一种多构态移动机器人及其控制方法

本发明涉及机器人，具体涉及一种多构态移动机器人及其控制方法。

背景技术：

1、随着机器人技术的发展，移动机器人已广泛应用于工业巡检、灾后救援、野外探测、公共服务等诸多场景。不同作业场景对机器人的移动性能提出了差异化需求：平坦路面要求移动速度快、能耗低；崎岖地面地形要求越障能力强、地形适应性好；大倾角壁面场景要求具备攀爬抓附能力。

2、传统移动机器人多采用单一运动构态：轮式机器人平地运动效率高、控制简单，但越障能力弱，无法适应崎岖地形与攀爬场景；足式机器人通过多关节腿部运动实现高灵活性越障，但平地行驶速度慢、能耗高、控制复杂度高；履带式机器人虽然兼具一定的越障能力和较大的接地面积，但存在结构笨重、能量效率低、转弯半径大等缺陷。

3、现有的多构态移动机器人大多采用模块叠加的设计思路，在同一平台上安装多套独立的驱动系统，虽然实现了多构态运动，但结构复杂、能耗高。混合式移动机器人因增加额外自由度使得机构复杂度增加。例如，中国专利文献cn120397107a，公开(公告)日：2025.08.01，公开了一种基于变胞结构的轮腿组合式移动井下抢险作业机器人，其特点在于：通过变胞结构设计实现机身框架与轮腿的形态可变，两侧对称布置轮腿和单腿支腿，利用多舵机协同控制完成轮式到腿式的平滑过渡，采用传感器融合实时调整姿态，确保动态稳定性和地形适应能力；其不足之处在于：其一、该方案中，各支腿的构态变化由各支腿独立切换，无法统一且同步的切换，由于各支腿在上一构态时的状态各不相同，会导致控制程序复杂；其二、该机器人不具备在大倾角壁面上行走的条件。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，提供一种多构态移动机器人及其控制方法，能够在快速行进、复杂越障与大倾角攀爬三种工况间灵活切换，并且各机械腿能够在变胞连杆单元的驱动下实现足式构态、轮式构态及爪式构态之间的统一切换，使得控制程序更为简单。

2、为了解决上述技术问题，本发明的目的是这样实现的：

3、第一方面，本发明提出了一种多构态移动机器人，包括机体，还包括：

4、构态驱动机构，安装于机体，用于输出同步旋转动力；

5、变胞连杆机构，包括四个安装在机体两侧的变胞连杆单元，各变胞连杆单元均与构态驱动机构同步传动连接；

6、移动机构，包括四个机械腿，各机械腿与变胞连杆单元一一对应连接，并能够在变胞连杆单元的驱动下实现足式构态、轮式构态及爪式构态之间的统一切换。

7、构态驱动机构包括驱动电机、主动轴、主动锥齿轮、从动锥齿轮以及两根从动轴，驱动电机固定安装在机体的一侧，主动轴和从动轴转动安装在机体上；

8、驱动电机的输出轴与主动轴中部连接传动，以驱动主动轴转动，主动轴的两端分别安装有主动锥齿轮，两个主动锥齿轮分别与安装在从动轴上的从动锥齿轮啮合传动；

9、从动轴的两端分别与机体两侧变胞连杆单元的动力输入端连接，以将驱动电机的动力同步传递至各变胞连杆单元。

10、变胞连杆单元包括间隔布置于机体外侧壁上的第一连架杆和第二连架杆，第一连架杆的一端与构态驱动机构动力输出端连接，以接收动力输入，第二连架杆的一端与机体枢轴铰接，第一连架杆和第二连架杆的另一端分别固设有摆动轴，长连杆的两端分别活动套接在两侧的摆动轴上；机械腿位于长连杆的外侧，并与第一连架杆上的摆动轴连接固定。

11、机械腿包括腿模块、车轮以及攀爬爪，腿模块一端与变胞连杆单元连接，另一端安装有足端脚垫，车轮通过车轮支架安装在腿模块上，车轮内集成有轮毂电机；攀爬爪安装在腿模块靠近足端脚垫一端的侧面；

12、在足式构态下，足端脚垫朝下能够与攀爬面接触；在轮式构态下，车轮朝下能够与攀爬面接触；在爪式构态下，攀爬爪朝下能够与攀爬面接触。

13、腿模块包括髋关节连接件、大腿连接件及小腿连杆；

14、髋关节连接件的一端通过第一关节电机与对应的变胞连杆单元连接，髋关节连接件的另一端通过第二关节电机与大腿连接件连接，大腿连接件的另一端通过第三关节电机与小腿连杆连接；

15、小腿连杆的末端固定连接有足端脚垫，髋关节连接件上固定连接有车轮支架，小腿连杆上固定连接有攀爬爪。

16、攀爬爪包括中心支撑柱，中心支撑柱一端与腿模块安装固定，另一端沿圆周方向枢轴铰接有多个抓板，抓板远离中心支撑柱的一端与爪垫连杆的一端枢轴铰接，爪垫连杆的另一端向上延伸并与下环形滑移座枢轴铰接，下环形滑移座滑动套装在中心支撑柱上，中心支撑柱在位于下环形滑移座的上侧还滑动套装有上环形滑移座；

17、中心支撑柱上在位于上环形滑移座与下环形滑移座之间还固定安装有电机支撑板，电机支撑板上安装有爪驱动电机，爪驱动电机的输出轴上安装有传动齿轮，传动齿轮与齿条啮合，齿条的两端分别与上环形滑移座、下环形滑移座固定连接；

18、抓板的底部外侧设置有钩爪。

19、抓板的底部安装有爪垫，爪垫为柔弹性材质，爪垫外侧设置有多个外伸的抓指，抓指末端的底部固设有若干钩爪。

20、机体上在对应每个变胞连杆单元处还安装有锁止单元；锁止单元包括电磁锁，电磁锁的伸缩端设置有阀芯；

21、第一连架杆的杆身中部沿长度方向开设有第一锁止孔，长连杆的杆身沿长度方向开设有第二锁止孔；第一锁止孔和第二锁止孔分别用于与电磁锁配合实现不同构态的锁止；

22、在爪式攀爬构态下，变胞连杆单元驱动机械腿整体向前翻转至第一连架杆平行于机体的基准位置，电磁锁驱动阀芯伸出并穿入第一锁止孔，以将变胞连杆单元刚化为零自由度；

23、在轮式行进构态下，变胞连杆单元驱动机械腿整体向后翻转，使第一连架杆从基准位置向后翻转180°，电磁锁驱动阀芯伸出并穿入第二锁止孔，以将变胞连杆单元刚化为零自由度；

24、在足式越障构态下，电磁锁驱动阀芯缩回，第一连架杆、长连杆与第二连架杆可相对转动，变胞连杆单元呈可变形四杆机构状态。

25、机体上还安装有摄像头及机器视觉控制系统，摄像头设置于机体顶部，机器视觉控制系统通过摄像头获取环境信息并输出控制信号，控制信号同步控制构态驱动机构及机械腿动作。

26、第二方面，本发明还提出了一种用于所述多构态移动机器人的控制方法，包括以下状态控制：

27、a、爪式攀爬构态控制

28、变胞连杆单元驱动机械腿整体向前翻转至第一连架杆平行于机体的基准位置，变胞连杆单元锁定；

29、第一关节电机驱动髋关节连接件上下俯仰，控制机械腿整体抬升与下压，使攀爬爪接近或脱离壁面；

30、第二关节电机与第三关节电机分别驱动大腿连接件和小腿连杆左右偏转，调整攀爬姿态与抓附角度

31、攀爬爪的钩爪抓附于壁面缝隙或粗糙表面，形成多点阵列式抓附，实现稳定可靠的壁面攀爬；

32、b、轮式行进构态控制

33、变胞连杆单元驱动机械腿整体向后翻转，使第一连架杆从基准位置向后翻转180°，使机械腿上的车轮向下朝向壁面，变胞连杆单元锁定；

34、各机械腿在关节电机断电锁止状态下保持收起姿态，贴附于机体侧面，形成紧凑结构，整个腿部转化为连接机体与车轮的刚性支架，由轮毂电机驱动车轮，实现高速平面移动；

35、c、足式越障构态控制

36、变胞连杆单元解除锁定，第一连架杆、长连杆与第二连架杆能够相对转动，变胞连杆单元呈可变形四杆机构状态；

37、第一关节电机、第二关节电机以及第三关节电机协同驱动机械腿实现多关节行走，足垫触地；其中，第一关节电机驱动髋关节连接件左右偏转，控制行走方向与步宽；第二关节电机与第三关节电机分别驱动大腿连接件和小腿连杆前后俯仰，完成抬腿、迈步、收腿动作；

38、整机处于足式构态，各机械腿呈行走姿态，机体抬升至较高位置，利用多关节腿的大幅度抬腿动作跨越障碍物，实现越障行。

39、通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

40、1、本发明通过变胞连杆机构驱动机械腿同步变形，可在足式越障、轮式行进、爪式攀爬三种构态间灵活统一切换。轮式行进构态下依靠轮毂电机实现平地高速行驶，能耗低、效率高，解决了足式机器人平地速度慢的问题；足式越障构态下通过仿蜘蛛多关节腿部运动实现崎岖地形越障行走，通过性强，解决了轮式机器人越障能力弱的问题；爪式攀爬构态下通过仿壁虎多点阵列式抓附结构实现大倾角壁面攀爬，解决了现有轮式、足式机器人无法进行垂直壁面作业的问题。三种构态可全面适配不同复杂程度的作业环境。

41、2、本发明变中胞连杆机构采用单电机集中驱动方案，通过主动直齿轮与从动直齿轮构成的一级减速、主动锥齿轮与从动锥齿轮构成的换向传动，将动力同步分配至两根从动轴，进而驱动四个变胞连杆单元同步动作。与现有技术中多电机独立驱动方案相比，本发明无需多电机协同控制，传动结构紧凑、成本低；纯机械齿轮传动保证了四腿构态切换的角位移与角速度完全一致，无相位差，切换后整机姿态平稳、支撑受力均匀，解决了现有技术中构态切换不同步导致整机偏斜的问题，并且控制更为简单。

42、3、本发明集成机器视觉系统，通过摄像头实时采集环境信息，图像处理模块识别地形类型并自主决策构态切换策略，无需人工干预即可完成自适应变形，实现无人化场景下的自主作业。

43、4、本发明的三个关节电机在三种构态下具有不同的运动功能，足式越障构态下第一关节电机偏转、第二第三关节电机俯仰；爪式攀爬构态下第一关节电机俯仰、第二第三关节电机偏转；轮式行进构态下三个关节电机均断电锁止。这种动态分配方式使同一套关节电机系统能够适配三种构态下不同的运动需求，无需增加额外的驱动单元，既保证了各构态下腿部运动的灵活性，又最大程度简化了机械结构与控制系统。