一种具有十四自由度的四足与双轮腿互切的移动机器人

1.本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种具有十四自由度的四足与双轮腿互切的移动机器人。


背景技术：

2.21世纪以来，国内外对机器人技术的发展越来越重视，机器人技术被认为是对未来新兴产业发展具有重要意义的高技术之一。移动机器人作为一种机器人的重要类型，其应用广泛，覆盖了地面、空中和水下乃至外太空。其中，轮式机器人wheeled robot因其结构简单、能量效率高、移动速度快、制造成本低等优点，是最先得到了广泛应用的机器人种类之一，被广泛应用于军事侦查、物流运输、工业巡检等场景中。但随着机器人应用场景的不断拓展，尤其是面向一些复杂的非结构化环境，如楼梯、废墟等，传统的轮式移动机器人已经难以满足实际应用的需求。
3.轮式机器人通过采用车轮滚动的方式实现移动，擅长在连续平坦地面通过，但在松软地面或崎岖不平的地形上行驶时，车轮的移动效率大大降低甚至无法移动，而足式机器人legged robot可以在恶劣的环境中工作。但是，目前的腿式机器人有着许多共同的缺点——自由度多，结构复杂，系统设计与控制难度大，成本高昂，在平坦路面上其移动速度和功耗表现都弱于轮式移动机器人，运动能力远不能胜任复杂环境和复杂任务的需求。
4.随着机器人应用场景逐渐扩展到复杂的非结构化环境，走进人类生活和工作中，单纯的足式或者轮式移动机器人现有的运动能力远不能胜任复杂环境和复杂任务的要求。于是，结合足式机器人和轮式移动机器人特点的轮腿机器人的研究成为了当前的热点。其目的是为了结合轮式机器人高速高效性和腿式机器人对复杂地形的适应性强的特点，使机器人能够采用轮式运动方式在平整路面快速移动，同时可采用足式运动的方式实现在非结构化环境下的越障通过，从而增大机器人作业范围和环境适应性，近年来得到了迅速发展。
5.目前常见的轮腿机器人有波士顿动力的handle搬运机器人、苏黎世联邦理工eth zurich发布的双轮跳跃式机器人、ascento的双轮腿机器人以及苏黎世联邦理工发布的anymal四轮腿机器人。其中双轮腿机器人在轮腿交互过程中，处于平坦地面的情况下，需要将双腿抬起，采用双轮移动，这就导致机器人机身处于不平衡的状态，容易倾倒；在运行过程中如果想要保持机身平衡需要更多的解算，耗能大、解算时间长；在复杂地面的情况下，双轮腿机器人由于只具有一个自由度，导致其在通过复杂地面时更多是通过跳跃实现，可以以“迈步”形式通过的复杂地面也往往不是那么复杂。从eth发布的四轮腿机器人来看，这种构型可以很好的实现在平坦路面的快速移动和在复杂路面的良好通过性。该机器人在四条腿上都安装了驱动电机，在变为足式机器人时将四个电机通过反向力矩将轮子短时间固定，获得四腿点足的效果；虽然四轮腿机器人具有很好的平衡性，但是四轮腿机器人更适用于空间较大的场地，在狭小空间下有可能无法实现转弯、掉头能动作。


技术实现要素：

6.本发明需要解决的技术问题是：现有的双轮腿机器人在轮腿交互过程中存在不平衡的现象，以及四轮腿机器人无法适用于狭小空间的问题；进而提供一种具有十四自由度的四足与双轮腿互切的移动机器人。
7.本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：一种具有十四自由度的四足与双轮腿互切的移动机器人，它包括机身、两个轮腿单元、两个足腿单元和两个锁合机构；所述的两个轮腿单元安装在机身的其中一个对角处，两个足腿单元安装在机身的另一个对角处，所述的两个锁合机构分别用于处于同一侧的轮腿单元和足腿单元的锁合；每个轮腿单元包括一个腿部机构、一个主动轮、一个驱动电机和一个电机支架；所述腿部机构的连接端安装机身上，所述腿部机构的活动端通过电机支架与驱动电机固连，所述驱动电机的输出轴与主动轮固连；每个足腿单元包括一个腿部机构和一个足点基体；足腿单元上的腿部机构的连接端安装机身上，足腿单元上的腿部机构的活动端与足点基体固连。
8.进一步的，所述轮腿单元中的腿部机构与足腿单元中的腿部机构结构完全相同；每个腿部机构包括髋关节电机、大腿驱动组件、大腿、小腿和小腿驱动组件；所述的髋关节电机安装在机身上，所述大腿驱动组件的一端转动安装在髋关节电机的输出端；所述大腿驱动组件的另一端与大腿固连；所述的大腿与小腿铰连接；所述的髋关节电机用于腿部的侧向翻转；所述的大腿驱动组件带动大腿及小腿共同前后转动；所述的小腿驱动组件带动小腿前后转动。
9.进一步的，所述的大腿与小腿均由碳管制成。
10.进一步的，所述的大腿驱动组件包括股关节电机和大腿连接件，所述的股关节电机安装在髋关节电机上，髋关节电机的中轴线与股关节电机的中轴线垂直设置，且股关节电机可以髋关节电机的中轴线为轴转动；所述股关节电机的输出端与小腿驱动组件固连，所述大腿连接件的一端安装在小腿驱动组件上，大腿连接件的另一端与大腿的一端固连。
11.进一步的，所述的小腿驱动组件包括膝关节电机、连杆ⅰ、连杆ⅱ和小腿连接件；所述的膝关节电机同轴安装在股关节电机上，且膝关节电机可以股关节电机的中轴线为轴转动，所述大腿连接件的一端安装在膝关节电机的外壳上，所述膝关节电机的输出端、连杆ⅰ、连杆ⅱ、小腿连接件和小腿顺次连接，所述大腿的另一端与小腿连接件的中间位置铰连接。
12.进一步的，所述的腿部机构还包括两个平面轴承，其中一个平面轴承用于髋关节电机与股关节电机的连接，即平面轴承其中一侧的轴承盖固定在髋关节电机的机壳上，平面轴承另一侧的轴承盖固定在股关节电机的机壳上，髋关节电机的输出轴穿过平面轴承的中心通孔连接在股关节电机的机壳上；
13.另一个平面轴承用于膝关节电机与股关节电机的连接，即所述另一个平面轴承两侧的轴承盖分别固定在股关节电机的机壳上和膝关节电机的机壳上，股关节电机的输出轴穿过平面轴承的中心通孔连接在膝关节电机的机壳上。
14.进一步的，所述的锁合机构为磁力锁合。
15.进一步的，每个锁合机构包括一个主动锁合副与一个被动锁合副，所述的主动锁合副安装在足腿单元上，所述的被动锁合副安装在轮腿单元上，足腿单元与轮腿单元通过主动锁合副与被动锁合副进行锁合连接。
16.进一步的，所述的主动锁合副包括电磁铁，所述的电磁铁转动连接在足点基体的
侧端；所述的被动锁合副是由若干片硅钢片串联成的硅钢柱，所述的硅钢柱安装在轮腿单元上，所述的电磁铁与硅钢柱在通电的情况下吸合在一起。
17.进一步的，所述的主动锁合副还包括一根拉簧，所述的拉簧将足点基体与电磁铁连到一起。
18.本发明与现有技术相比产生的有益效果是：
19.本发明提出一种可以实现四足机器人与双轮腿机器人切换的机器人，在两种模式下，每一种模式更加专注于一种形态，放大该形态下的优点，即在四足模式下可以通过更崎岖的路面地形，如沙石、山地等，在轮腿模式下可以获得更高的效率，在相同重量、前进速度下，使机器人以更低的功耗运行，提高在环境多变的自然条件下机器人独立自主运行的时间。
附图说明
20.附图作为本技术的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解。
21.图1为本发明处于四足模式下的轴侧图；
22.图2为本发明处于前后锁合的双轮模式下的侧视图；
23.图3为本发明处于前后锁合的双轮模式下的轴侧图；
24.图4为本发明处于前后未锁合的双轮滑行状态下的轴侧图；
25.图5为本发明处于“滑板车”状态下的轴侧图；
26.图6为轮腿单元的主视图；
27.图7为轮腿单元的后视图；
28.图8为轮腿单元的俯视图；
29.图9为轮腿单元的侧视图；
30.图10为足腿单元的主视图；
31.图11为图10中a-a处的剖视图；
32.图12为锁合机构中主动锁合副与被动锁合副锁合的状态示意图；
33.图13为被动锁合副的结构示意图；
34.图14为锁合机构的轴侧图；
35.图15为本发明前后锁合后双轮模式下两种极限位置示意图，其中a为移动机器人处于重心最低时的示意图，b为移动机器人处于重心最高时的示意图。
36.附图标记说明：1、机身；2、主动轮；3、足点基体；4、髋关节电机；5、股关节电机；6、大腿连接件；7、大腿；8、小腿；9、膝关节电机；10、连杆ⅰ；11、连杆ⅱ；12、小腿连接件；13、平面轴承；14、直角连接件；15、电机支架；16、磁铁保护盖；17、电磁铁；18、连接角铝；19、塞打螺栓；20、垫片；21、螺丝；22、拉簧；23、硅钢柱。
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
38.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位
置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.参见图1至图14，本技术实施例提供一种具有十四自由度的四足与双轮腿互切的移动机器人，它包括机身1、两个轮腿单元a、两个足腿单元b和两个锁合机构c；所述的两个轮腿单元a安装在机身1的其中一个对角处，两个足腿单元b安装在机身1的另一个对角处，所述的两个锁合机构c分别用于处于同一侧的轮腿单元a和足腿单元b的锁合，即其中一个锁合机构c用于处于左侧的轮腿单元a和足腿单元b的锁合，另外一个锁合机构c用于处于右侧的轮腿单元a和足腿单元b的锁合，从而实现四足腿状态与双轮腿状态的切换。
41.本实施例中，所述的移动机器人同时具备四足机器人和双轮腿机器人的两种优势，在两种模式下，即四足模式和双轮腿模式，使得每一种模式更加专注于一种形态，放大该形态下的优点，即在四足模式下可以通过更崎岖的路面地形，如沙石、山地等，在双轮腿模式下可以获得更高运行的效率，且更加适用于狭小空间下的转弯、掉头等动作，同时在相同重量和前进速度下，机器人可以更低的功耗运行，提高在环境多变的自然条件下机器人独立自主运行的时间。其中将两个轮腿单元a与两个足腿单元b设置成对角的形式，保证了移动机器人在由四足模式切换到双轮模式时，移动机器人的前后两侧和左右两侧均有着陆点，进而保证了移动机器人的整体重心的稳定性与平衡性，如果将两个轮腿单元a均设置在前面，两个足腿单元b均设置在后面，在轮腿单元a与足腿单元b锁合过程中，足腿单元b的抬起容易导致移动机器人整体重心不稳而出现倾倒的现象。
42.本实施例中，参见图1至图5，所述的机身1为规则形状的机体，可以为长方形、正方形，也可以为圆形；主要用于安装和支撑移动机器人所需的器件，机身1及其上所安装的器件整体重心处于机身1的中心位置处。
43.本实施例中，参见图6至图9，每个轮腿单元a包括一个腿部机构d、一个主动轮2、一个驱动电机和一个电机支架15；所述腿部机构d的连接端安装机身1上，所述腿部机构d的活动端通过电机支架15与驱动电机固连，所述驱动电机的输出轴与主动轮2固连，所述的驱动电机可以驱动主动轮2旋转，实现移动机器人在平地上的运行。在轮腿单元a中主动轮2不转动的情况下轮腿单元a也可以作为足腿使用，故本技术的移动机器人即可以处于四足腿的状态，也可以处于双轮腿的状态。
44.本实施例中，参见图10，每个足腿单元b包括一个腿部机构d和一个足点基体3；足腿单元b上的腿部机构d的连接端安装机身1上，足腿单元b上的腿部机构d的活动端与足点基体3固连；所述轮腿单元a中的腿部机构d与足腿单元b中的腿部机构d结构完全相同。
45.本实施例中，参见图7至图10，每个腿部机构d包括髋关节电机4、直角连接件14、大腿驱动组件、大腿7、小腿8和小腿驱动组件；所述的髋关节电机4安装在机身1上，所述的大腿驱动组件通过直角连接件14安装在髋关节电机4的输出端；所述的大腿7与小腿8铰连接，并共同构成腿部，大腿7与小腿8优选质量较轻、刚度较强的碳管制成；所述的髋关节电机4
用于腿部的侧向翻转，即髋关节电机4可以带动大腿及小腿向右侧翻转或者向左侧翻转；所述的大腿驱动组件带动大腿7及小腿8共同前后转动；所述的小腿驱动组件带动小腿8前后转动。
46.本实施例中，参见图7至图10，所述的腿部机构d具体可以采用以下的结构形式实现其功能：所述的腿部机构d还包括两个平面轴承13，所述的大腿驱动组件包括股关节电机5和大腿连接件6，所述的小腿驱动组件包括膝关节电机9、连杆ⅰ10、连杆ⅱ11和小腿连接件12；所述的股关节电机5通过其中一个平面轴承13和直角连接件14安装在髋关节电机4上，且股关节电机5可以髋关节电机4的中轴线为轴转动，即股关节电机5连接在直角连接件14的一个安装板面的内侧，髋关节电机4通过平面轴承13连接在直角连接件14的另一个安装板面的外侧，髋关节电机4的中轴线与股关节电机5的中轴线垂直设置；所述的平面轴承13两侧的轴承盖分别固定在髋关节电机4的机壳上和直角连接件14上，髋关节电机4的输出轴穿过平面轴承13的中心通孔连接在直角连接件14上，所述的膝关节电机9通过另一个平面轴承13安装在股关节电机5上，且膝关节电机9可以股关节电机5的中轴线为轴转动，即所述另一个平面轴承13两侧的轴承盖分别固定在股关节电机5的机壳上和膝关节电机9的机壳上，股关节电机5的输出轴穿过平面轴承13的中心通孔连接在膝关节电机9的机壳上，所述的股关节电机5与膝关节电机9同轴设置；通过平面轴承13的设计使得腿部机构d的重量大部分依靠髋关节电机4以及股关节电机5的机壳来承担，从而减小髋关节电机4输出轴的输出力矩以及股关节电机5输出轴的输出力矩，增加电机的使用寿命；所述大腿连接件6的一端安装在膝关节电机9的机壳上，大腿连接件6的另一端与大腿7的一端固连，所述大腿7的另一端与小腿连接件12的中间位置铰连接；所述连杆ⅰ10的一端与膝关节电机9的输出轴固连，连杆ⅰ10的另一端与连杆ⅱ11的一端铰连接，连杆ⅱ11的另一端与小腿连接件12的一端铰连接，小腿连接件12的另一端与小腿8的连接端固连；所述的连杆ⅰ10、连杆ⅱ11、小腿连接件12与大腿7构成平行四边形的四连杆机构，用来传递膝关节电机9输出的动力。
47.本实施例中，腿部机构d的运动过程如下：所述的股关节电机5驱动膝关节电机9以股关节电机5的中轴线为轴整体转动，从而带动与其连接的大腿连接件6转动，大腿连接件6带动与其连接的大腿7以股关节电机5的中轴线为轴；同时，所述的膝关节电机9驱动连杆ⅰ10以膝关节电机9的中轴线为轴转动，连杆ⅰ10带动与其连接的连杆ⅱ11以连杆ⅰ10与连杆ⅱ11的铰接点为轴转动，连杆ⅱ11带动与其连接的小腿连接件12以连杆ⅱ11与小腿连接件12的铰接点为轴转动，所述的小腿连接件12带动与其连接的小腿8以小腿连接件12与大腿7的铰接点为轴转动，进而腿部机构d的大腿7与小腿8在髋关节电机4、股关节电机5和膝关节电机9的驱动下形成各种运动形式。
48.本实施例中，参见图6至图10，小腿8在膝关节电机9的驱动下以及在四连杆机构动力传输下进行运动，选用此种方式一方面比膝关节电机9直接驱动可以更加省力，减小膝关节电机9的输出力矩；具体原因为，小腿8及其上的轮部或者足部的整体重量是通过大腿7进行分担的，膝关节电机9仅承担连杆ⅰ10与连杆ⅱ11的重量，当膝关节电机9的输出轴转动时，带动连杆ⅰ10转动一定的角度，连杆ⅰ带动连杆ⅱ11转动一定的角度，连杆ⅱ11带动小腿8以小腿连接件12与大腿7的铰接点为轴转动一定的角度，所以膝关节电机9的输出力矩比较小；另一方面小腿8所转动的角度与膝关节电机9输出轴转动的角度为1:1的等角度转动，小腿8输出的角度更加精确。
49.本实施例中，参见图1至图5，处于同一侧的轮腿单元a中的腿部机构d与足腿单元b中的腿部机构d相对设置，且两个腿部机构d中的膝部均向外弯曲，即大腿7与小腿8的铰接点均朝外凸出；当移动机器人由四足模式切换到双轮腿模式时，不仅方便轮腿单元a中的主动轮2与足腿单元b中的足点基体3朝向对方移动进行锁合，而且可以降低移动机器人整体的重心，保证移动机器人的稳定性与平衡性。
50.本实施例中，在每个轮腿单元a中，所述的电机支架15固装在小腿8的活动端，由于每个轮腿单元a上安装了四个驱动电机，故每个轮腿单元a具有四个自由度。在每个足腿单元b中，所述的足点基体3固装在小腿8的活动端，所述的足点基体3为马蹄形，并朝向外侧偏斜；由于每个足腿单元b上安装了三个驱动电机，故每个足腿单元b具有三个自由度，因此本技术的移动机器人共具有十四个驱动电机，具有十四个自由度。
51.本实施例中，参见图12至图14，所述的锁合机构c为磁力锁合，每个锁合机构c包括主动锁合副与被动锁合副，所述的主动锁合副安装在足腿单元b上，所述的被动锁合副安装在轮腿单元a上，足腿单元b与轮腿单元a通过主动锁合副与被动锁合副进行锁合连接。具体结构为，参见图11，所述的主动锁合副包括磁铁保护盖16、电磁铁17、连接角铝18、塞打螺栓19、垫片20、螺丝21和拉簧22，所述连接角铝18的一侧板片通过塞打螺栓19安装在足点基体3的内侧壁上，且连接角铝18与足点基体3之间设置有垫片20；所述的电磁铁17通过螺丝21安装在连接角铝18的另一侧板片上并处于足点基体3的内侧，所述的连接角铝18可以塞打螺栓19的中轴线为轴转动，故电磁铁17也可相对于足点基体3转动，将电磁铁17与足点基体3设置成可转动的形式，主要是为了在轮腿单元a与足腿单元b锁合后，调整二者之间的夹角角度；但是，为了防止移动机器人在运行过程中，电磁铁17由于惯性而随便晃动，可以使用拉簧22将足点基体3与电磁铁17连到一起，不仅保证移动机器人在四足迈步式的运行过程中尽可能减小电磁铁17的晃动范围，而且也可以在四足模式切换到双轮模式时，增加轮腿单元a与足腿单元b锁合时的成功率；所述的磁铁保护盖16扣在连接角铝18与电磁铁17的一侧，并将连接角铝18与电磁铁17部分覆盖上，其中电磁铁17漏出一部分，用于与被动锁合副的磁吸。所述的被动锁合副包括若干片硅钢片，所述的若干片硅钢片串联成硅钢柱23，并安装在轮腿单元a上的电机支架15上。当主动锁合副上的电磁铁17与被动锁合副上的硅钢柱23接触时，电磁铁17通电，并与硅钢柱23瞬间吸合在一起实现磁吸锁合功能。
52.以下对本发明的工作过程做进一步的说明，以进一步展示本发明的工作原理和优点：
53.运动状态一，四足步态运动：参见图1，轮腿单元a中的驱动电机锁死，此时主动轮2固定不动并作为足部使用；处于同一侧的轮腿单元a与足腿单元b运动状态保持相同；即其中一侧的轮腿单元a与足腿单元b处于蹬腿的状态，另一侧的轮腿单元a与足腿单元b处于迈腿的状态，两侧的轮腿单元a与足腿单元b运动状态交替设置，实现四足迈步的模式，以适用于崎岖的路面的通过。
54.运动状态二，前后锁合，双轮模式运动：参见图2和图3，两个轮腿单元a与两个足腿单元b弯曲，移动机器人的整体重心下移，且处于同一侧的轮腿单元a中的主动轮2与足腿单元b中的足点基体3相向移动，直至轮腿单元a中的主动轮2处于中间位置，足腿单元b中的小腿8抬起搭接在轮腿单元a上，足腿单元b中的电磁铁17与轮腿单元a中的硅钢柱23接触，并通电吸合在一起，实现了四足模式切换到双轮模式。此时，两个轮腿单元a中的主动轮2并排
设置，并处于移动机器人中间下方的位置处。轮腿单元a中的驱动电机驱动主动轮2转动，从而实现移动机器人在平坦路面的运行。
55.为了保证移动机器人在平坦路面运动的平衡性与稳定性以及四足模式转化到双轮模式过程的稳定性，也可以选择在四个腿部机构d上连杆ⅱ11与小腿连接件12的铰接点处设置质量较轻的从动轮，当腿部机构d向内弯曲的过程中，从动轮距离地面的距离逐渐减小，直至从动轮与地面接触，然后足腿单元b中的小腿8继续运动并搭接在轮腿单元a上，此时四个从动轮与两个主动轮2均匀地面接触，增加移动机器人与地面的接触点，移动机器人在平坦路面上运行时，整体更加稳定；如果遇到狭小空间需要转弯或者掉头的情况下，四个腿部机构d中的膝关节电机9通过四连杆机构驱动小腿8向上支起，四个从动轮抬起，两个主动轮2依然与地面接触，如图15中a
→
b所示。其中一个主动轮2保持不动，另外一个主动轮2转动，实现了移动机器人的原地转弯及转动，占用空间小，当需要继续在平坦路面运动时，膝关节电机9反向驱动，四个从动轮归位即可。
56.运动状态三，“滑板车”式运动：参见图5，两个轮腿单元a中的主动轮2在驱动电机的作用下处于失能或者低功率运行，两个足腿单元b循环蹬地，也就是说，移动机器人中始终有三条腿着陆，移动机器人采用“滑板车”的形式在平坦路面滑行，可以减少四足模式下在运行过程中高能耗的问题。
57.运动状态四，两足腿悬空，双轮模式运行：参见图4，两个足腿单元b在髋关节电机4的驱动下抬起，并处于对称状态，两个轮腿单元a中的主动轮2在驱动电机的驱动下在平坦路面运行，依靠侧摆维持机器人的平衡。
58.由于足式机器人比轮式机器人在崎岖路面通过性更强，轮式机器人比足式机器人在平坦路面具有更高的通过性。因此相比于四腿都为三自由度的机器人，本专利发明以轮腿模式通过平坦路面时更具有优势；相比于轮式机器人，本发明以四足模式通过崎岖路面时更具有优势。相比于目前出现的部分四轮腿机器人，由于本发明是足式与轮式结合，在通过礁石滩等特别崎岖的复杂的路面更有优势。
59.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。