有的陀螺儀可以保證圖像採集的穩定性。雲臺上還具備無線傳輸系統，可以遠程接收信號。機器人的電力由鋰電池供應，安裝在上層板支架上的電力平臺還安裝有電壓表、總物理開關、輪腿複合運動系統各物理開關和輪腿複合運動系統各繼電器裝置等電子器件。

優選的，所述的上層板支架或下層板支架包括主體部、自主體部側壁朝外延伸形成的延伸部和自主體部頂端設置有連接部，延伸部為板狀體，每個延伸部上設置容置方孔和圓孔，且容置方孔位於圓孔的上方，容置方孔和圓孔用於組裝機械爪用插孔，連接部上設置多個圓孔，圓孔中穿置螺栓後和機械臂連接組裝為一體。

優選的，所述的機械爪包括舵機、主動搖杆、從動搖杆和彎曲件，彎曲件的連接端設置可插接的圓孔，舵機固定安裝在容置方孔中，主動搖杆的一端安裝在舵機的轉軸上，主動搖杆的另一端和彎曲件的連接端通過轉軸連接，從動搖杆的一端通過轉軸連接，從動搖杆的另一端和彎曲件的連接端通過轉軸連接。每個機械爪的自由端能夠獨立朝支架的中心線靠近或遠離，多個機械爪的自由端朝支架的中心線靠近相互協作完成抓取球狀或不規則物體，從而提高了抓取的成功率。

優選的，為了恰好抓緊物體而不至於損壞物體的外表面或結構，彎曲件內側設置凹槽，在凹槽安裝壓力傳感器，該壓力傳感器和舵機電信號連接，壓力傳感器和對應電信號連接的舵機安裝在同一個機械爪上。

優選的，上述機械爪還包括保護殼，保護殼安裝在支架的延伸部上，舵機、主動搖杆和從動搖杆連接在延伸部的端部收容在保護殼中。

優選的，上述能夠靈活抓取球狀或不規則物體的多功能機械爪還包括轉動機構，轉動機構安裝於支架上，轉動機構能夠使支架繞著轉動機構的轉軸轉動。

與現有技術相比，本實用新型的有益效果是：

1、本實用新型的技術方案首先保證了機器人可以最大程度利用機械腿和輪部兩種不同的運動形式適應各種地形環境，通過並聯的控制系統使機器人可以快速、安全的切換不同的運動模式。

2、本實用新型通過增強機器人結構與控制系統的擴展性，機器人可以搭載各種所需要的中小型設備，利用優異的運動性能使機器人不單純是一個移動平臺，還具有針對性專業工作能力。

3、本實用新型包括上層板支架、下層板支架和每個機械腿至少三個機械爪，上述多個機械爪分別安裝在支架的周側，每個機械爪的自由端能夠獨立朝支架的中心線靠近或遠離，多個機械爪的自由端朝支架的中心線靠近相互協作完成抓取球狀或不規則物體，從而提高了抓取的成功率。

附圖說明

圖1為本實用新型整體結構示意圖。

圖2為本實用新型的支架及主要零部件結構示意圖。

圖3為本實用新型上層板支架，下層板支架，連接上、下層板支架的連接架結構示意圖。

圖4為本實用新型舵機連接支架、操控平臺支架結構示意圖。

圖5為本實用新型輪部機構結構示意圖。

圖6為本實用新型機械爪結構示意圖。

圖7為本實用新型電氣電路原理圖。

圖中：機體1、機械腿2、機械臂3、機械爪4、計算機雲臺外殼5、操控平臺6、上層板支架7、輪部8、彈簧減震器9、機械臂安裝架10、機械腿安裝架11、機械腿舵機12、機械腿關節連接件13、足尖14、脛部關節連接件15、股骨關節連接件16、計算機雲臺裝置17、電源系統18、電源平臺支架19、下層板支架20、上下板支架連接架21、減震器安裝架22、照明燈23、雲臺舵機連接架24、舵機支架25、操控平臺支架26、直流電機27、計算機雲臺擋圈28、聯軸器29、電機座30、輪軸31、保護殼32、轉動機構33、主動搖杆34、從動搖杆35、彎曲件36、機械爪舵機37、總電壓表38、總繼電器39、總開關40、穩壓電源41、控制器電源42、計算機雲臺電源43、雲臺與遠程控制系統44、主控制板45、控制器開關46、控制器繼電器47、電機控制器48、機械腿系統電源49、機械腿系統電源繼電器50、萬向輪控制器51、舵機控制器52、機械腿系統電源電壓表53、機械腿控制器54。

具體實施方式

本實用新型的具體實施方式結合附圖作進一步說明。

參閱圖1至圖6，一種輪腿複合移動機器人，該其包括機體1、獨立安裝在機體上的多個機械腿2和輪部8、給機械腿2和輪部8提供動力的電源系統18、控制機械腿與輪部相互切換和控制兩者行動的操控裝置6以及安裝在機體上的外殼；機體1包括上層板支架7，下層板支架20，連接上、下層板支架的連接架21。電源系統18安裝在上層板支架7上，多個機械腿2分布安裝在上層板支架7的邊緣處，多個輪部分布安裝在連接架21的周圍，輪部中的行走輪為萬向輪。每個機械腿上安裝至少三個機械爪4，每個機械爪的自由端能夠獨立朝機體的中心線靠近或遠離，相互協作完成抓取球狀或不規則物體。處於機器人尾部的上層板支架7的一側安裝有電力操作平臺19，用以控制機器人的電力供應和安全保護。機器人安裝的拓展組件為計算機雲臺裝置17，該雲臺裝置17上安裝有外殼5，計算機雲臺裝置17安裝在上層板支架7上。計算機雲臺裝置17內裝有遠程控制系統和圖像採集系統組件；所述的輪部包括直流電機27、聯軸器29、電機座30與軸承座、輪軸31和萬向輪，萬向輪通過輪軸31和聯軸器29相連，輪部系統安裝在下層板支架20上，電機座30安裝在聯軸器29上。為了減輕萬向輪在地面上轉動時產生的震動，在輪部與機器人上層板支架7之間裝有彈簧減震器9和減震器安裝架22構成的減震結構。

本機器人的機械腿2為六條，每一條機械腿都具有三個轉動副，也即三個自由度，這三個轉動副充當了機械腿的關節。該機械腿結構是根據昆蟲的腿進行仿生設計，與機體1最近的部位是機械腿安裝架11，也是機械腿與機體的連接處。然後是機械腿關節連接件13、股骨關節連接件16以及脛部關節連接架15，最後是足尖14，機械腿的每一個關節都由舵機驅動。在機器人處於輪式運動模式時，六條機械腿離地收緊，當機器人處於「腿」運動模式時，六足支撐起機器人步行。機器人的足尖14是重要的傳感零件，其中有壓力傳感器，通過力的反饋，機器人可以調整步態和位姿達到適應地形保持平衡的效果。計算機雲臺17具有三個自由度，主要由連接件和舵機構成，其上安有照明燈23，可以保證夜間或陰暗處機器人的圖像採集。此外，雲臺上還可以搭載圖像採集系統，其具有的陀螺儀可以保證圖像採集的穩定性。雲臺上還具備無線傳輸系統，可以遠程接收信號。機器人的電力由鋰電池供應，安裝在上層板支架7上的電力平臺上還安裝有總電壓表38、總開關40、輪腿複合運動系統各開關和輪腿複合運動系統各繼電器裝置等電子器件。

優選的，所述的上層板支架7或下層板支架20包括主體部、自主體部側壁朝外延伸形成的延伸部和自主體部頂端設置有連接部，延伸部為板狀體，每個延伸部上設置容置方孔和圓孔，且容置方孔位於圓孔的上方，容置方孔和圓孔用於組裝機械爪用插孔，連接部上設置多個圓孔，圓孔中穿置螺栓後和機械臂3連接組裝為一體。

優選的，所述的機械爪4包括機械爪舵機37、主動搖杆34、從動搖杆35和彎曲件36，彎曲件的連接端設置可插接的圓孔，機械爪舵機37固定安裝在容置方孔中，主動搖杆34的一端安裝在機械爪舵機37的轉軸上，主動搖杆的另一端和彎曲件36的連接端通過轉軸連接，從動搖杆35的一端通過轉軸連接，從動搖杆的另一端和彎曲件的連接端通過轉軸連接。每個機械爪的自由端能夠獨立朝支架的中心線靠近或遠離，多個機械爪的自由端朝支架的中心線靠近相互協作完成抓取球狀或不規則物體，從而提高了抓取的成功率。

優選的，為了恰好抓緊物體而不至於損壞物體的外表面或結構，彎曲件36內側設置凹槽，在凹槽內安裝壓力傳感器，該壓力傳感器和舵機電信號連接，壓力傳感器和對應電信號連接的舵機安裝在同一個機械爪上。

優選的，上述機械爪還包括保護殼32，保護殼32安裝在支架的延伸部上，機械爪舵機、主動搖杆和從動搖杆連接在延伸部的端部收容在保護殼32中。

優選的，上述能夠靈活抓取球狀或不規則物體的多功能機械爪還包括轉動機構33，轉動機構33與機械腿2相連接，轉動機構33能夠使機械腿2繞著轉動機構33的轉軸轉動。

如圖7所示，本實用新型的主要電器元件包括總電壓表38、總繼電器39、總開關40、總穩壓電源41，總繼電器39通過總開關40與總穩壓電源41連通，總電壓表38與總開關呈並聯連接關係。總繼電器39和總穩壓電源41分別與控制器電源42、計算機雲臺電源43、雲臺與遠程控制系統44、主控制板45、控制器開關46、控制器繼電器47、電機控制器48、機械腿系統電源49、機械腿系統電源繼電器50、萬向輪控制器51、舵機控制器52、機械腿系統電源電壓表53、機械腿控制器54相連通，形成電氣迴路。其中，主控制板45、萬向輪控制器51和舵機控制器52呈並聯連接關係。