CN105752186B - 轮足切换式机器人***及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种轮足切换式机器人***及其控制方法，在机器人主盘上同时设置六足步行机构和四轮移动机构，通过下光电传感器探测环境障碍物，在没有检测到障碍物时，控制器控制四轮移动机构移动，轮式行走可以适用于平面路面上行走，而当下光电传感器检测到障碍物则实时传输障碍信号给控制器，控制器响应于障碍信号而控制机器人从四轮移动机构移动切换为六足步行机构进行足脚行走，足脚较为灵活，更容易在障碍路段中行走，在足脚行走过程中，足脚支撑地面使得机器人主盘抬升从而带动四个行走轮抬升，从而防止行走轮与地面的摩擦，也使得足脚走位更为灵活。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，特别涉及的是一种轮足切换式机器人***及其控制方法。
背景技术
随着技术的发展，机器人被应用到生产生活的各个方面。具有移动功能的机器人被广泛的应用于自动化生产车间的物料搬运、星际探索、海洋开发、服务、医疗护理、建筑、农林业、特种行业(核、污染环境等)、军事等。
让机器人动起来最简单最直接的方法就是给他装上轮子，既轮式机构。这种车轮式"脚"能高速稳定地运动，结构简单，操作方便，但是对路面的要求比较高，仅适用于平坦地面移动。当遇到路面凹凸不平、甚至有高低错层的情况时，则机器人无法通过，现有的方式一般会采用机器人绕道而行，以避过障碍路段，但是很容易使得机器人偏离预设轨道行走、出现差错，且依然无法解决高低错层的路况中行走的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种轮足切换式机器人***，能够根据是否存在环境障碍物而在足脚行走和轮式行走两者间切换，克服障碍路况下行走困难的问题。
为解决上述问题，本发明提出一种轮足切换式机器人***，包括：机器人主盘、六足步行机构、四轮移动机构、光电传感器、控制器；在所述机器人主盘上设置有垂直向上的测定杆；所述六足步行机构包括六只三关节足脚，所述六足三关节足脚均匀间隔围绕设置在所述机器人主盘的边沿部位；所述四轮移动机构包括四个行走轮，所述四个行走轮分别设置在所述机器人主盘的呈中心对称的四个部位上；所述光电传感器包括下光电传感器，所述下光电传感器设置在测定杆的一定高度上，用以在机器人移动过程中探测环境障碍物而相应生成障碍信号并实时传输给所述控制器；所述控制器在未接收到所述下光电传感器的障碍信号时控制所述六足步行机构抬起、并控制所述四轮移动机构移动，所述控制器在接收到所述下光电传感器的障碍信号时控制所述六足步行机构下降以支撑地面、并控制所述六足步行机构行走。
根据本发明的一个实施例，所述光电传感器还包括用以在机器人移动过程中探测环境障碍物而相应生成障碍信号并实时传输给所述控制器的上光电传感器，所述上光电传感器设置在所述测定杆的高于所述下光电传感器的位置；所述控制器在接收到上光电传感器的障碍信号时控制所述四轮移动机构停止移动或所述六足步行机构停止行走。
根据本发明的一个实施例，所述测定杆上具有刻度，所述下光电传感器和上光电传感器可滑动连接在所述测定杆上、并能够锁紧在所述测定杆上。
根据本发明的一个实施例，所述机器人主盘包括上下相隔一定距离连接在一起的上层板和下层板，所述上层板和下层板均呈正六边形；所述四轮移动机构的四个行走轮设置在所述下层板的下方，所述六足步行机构的六只三关节足脚分别设置在上层板每条边的中间位置；所述控制器控制所述六足步行机构行走时，相间的三只三关节足脚为一组足脚，两组足脚被控依次交替抬起、伸出、放下。
根据本发明的一个实施例，在所述机器人主盘的下层板的中央还设置有可上下伸缩的支撑部，所述支撑部包括用于和地面接触的圆板及可上下伸缩的支杆，所述支杆的一端连接所述圆板，另一端连接所述下层板，所述支杆伸长时能够抬升机器人主盘从而将四轮移动机构抬离地面。
根据本发明的一个实施例，还包括用以在所述控制器的控制下驱动的直流伺服电机，所述直流伺服电机包括18个用以驱动六只三关节足脚的各关节的关节用数字舵机，及4个用以驱动四个行走轮的行走轮用数字舵机；所述控制器为单片机，所述单片机具有至少4路数字舵机控制接口，第一数字舵机控制接口由4个行走轮用数字舵机占用，第二数字舵机控制接口由两只前足的关节用数字舵机占用，第三数字舵机控制接口由两只中足的关节用数字舵机占用，第四数字舵机控制接口由两只后足的关节用数字舵机占用。
根据本发明的一个实施例，占用同一数字舵机控制接口的数字舵机之间通过通讯线串接在一起，各数字舵机采用半双工串行异步总线通讯方式，且各数字舵机分配有不同的舵机标识。
本发明还提供一种如前述实施例中任意一项所述的轮足切换式机器人***的控制方法，包括以下步骤：
S1：初始状态下，控制器控制四轮移动机构移动，实现机器人的轮式行走；
S2：在机器人移动过程中，下光电传感器探测环境障碍物，若探测到环境障碍物，则相应生成障碍信号并实时传输给所述控制器；
S3：控制器响应于所述障碍信号而控制切换为足脚行走，控制所述四轮移动机构停止移动、所述六足步行机构行走，从而使得机器人跨越环境障碍物；
S4：控制器在机器人跨越障碍物后控制重新切换回四轮移动机构移动。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S2中，在机器人移动过程中，下光电传感器和上光电传感器同时探测环境障碍物，若下光电传感器和/或上光电传感器探测到环境障碍物，则相应生成障碍信号并实时传输给所述控制器；在所述步骤S3中，若控制器仅接收到下光电传感器的障碍信号则控制切换为足脚行走，若控制器同时接收到下光电传感器和上光电传感器两者的障碍信号则控制所述四轮移动机构后退、转弯，以避开环境障碍物。
根据本发明的一个实施例，在初始状态下，六足步行机构的六只三关节足脚抬离地面；在切换为足脚行走时，控制器控制六只三关节足脚下降支撑地面，相间的三只三关节足脚为一组足脚，控制器接着控制两组足脚依次交替抬起、伸出、放下。
采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：在机器人主盘上同时设置六足步行机构和四轮移动机构，通过下光电传感器探测环境障碍物，在没有检测到障碍物时，控制器控制四轮移动机构移动，轮式行走可以适用于平面路面上行走，而当下光电传感器检测到障碍物则实时传输障碍信号给控制器，控制器响应于障碍信号而控制机器人从四轮移动机构移动切换为六足步行机构进行足脚行走，足脚较为灵活，更容易在障碍路段中行走，在足脚行走过程中，足脚支撑地面使得机器人主盘抬升从而带动四个行走轮抬升，从而防止行走轮与地面的摩擦，也使得足脚走位更为灵活。
附图说明
图1是本发明实施例的轮足切换式机器人***的结构框图；
图2是本发明实施例的轮足切换式机器人的结构示意图；
图3是本发明实施例的轮足切换式机器人的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
参看图1，本实施例的轮足切换式机器人***，包括：机器人主盘、六足步行机构2、四轮移动机构3、光电传感器、控制器5。六足步行机构2、四轮移动机构3、光电传感器和控制器均5设置在机器人主盘上，六足步行机构2的行走和四轮移动机构3的移动可以带动机器人主盘，从而使得整个机器人行走或移动。在机器人主盘上还设置有垂直向上的测定杆。
参看图2，六足步行机构2包括六只三关节足脚，六足三关节足脚均匀间隔围绕设置在机器人主盘的边沿部位。三关节足脚行动更灵活，均匀间隔围绕设置在机器人主盘周边，可以增强机器人行走的稳定性，防止行走过程中机器人发生重心偏移。
四轮移动机3包括四个行走轮，四个行走轮分别设置在机器人主盘的呈中心对称的四个部位上，四个行走轮可以均为驱动轮，增强机器人的行走稳定性，不容易卡死，便于移动方向的控制，也不容易陷入坑中。较佳的，四个行走轮呈两两前后分布，行走稳定性和转向可靠性更高，但不作为限制，四个行走轮例如也可以并排设置。前后是相对的，前后方向的参照依据可以是机器人的前进方向。
光电传感器包括下光电传感器41，下光电传感器41设置在测定杆的一定高度上，从而可以检测该高度的前方位置是否存在环境障碍物，下光电传感器41探测的是机器人前进过程中前方的环境障碍物，下光电传感器41的探头朝向前方。下光电传感器41在机器人移动过程中探测环境障碍物，在探测到环境障碍物时相应生成障碍信号，并实时将障碍信号传输给控制器5。控制器5在未接收到下光电传感器41的障碍信号时，控制六足步行机构2抬起、并控制四轮移动机构3移动，而在接收到下光电传感器41的障碍信号时，控制六足步行机构2下降以支撑地面、并控制六足步行机构2行走。
在一个实施例中，光电传感器还可以包括上光电传感器42，上光电传感器42设置在测定杆的高于下光电传感器41的位置，因而在上光电传感器42探测到障碍物时，下光电传感器41也相应会探测到障碍物。下光电传感器41和上光电传感器42例如可以是红外传感器。在机器人移动过程中，上光电传感器42和下光电传感器41同时探测环境障碍物，当两者同时探测到环境障碍物时均相应生成障碍信号，并将障碍信号实时传输给控制器5，控制器5在接收到上光电传感器42的障碍信号时，控制四轮移动机构3停止移动或六足步行机构2停止行走，由于上光电传感器42的位置比下光电传感器41的位置更高，当上光电传感器42也能够探测到障碍物时，说明障碍物的高度过高，机器人无法通过足脚行走跨越过去，因而控制器5先控制停止机器人的前进，而后可以控制四轮移动机构3向后移动，后退转弯，以绕过障碍路段。
较佳的，测定杆上具有刻度，下光电传感器41和上光电传感器42可滑动连接在测定杆上、并能够锁紧在测定杆上，从而可以调整机器人所能跨越的障碍物的高度，以适应于不同规模的机器人，且根据下光电传感器41和上光电传感器42生成的障碍信号可以获知障碍物的大致高度范围。
参看图2，在一个实施例中，机器人主盘可以包括连接在一起的上层板11和下层板12，上层板11和下层板12上下相隔一定距离，上层板11和下层板12均呈正六边形。四轮移动机构3的四个行走轮设置在下层板12的下方，六足步行机构2的六只三关节足脚分别设置在上层板11每条边的中间位置，在轮式行走时，六只三关节足脚被控抬升离开地面，由于六只三关节足脚设置在上层板11上，而四个行走轮设置在下层板12下方，两者之间存在一定的距离，从而可以减少六足三关节足脚抬升的距离，进而降低机器人的整体能耗。控制器5控制六足步行机构2行走时，在上层板11上相间(非相邻)的三只三关节足脚为一组足脚，两组足脚被控依次交替抬起、伸出、放下。在行走过程中，可使得不相邻的三足始终落地，对地面的支撑点更多，提高移动的稳定性，不容易导致机器人翻倒。
在一个实施例中，在机器人主盘的下层板12的中央还设置有可上下伸缩的支撑部(图中未示出)，支撑部包括用于和地面接触的圆板及可上下伸缩的支杆，支杆的一端连接圆板，另一端连接下层板12，支杆伸长时能够抬升机器人主盘从而将四轮移动机构3抬离地面。在机器人停工时，机器人无需进行行走，而如果将行走轮一直接触地面，长久之后很容易造成行走轮的损坏，因而在机器人不需要行走时，通过支撑部支撑起来，使得四个行走轮离开地面，六只足脚在初始状态下抬起，因而在不需要行走时同样离开地面，可以延长机器人的行走机构的使用寿命。支撑部设置在下层板12的中央(当然是在下层板下方延伸)，可以保证支撑的稳定性。
继续参看图1，轮足切换式机器人***还包括直流伺服电机6。直流伺服电,6在控制器5的控制下进行驱动。直流伺服电机6可以包括18个关节用数字舵机和4个行走轮用数字舵机。每个行走轮设置一行走轮用数字舵机来驱动行走，六只足脚2的每个关节设置一关节用数字舵机来驱动动作。
数字舵机例如可以采用型号为CDS5516数字舵机。数字舵机使用半双工串行异步总线通讯方式。每个数字舵机上均设有信号接口。信号接口和控制器的数字接口相连，以接收控制信号。而这些电机之间可以简单的通过通讯线串接连接，在控制时只要给不同数字舵机分配不同的标识号接口对相应的数字舵机进行相应的控制，从而控制机器人运动的步态、速度及方向。
控制器5为单片机，单片机具有至少4路数字舵机控制接口，第一数字舵机控制接口由4个行走轮用数字舵机占用，第二数字舵机控制接口由两只前足的关节用数字舵机占用，第三数字舵机控制接口由两只中足的关节用数字舵机占用，第四数字舵机控制接口由两只后足的关节用数字舵机占用。换言之，将4个行走轮用数字舵机之间通过通讯线相连，串接最后的一个行走轮用数字舵机连接到控制器的第一数字舵机控制接口、以接收控制信号；两只前足的关节用数字舵机之间通过通讯线相连，串接最后的一个关节用数字舵机连接到控制器的第二数字舵机控制接口、以接收控制信号；两只中足的关节用数字舵机之间通过通讯线相连，串接最后的一个关节用数字舵机连接到控制器的第三数字舵机控制接口、以接收控制信号；两只后足的关节用数字舵机之间通过通讯线相连，串接最后的一个关节用数字舵机连接到控制器的第四数字舵机控制接口、以接收控制信号。每个数字舵机具有不同的标记号，每个数字舵机根据控制信号携带的标记号而接收作为自身的控制信号。
较佳的，六只足脚的每只足脚的落地部位21呈L型，每只足脚的L型落地部位21的横部与其前端的关节连接，每只足脚的L型落地部位21的竖部部分或全部朝横部弯折，竖部用于落地支撑，每只足脚的L型落地部位21的直角一侧设置为朝向机器人主盘。也就是说，L型落地部位21的竖部朝向机器人主盘弯折，六个足脚的落地部位21呈相互靠拢的趋势，支撑地面时更稳固。
参看图3，本发明还提供一种如前述实施例中任意一项所述的轮足切换式机器人***的控制方法，包括以下步骤：
S1：初始状态下，控制器控制四轮移动机构移动，实现机器人的轮式行走；
S2：在机器人移动过程中，下光电传感器探测环境障碍物，若探测到环境障碍物，则相应生成障碍信号并实时传输给所述控制器；
S3：控制器响应于所述障碍信号而控制切换为足脚行走，控制所述四轮移动机构停止移动、所述六足步行机构行走，从而使得机器人跨越环境障碍物；
S4：控制器在机器人跨越障碍物后控制重新切换回四轮移动机构移动。
下面结合图1-3对本发明的轮足切换式机器人***的控制方法进一步详细描述。
在步骤S1中，机器人启动，初始状态为轮式行走，控制器5控制四轮移动机构3移动，此时六足步行机构2的六只三关节足脚抬升离开地面，轮式行走适用于机器人在平坦的地面上的行走。
接着，在步骤S2中，在机器人轮式行走过程中，下光电传感器41不断探测行走前方的环境障碍物，若探测到环境障碍物则相应生成障碍信号，并将障碍信号实时地传输给控制器5。
可选的，当在机器人主盘上设置下光电传感器41和上光电传感器42时，在步骤S2中，在机器人移动过程中，下光电传感器41和上光电传感器42同时探测环境障碍物，若下光电传感器41和/或上光电传感器42探测到环境障碍物，则各自相应生成障碍信号并实时传输给控制器5。
接着，在步骤S3中，当机器人主盘上仅设置下光电传感器41，则控制器5接收到下光电传感器41的障碍信号，便控制四轮移动机构3停止移动，控制六足步行机构2行走，以将行走方式切换为足脚行走，从而跨越障碍物。
当在机器人主盘上设置下光电传感器41和上光电传感器42时，则在步骤S3中，若控制器5仅接收到下光电传感器41的障碍信号，则控制切换为足脚行走，若控制器5同时接收到下光电传感器41和上光电传感器42两者的障碍信号，则控制四轮移动机构3后退、转弯，以避开环境障碍物，防止障碍物过高而出现机器人足脚行走难以跨越的状况。
接着，在步骤S4中，如果机器人切换为足脚行走并跨越障碍物后，控制器5控制重新切换回四轮移动机构3移动。可以在机器人的下层板12下表面设置距离传感器，距离传感器感应其到地面的距离，在障碍路段上，距离较小，而跨越障碍路段之后，距离变大且保持不变，此时便可以控制切换回四轮移动机构3移动，以降低机器人***的功耗。
在一个实施例中，在初始状态下，六足步行机构2的六只三关节足脚抬离地面。在切换为足脚行走时，控制器5控制六只三关节足脚下降支撑地面，机器人主盘上相间的三只三关节足脚为一组足脚，控制器5接着控制两组足脚依次交替抬起、伸出、放下。
关于本发明的轮足切换式机器人***的控制方法其他内容可以参看本发明前述轮足切换式机器人***的描述内容，相同之处，在此不再赘述。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种轮足切换式机器人***，其特征在于，包括：机器人主盘、六足步行机构、四轮移动机构、光电传感器、控制器；在所述机器人主盘上设置有垂直向上的测定杆；所述六足步行机构包括六只三关节足脚，所述六只三关节足脚均匀间隔围绕设置在所述机器人主盘的边沿部位；所述四轮移动机构包括四个行走轮，所述四个行走轮分别设置在所述机器人主盘的呈中心对称的四个部位上；所述光电传感器包括下光电传感器，所述下光电传感器设置在测定杆的一定高度上，用以在机器人移动过程中探测环境障碍物而相应生成障碍信号并实时传输给所述控制器；所述控制器在未接收到所述下光电传感器的障碍信号时控制所述六足步行机构抬起、并控制所述四轮移动机构移动，所述控制器在接收到所述下光电传感器的障碍信号时控制所述六足步行机构下降以支撑地面、并控制所述六足步行机构行走；
所述光电传感器还包括用以在机器人移动过程中探测环境障碍物而相应生成障碍信号并实时传输给所述控制器的上光电传感器，所述上光电传感器设置在所述测定杆的高于所述下光电传感器的位置；所述控制器在接收到上光电传感器的障碍信号时控制所述四轮移动机构停止移动或所述六足步行机构停止行走；
所述机器人主盘包括上下相隔一定距离连接在一起的上层板和下层板，所述上层板和下层板均呈正六边形；所述四轮移动机构的四个行走轮设置在所述下层板的下方，所述六足步行机构的六只三关节足脚分别设置在上层板每条边的中间位置；所述控制器控制所述六足步行机构行走时，相间的三只三关节足脚为一组足脚，两组足脚被控依次交替抬起、伸出、放下。
2.如权利要求1所述的轮足切换式机器人***，其特征在于，所述测定杆上具有刻度，所述下光电传感器和上光电传感器可滑动连接在所述测定杆上、并能够锁紧在所述测定杆上。
3.如权利要求1所述的轮足切换式机器人***，其特征在于，在所述机器人主盘的下层板的中央还设置有可上下伸缩的支撑部，所述支撑部包括用于和地面接触的圆板及可上下伸缩的支杆，所述支杆的一端连接所述圆板，另一端连接所述下层板，所述支杆伸长时能够抬升机器人主盘从而将四轮移动机构抬离地面。
4.如权利要求1所述的轮足切换式机器人***，其特征在于，还包括用以在所述控制器的控制下驱动的直流伺服电机，所述直流伺服电机包括18个用以驱动六只三关节足脚的各关节的关节用数字舵机，及4个用以驱动四个行走轮的行走轮用数字舵机；所述控制器为单片机，所述单片机具有至少4路数字舵机控制接口，第一数字舵机控制接口由4个行走轮用数字舵机占用，第二数字舵机控制接口由两只前足的关节用数字舵机占用，第三数字舵机控制接口由两只中足的关节用数字舵机占用，第四数字舵机控制接口由两只后足的关节用数字舵机占用。
5.如权利要求4所述的轮足切换式机器人***，其特征在于，占用同一数字舵机控制接口的数字舵机之间通过通讯线串接在一起，各数字舵机采用半双工串行异步总线通讯方式，且各数字舵机分配有不同的舵机标识。
6.一种如权利要求1-5中任意一项所述的轮足切换式机器人***的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：初始状态下，控制器控制四轮移动机构移动，实现机器人的轮式行走；
S2：在机器人移动过程中，下光电传感器探测环境障碍物，若探测到环境障碍物，则相应生成障碍信号并实时传输给所述控制器；
S3：控制器响应于所述障碍信号而控制切换为足脚行走，控制所述四轮移动机构停止移动、所述六足步行机构行走，从而使得机器人跨越环境障碍物；
S4：控制器在机器人跨越障碍物后控制重新切换回四轮移动机构移动。
7.如权利要求6所述的轮足切换式机器人***的控制方法，其特征在于，在所述步骤S2中，在机器人移动过程中，下光电传感器和上光电传感器同时探测环境障碍物，若下光电传感器和/或上光电传感器探测到环境障碍物，则相应生成障碍信号并实时传输给所述控制器；在所述步骤S3中，若控制器仅接收到下光电传感器的障碍信号则控制切换为足脚行走，若控制器同时接收到下光电传感器和上光电传感器两者的障碍信号则控制所述四轮移动机构后退、转弯，以避开环境障碍物。
8.如权利要求6所述的轮足切换式机器人***的控制方法，其特征在于，在初始状态下，六足步行机构的六只三关节足脚抬离地面；在切换为足脚行走时，控制器控制六只三关节足脚下降支撑地面，相间的三只三关节足脚为一组足脚，控制器接着控制两组足脚依次交替抬起、伸出、放下。
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