一种轮足转换机构及其控制方法

1.本发明属于仿人机器人技术领域，具体涉及一种轮足转换机构及其控制方法。


背景技术：

2.轮式机器人具有速度快、效率高、运动噪声低的优点，可以在相对平坦的地面上实现快速运动；仿人机器人对人类生活的环境具有强大的适应性，能够通过行走踏上台阶、越过障碍等，但是运动速度较慢。把仿人机器人和轮式机器人进行结合，就产生了轮足复合仿人机器人，使得机器人既可以通过轮进行轮式快速运动，也可以通过变换进行足式运动像人一样在各种复杂地面复杂地形中进行运动。两者的结合可以大大提高仿人机器人的运动能力。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种轮足转换机构及其控制方法，使得轮足复合仿人机器人具备轮式与足式运动两种运动模式，且能够实现两种运动模式之间的自由快速的切换。
4.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
5.一种轮足转换机构，包括：
6.横滚支架，一侧与横滚电机的外壳固连，所述横滚电机的输出轴与交叉轴支架的一端固连，交叉轴支架的另一端与横滚支架转动连接；
7.外转子电机，与交叉轴支架固连；
8.所述外转子电机的外壳与丝杠结构转动连接，丝杠结构固连脚掌推杆，所述脚掌推杆固连足部脚掌；所述丝杠结构由动力源驱动；
9.所述外转子电机还与轮胎轮毂固连。
10.上述技术方案中，所述交叉轴支架的另一端通过法兰盘连接件、轴承与横滚支架连接。
11.上述技术方案中，所述轮胎轮毂与轮胎包覆橡胶固连。
12.上述技术方案中，所述丝杠结构包括丝杠和丝杠螺母，丝杠通过轴承、轴承挡圈与外转子电机的外壳连接，丝杠与丝杠螺母配合，丝杠螺母固连脚掌推杆。
13.上述技术方案中，所述脚掌推杆为一个整体结构或两个独立结构，一个整体结构的脚掌推杆两端分别固连足部脚掌，两个独立结构的脚掌推杆上端与丝杠螺母固连，下端与脚掌推杆固连。
14.上述技术方案中，所述丝杠结构替换为蜗轮蜗杆结构，所述蜗轮蜗杆结构包括蜗杆和蜗轮，蜗杆通过轴承、轴承挡圈与外转子电机的外壳连接，蜗杆与蜗轮配合，蜗轮通过连杆固连脚掌推杆。
15.上述技术方案，还包括轮足复合仿人机器人小腿，所述轮足复合仿人机器人小腿将横滚支架与仿人机器人大腿连接为一体。
16.一种轮足转换机构的控制方法，具体为：
17.在直流电机的带动下，丝杠结构/蜗轮蜗杆结构实现向上运动，足部脚掌同步向上运动进入车轮的包络线内；外转子电机带动车轮转动，实现轮式运动；
18.足部脚掌底面与地面平行，在直流电机的带动下，丝杠结构/蜗轮蜗杆结构实现向下运动，足部脚掌同步向下运动直到与地面接触，实现足式运动；
19.通过直流电机的带动，丝杠结构/蜗轮蜗杆结构向上/下运动，足部脚掌跟随向上/下运动，与地面的分离与接触，实现轮式运动与足式运动切换。
20.进一步地，轮足转换机构处于轮式运动和足式运动前，横滚电机转动，使得车轮位于竖直平面内。
21.进一步地，所述足部脚掌底面与地面平行，通过控制外转子电机工作，使车轮向前或向后运动实现。
22.本发明的有益效果为：
23.(1)在足式运动时，由外转子电机提供仿人机器人足的俯仰自由度，横滚电机提供横滚自由度，两个自由度叠加模拟人类的脚踝运动，使仿人机器人在运动时有更好的环境适应性，可以在较为复杂的路面上行走；在轮式运动时，外转子电机可以提供连续的转速，驱动车轮连续转动，实现机器人前进；
24.(2)本发明的轮足转换机构，在足式行走时，当足部脚掌向下伸展到与底面接触时，利用丝杠的自锁性能，脚掌无法通过丝杠螺母驱动丝杠转动，因此可以使脚掌稳定的保持在指定位置，同时丝杠电机不需要额外提供能量，达到了节能的目的；
25.(3)本发明的轮足转换机构利用一套动力系统同时实现轮式运动和足式运动的功能，极大的简化了系统的复杂程度，且充分考虑到轮足复合仿人机器人进行轮足模式变换时的流程合理性，使轮足复合仿人机器人在运动中随时进行模式切换，且切换速度快，系统可靠性高。
附图说明
26.图1为本发明所述轮足转换机构整体结构示意图；
27.图2为本发明所述轮足转换机构局部结构示意图；
28.图3为本发明所述轮足转换机构轮式运动状态图；
29.图4为本发明所述轮足转换机构足式运动状态图；
30.图中：1-轮足复合仿人机器人小腿，3-横滚支架，4-交叉轴支架，5-法兰盘连接件，6-轮胎包覆橡胶，7-轮胎轮毂，8-外转子电机，9-直流电机，10-脚掌推杆，11-足部脚掌，12-横滚电机，13-丝杠，14-丝杠螺母。
具体实施方式
31.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
32.如图1、2所示，本发明一种轮足转换机构，包括轮足复合仿人机器人小腿1、横滚支架3、交叉轴支架4、法兰盘连接件5、轮胎包覆橡胶6、轮胎轮毂7、外转子电机8、直流电机9、脚掌推杆10、足部脚掌11、横滚电机12和丝杠结构，丝杠结构包括丝杠13和丝杠螺母14。
33.轮足复合仿人机器人小腿1上端与仿人机器人大腿相连，轮足复合仿人机器人小腿1下端与横滚支架3固定连接，横滚支架3一侧与横滚电机12的外壳通过螺栓固定连接，两者不发生相对运动；横滚电机12的输出轴与交叉轴支架4的一端通过螺栓固定连接，交叉轴支架4的另一端通过法兰盘连接件5、轴承与横滚支架3连接，法兰盘连接件5与横滚支架3可以相对转动，将横滚电机12的旋转运动传递给交叉轴支架4，横滚电机12输出的运动可以使轮胎/脚掌在沿轴方向旋转，产生转动；交叉轴支架4通过螺栓与外转子电机8固定连接，外转子电机8的外壳通过螺栓与轮胎轮毂7固定连接，轮胎轮毂7与轮胎包覆橡胶6固定连接；外转子电机8的外壳还通过轴承、轴承挡圈与丝杠13相连接，使得丝杠13可以旋转运动，丝杠13与直流电机9的输出端连接，从而将直流电机9的旋转运动传递给丝杠13；丝杠13与丝杠螺母14配合，丝杠螺母14可以跟随丝杠13的旋转沿丝杠13进行上下运动；丝杠螺母14与脚掌推杆10中部通过螺栓固定连接，脚掌推杆10两端分别通过螺栓与足部脚掌11固定连接，当丝杠螺母14上下运动时，脚掌推杆10带动足部脚掌11上下运动，实现足部脚掌11的伸展和收缩。其中脚掌推杆10可以选择两个单独的推杆，两个推杆上端均与丝杠螺母14固定连接，下端均通过螺栓与足部脚掌11固定连接。
34.本发明轮足转换机构的丝杠结构可替换为蜗轮蜗杆结构，具体地，丝杠13替换为蜗杆，丝杠螺母14替换为蜗轮，且蜗轮通过连杆与脚掌推杆10固定连接。
35.下面以丝杠结构为例，具体说明本发明轮足转换机构的工作原理：
36.轮式运动时，横滚电机12转动保证车轮在竖直平面内，直流电机9带动丝杠13旋转，使丝杠螺母14向上运动，足部脚掌11也向上运动进入车轮的包络线内；随后外转子电机8带动车轮转动，实现轮式运动；在这个过程中，直流电机9、丝杠13、足部脚掌11随着车轮一起转动，且足部脚掌11不会与其他零部件发生碰撞干涉，可以保证正常的轮式运动；在足式运动时，由于丝杠13具有自锁的特性，因此直流电机9可以不提供额外动力即可使足部脚掌11保持在固定位置；参见图3；
37.足式运动时，首先横滚电机12转动保证车轮在竖直平面内，外转子电机8通过绝对编码器检测当前位置，并传输给工控机，保证当前位置足部脚掌11底面与地面平行(如果不平行，工控机控制外转子电机8工作，使车轮向前或向后运动一定角度使足部脚掌11底面与地面平行，该过程为现有技术)；然后直流电机9带动丝杠13旋转，使丝杠螺母14向下运动，足部脚掌11也向下运动直到慢慢接触地面，即处于足部脚掌11着地状态，此时即为足式运动模式；随后，外转子电机8转动角度，充当俯仰角(pitch)控制电机，横滚电机12转动角度，充当横滚角(roll)控制电机，在两个电机共同作用下，可以使足部具备两个自由度，相当于模仿了人类的脚踝关节运动自由度；参见图4；
38.轮足转换机构的轮式运动与足式运动进行切换时，通过直流电机9带动丝杠13旋转，使丝杠螺母14向上/下运动，足部脚掌11跟随向上/下运动，实现与地面的分离与接触，需要注意的是，当轮式运动切换为足式运动时，需要判断足部脚掌11底面是否与地面平行。
39.所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。