一种轮腿式机器人及其控制方法与流程

本发明涉及机器人，具体涉及一种轮腿式机器人及其控制方法。

背景技术：

1、现有腿式或轮腿式机器人大多为小型化、轻量化设计，整体及机械腿结构的承载能力有限，如常见的机器狗，其承载能力多为数十公斤至百公斤左右，其支腿或轮腿多采用单根的细杆件。若要增加载荷承载能力、加大整体尺寸，就需要加长、加粗腿体，为减轻腿体重量、提高承载能力，行业主要采用两种构型：其一为单根机械管体镂空减重构型，其二为板型腿构型。单管或单管镂空构型在腿体增粗、增长时，面临与串联机械臂相同的“扭矩爆炸”问题——即腿体越长越重、关节驱动需求越大，陷入“越长越重越难驱动”的耦合困境；板型腿构型则仅在腿体弯曲平面方向具有较好承载能力，而在垂直于弯曲平面的侧向承载能力天然不足，在果园坡地、凹凸非标准地形作业、承受偏心载荷时，易导致腿体侧向形变、压溃失效，全向承载均衡性差。

2、因此，现有轮腿式机器人体型小、承载能力有限，无法搭载较大载荷及较长的机械臂进行重载荷、长时间的作业。而若单纯放大整机体型以提升载重，使承载能力达到数百公斤甚至吨级，现有机械腿构型无法同时兼顾轻量化、全向高刚性、大承载、低关节驱动扭矩四项相互制约的核心需求。此外，现有剪叉式升降方案仅能将上部作业平台抬升至固定高度，其底盘自身离地高度无法改变，车身姿态不能随地形起伏主动调整，难以适应非标准化果园的复杂起伏地形。因此，存在对一种底盘高度可独立调节、姿态可主动适应地形的轮腿式作业底盘的需求，以搭载采摘机械臂并承载数百公斤级乃至更高重量的作业载荷。

技术实现思路

1、为解决现有轮腿式机器人腿型轻量化、高刚性及细腿、镂空腿重载承载能力不足及长腿、重腿驱动难的问题，本发明提供了一种具有轻量化、全向高刚性、可承受重载荷、长腿体且易驱动的轮腿式机器人及其控制方法，为数百公斤乃至吨级重载承载场景，尤其是为农村非标准化果园提供一种适配采摘机械臂的底盘高度可独立调节、姿态可主动适应地形的作业底盘。

2、一种基于多杆平行桁架式腿型的轮腿式机器人，包括载重基体、桁架式轮腿和轮腿关节驱动机构。载重基体优选为框架式结构，包括载重基体上部框架和载重基体平底盘，优选在竖直方向采用空心管型结构件连接构成由多个三角形框架组合而成的立体框架，在保证尽量减轻自重的条件下，尽可能提升竖直方向的结构承载能力和稳定性；载重基体底盘的底面设有与轮腿对应的减振装置。

3、更进一步，为扩展应用范围并适配更多上层设备，载重基体可简化为平板式结构，用于搭载机械臂、载重容器或其他作业模块。此外，所述载重基体外部可增设封闭式、半封闭式防护壳体、厢体罩等附属外轮廓结构，该类外壳仅起到防尘、防护、规整整机外观作用，不参与主要承载，内部承力主体仍为平板式、框架式或其组合结构，均属于本发明载重基体等同替换实施方式。

4、桁架式轮腿可配置为不少于2组由平行桁架式刚性受力框架构成的轮腿腿型，优选载重基体采用4组，可根据基体长度、腿长及通过性需求灵活配置数量，也可配置为单组轮腿的构型，例如单腿轮式平衡作业机器人。每组轮腿包含至少一节腿体单元，单节或多节串联布置均可。优选轮腿由多节依次串联的腿体单元构成，每节腿体单元包括多杆平行桁架式刚性受力框架和末端转接组件。刚性受力框架横截面投影点为含至少一个三角形的闭环轮廓，轴向呈前后全贯通的镂空结构，每节腿体单元内部的主承力结构仅由刚性杆件与末端转接组件共同构成，无额外封闭壁板、无框架内部承重支撑件，可实现轻量化的同时，依托三角形结构的固有刚性保障抗扭抗弯性能，在腿体的各方向均具有均衡的刚性承载能力。腿体外侧可增设独立防护外壳、包覆罩体，该类外部壳体仅起到防尘、防碰撞外观规整作用，属于本构型常规等同实施方式。

5、本发明多杆平行桁架式刚性受力框架，整体刚度并非单纯依靠刚性杆件自身实现，而是刚性杆件与末端转接组件组合形成的整体效应。末端转接组件对多根刚性杆件端部形成强制固结约束，在空间构建几何不变受力体系；一旦缺少两端末端转接组件的约束，分散布置的刚性杆件无法形成有效承力结构。

6、优选的，每组轮腿采用一节腿体单元构成腿型，对于抬升高度有更高需求的应用场景，每组轮腿可采用不少于2节的腿体单元构成腿型。轮腿的刚性杆件优选为3根圆管型腿体杆，三个腿体杆在垂直于管体轴线的截面投影呈等边三角形平行布局。更进一步，腿体杆的数量不限于三根，可根据载荷需求进行优化调整。增加杆件数量时，可采用更细、更薄的管体，在同等或更优的刚性条件下进一步降低单根杆件重量，但制造和装配复杂度会相应增加，本领域技术人员可根据实际需求在重量、刚度和工艺成本之间进行权衡选择。末端转接组件分为承载式末端转接组件与关节扭转式末端转接组件，驱动轮通过轮边电机采用轴承连接安装于承载式末端转接组件的伸出耳上，并与驱动轮传动连接。所述驱动轮可采用轮边电机或者轮毂电机驱动两种可选实施方式，本实施方式优选轮边电机。驱动轮优选采用左右两侧对称布置的双轮结构，以增大触地面积，提升受力均衡性和运行稳定性；对于抬腿、减重有较高需求的场景，驱动轮可选用单侧布置。

7、关节扭转式末端转接组件与轮腿关节驱动机构连接，优选采用齿轮齿盘偏心驱动方式，通过传动比放大效应，使较小扭矩的驱动源即可驱动重载车身；同时可实现超过180°的大角度摆腿动作，以适配不同地形和跨越障碍物的需求。

8、承载式末端转接组件在轮腿呈收拢状态时贴靠载重基体底部，并在贴靠部位设置弹性减振装置，通过承载式末端转接组件的框架结构与载重基体的接触面进行竖向减振，以减轻路面不平对基体的冲击。

9、关节扭转式末端转接组件还设有转动锁止机构，用于轮腿摆动到位后将轮腿锁止为刚性支撑体，实现大承载能力及承载稳定性。

10、轮腿关节驱动机构至少包含一个竖直平面内的轮腿摆腿自由度驱动关节，可由关节扭矩电机，或液压、气压驱动结构，或其组合构成，用于驱动轮腿沿关节轴摆动。优选采用关节驱动电机结构，由摆腿关节驱动电机、驱动齿盘、转动锁止机构、电机轴驱动齿轮组成。电机轴驱动齿轮与驱动齿盘啮合，通过传动比实现轮腿关节驱动扭矩放大，将小驱动扭矩转化为大关节扭矩输出。

11、液压、气压驱动结构，与关节扭矩电机结构均为本发明的可选驱动方式：液压驱动系统包括液压马达、液压源及控制阀组，通过液压马达直接替换关节电机，驱动关节转动，其驱动逻辑与电机驱动完全一致；气压驱动系统同理，包括气压马达、气压源及控制阀组。

12、更进一步，所述液压、气压驱动结构还可采用液压缸、气压缸等直线驱动形式。液压缸或气压缸的一端铰接于前一节腿体或载重基体的预设安装位，另一端铰接于后一节腿体或关节扭转式末端转接组件的对应连接点，通过缸杆的伸缩驱动相邻腿体单元绕关节轴相对转动，实现轮腿的摆动或姿态支撑。该直线驱动形式与旋转驱动形式均为本发明的等同实施方式。

13、同理，所述关节扭矩电机亦可采用直线驱动电机形式，即电动缸。电动缸通过滚珠丝杠或行星滚柱丝杠将电机的旋转运动转换为直线往复运动；电动缸的一端铰接于前一节腿体或载重基体的预设安装位，另一端铰接于后一节腿体或关节扭转式末端转接组件的对应连接点，通过丝杠螺母的直线伸缩驱动相邻腿体单元绕关节轴相对转动，实现轮腿的摆动或姿态支撑。该直线驱动电机形式与旋转电机驱动，液压、气压驱动均为本发明的等同实施方式。

14、轮腿还设有水平旋转关节驱动自由度。轮腿通过水平旋转基座与载重基体铰接，铰接处采用竖向双轴承连接，以实现竖直方向大扭转稳定性；水平旋转基座由水平旋转关节驱动电机驱动，实现轮腿在水平面内360°自由旋转，以适配转向、避障、调姿态需求。可选地，对于不需要水平旋转功能的场景，可取消上述水平旋转关节驱动组件，将水平旋转基座与载重基体刚性固连，以简化结构、提升承载能力。

15、桁架式轮腿通过关节扭转式末端转接组件与水平旋转基座的竖向侧壁铰接，水平旋转基座安装于载重基体底部并通过双轴承连接，其旋转驱动由水平旋转驱动电机执行，电机轴末端安装有水平驱动齿轮，水平驱动齿轮与固定于旋转基座连接筒上的驱动齿盘啮合，实现对轮腿360°水平方向的转动驱动。

16、本发明的轮腿式机器人越障控制方法，区别于常规的“全主动动态平衡”策略，采用“结构承载优先、电机驱动次之”的核心理念。通过在越障过程中主动锁定至少两条轮腿作为刚性支撑点，将载重基体的载荷优先分配给非越障腿，从而显著降低越障腿驱动电机的瞬时负载，避免重载工况下电机过热或烧毁。锁止机构在越障过程中被用作主动载荷管理工具，而非仅用于驻车或姿态保持。

17、当轮腿式机器人接收到图像传感器或外部控制指令，需要跨越前进方向的沟坎或障碍物时，其跨越控制方法如下：

18、s1抬升底盘与预锁定：当轮腿式机器人接收到图像传感器或外部控制指令，需要跨越前进方向的沟坎或障碍物时，根据跨越障碍的跨度、横向宽度或障碍物高度等参数，计算轮腿的倾斜姿态角度，确定预设摆腿姿态；摆腿关节驱动电机驱动轮腿从卧姿（默认起始状态为4条腿平放贴近底盘）摆动，将载重基体抬升，使轮腿呈竖直或近似竖直状态；同步或随后，根据障碍物信息及当前载荷分布，选定至少两条轮腿作为主支撑腿组，控制其转动锁止机构将该主支撑腿组锁定为刚性支撑姿态。

19、s2扭转轮腿方向：水平旋转驱动电机驱动轮腿水平旋转，将驱动轮的朝向调整为适合向载重基体外侧伸展的方向。对于无轮腿水平旋转自由度的构型，本步可省略。

20、s3摆腿呈跨越姿态：根据预设摆腿角度，调整4条轮腿的倾斜角度，呈不同朝向布局，采用前后交替交叉布局：左前腿向前伸出、右前腿向后收拢、左后腿向前伸出、右后腿向后收拢，形成前后交叉布局。

21、s4载荷重心调节：驱动除所述主支撑腿组之外的至少一条调节腿改变其摆腿倾角，使载重基体的重心在所述主支撑腿组与调节腿所围成的支撑区域内移动，以降低即将越障的目标腿所承受的垂直载荷。在一个优选实施例中，选定两条同侧或对角轮腿作为主支撑腿组，优选采用对角布置的两条轮腿作为主支撑腿组。位于越障方向的前腿作为调节腿，该前腿实时调整倾角以与地面保持动态接触，获取地面反力数据，并根据该反力数据动态修正其余调节腿的倾角，使重心在四条轮腿间呈交替承载式动态分布，即当前腿垂直载荷增大时，与之相对的后腿垂直载荷相应减小，反之亦然。

22、s5驱动轮足过障碍与锁止切换：按当前设定姿态驱动四轮前行，以前方探出的轮腿先跨越障碍并落地支撑，随后载重基体重心前移，剩余轮腿依次跨越，利用轮腿的倾斜布局及跨度差逐腿通过障碍；在每条目标腿跨越过程中，主支撑腿组保持锁止状态，以确保载重基体稳定。当该目标腿越过障碍物并落地稳定后，切换主支撑腿组的锁定对象，将原本锁止的腿解锁，同时锁止下一即将越障的目标腿，按腿部排列顺序依次循环，直至全部轮腿越障完成。越障过程中，适时微调4条轮腿的倾斜角度，基于路面起伏情况调整重心，使其不超出至少三条落地支撑轮腿围成的三角形区域。

23、当机器人接收到图像传感器或外部控制指令，针对采摘姿态调整及运动方向控制，需要配合机械臂的动作进行载重基体抬升或向特定方向移动，其控制方法如下：

24、ss1抬升底盘与预锁止：根据采摘机械臂的抬升高度需求，计算轮腿的倾斜姿态角度，摆腿关节驱动电机驱动轮腿摆动到相应姿态，从卧姿（默认起始状态为4条腿平放贴近底盘）抬升载重基体至预设高度，并触发转动锁止机构将4条轮腿锁止在当前倾斜角度，形成刚性支撑，确保作业姿态稳定。

25、ss2目标位置移动：完成当前位置采摘任务后，接收到新的目标方位时，解锁转动锁止机构，根据新方位计算移动方向和距离，原地水平旋转4条轮腿使驱动轮的滚动方向朝向预设移动方向，驱动载重基体向预设方位移动相应距离；移动过程中，根据对前方障碍物的检测识别结果，适时启动前述跨越障碍的控制方法。

26、ss3到位后重新锁止：移动至新位置后，重新调整4条轮腿的转向和姿态，使载重基体达到新作业位置所需的朝向和布局，再次触发转动锁止机构锁止，形成刚性支撑，继续作业。

27、ss4动作循环：根据采摘作业需求，不断循环前述步骤ss2至ss3，直至完成全部任务。

28、ss5收拢归位：完成全部作业任务后，使轮腿恢复至水平的卧姿姿态，锁止机构锁止，载重基体回降至初始高度，以便于卸载果实或进行设备维护。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果：

30、（1）可实现重载承载能力下的轮腿轻量化、高刚性、大有效展长，且以小关节扭矩即可驱动。本发明多管并联桁架结构相对于单管腿体在同等重量下具有更高的抗弯刚度，其轻量化高刚性特性，基于与并联机械臂相同的多杆桁架力学原理，即通过将材料外移形成较大惯性矩的闭合截面。可实现重载承载能力下的轮腿轻量化、高刚性、有效展长，仅需较小关节扭矩即可驱动（具体力学分析参见本技术人在先提交的202610463043.6专利申请，公开号cn122125757a）。

31、（2）重载条件下腿体各向承载能力均衡，可安全通过不同复杂地形。

32、（3）可实现原地任意朝向移动，尤其适用于果园采摘中需要频繁调整车身位置和朝向的作业场景，以及工厂装配线中的重物承载与转运配合装配作业，路线规划、姿态控制灵活。可在起伏坡地动态调平台面、调整轮腿支撑范围，相比轮距固定的剪叉升降平台，显著改善高位举升工况下的抗倾覆性能，提升果园非平整路面作业安全性。

33、（4）可实现机械腿与机械臂构型的一体化设计，臂体与腿体共用相同的结构件与关节电机模块，实现模块化互换与共享。

34、（5）用载重基体提升高度替代机械臂折弯抬高，适配不同高度果实的采摘需求，减少机械臂空载消耗及回程大行程摆臂动作，搭载的机械臂仅需少量关节即可高效执行采摘、放果动作。

35、（6）采摘与承载一体化设计、控制，可扩展性高：同一底盘构型下，可通过更换不同长短、粗细的腿体，适配不同载重需求及不同采摘臂型；电机可根据需求灵活搭配，实现不同承载能力的系列化配置。