CN114802519B - 一种轮腿结构的机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮腿结构的机器人及其控制方法。该机器人包括机身，机身上设有旋转的连接轴，连接轴与车轮连接，机身上设有旋转的套杆，连接轴与套杆之间设有离合器，套杆与机械腿连接。该控制方法中，机器人正常行驶时，通过独立驱动机构带动连接轴、车轮运动；当机器人遇到难以跨越的障碍物时，控制离合器闭合，此时机械腿随连接轴一同转动，实现机械腿的旋转运动，通过各机械腿与车轮的配合，完成越障行为。本发明的有益效果：面对障碍物时，利用腿部结构与车轮协同运行越过障碍；当自身出现重心偏移、机身被卡住或侧翻时，通过调整支撑机构的伸缩推杆，及时恢复正常行驶姿态；当处于相对平坦的路面时，使用车轮实现高速行驶，提高作业效率。

Description

一种轮腿结构的机器人及其控制方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体为一种轮腿结构的机器人及其控制方法。

背景技术

随着科学技术的发展，机器人在各个领域发挥着越来越重要的作用。目前常见的复杂地形作业机器人有轮式机器人、履带式机器人、腿式机器人。其中轮式机器人具有速度快、效率高、运动噪声低等优点。但越障能力差、地形适应能力差、转弯半径大，在复杂环境中难以运行。与轮式机器人相比，履带式机器人越障能力较强、地形适应能力强，可原地转向。但速度较慢、效率低、运动噪声过大。腿式机器人对地形的适应性较强，腿部具有多个自由度，运动的灵活性也更强，可以通过调节腿的长度调整重心，因此不易翻倒，稳定性更高。但腿式机器人结构设计与控制***比较复杂，运动速度较慢。目前市面上常见的轮腿式机器人通常将轮与腿结合，结构复杂且不稳定。

由于工作现场的环境恶劣，极端环境遥操作机器人的精准运维面临诸多困难。遥操作机器人的计算与存储等资源严重受限，难以提供强大的算力支持；远程集中运维手段无法实现快速响应。

为有效解决小算力与大数据、慢传输与快响应的突出矛盾，可构建云边协同的分布式运维技术体系，充分发挥云端计算资源丰富、边缘计算响应实时的特点，实现优势互补。达到精准运维、精准控制的目的。如何控制轮腿式机器人在复杂地形执行任务与掌握机器人部件状态信息，是当前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于：本发明提供了一种轮腿结构的机器人及其控制方法，解决了现有轮腿式机器人结构复杂且不稳定的问题。

本发明将机械腿与车轮分别安装，通过离合器实现机械腿与车轮的独立控制，在平坦路面使用车轮运动，遇到障碍物时通过机械腿与车轮配合翻越障碍物，同时机械腿与车轮的连接轴中安装伸缩推杆，可以在轮腿式机器人失去重心或发生侧翻等情况下提供支撑，使机器人恢复正常行驶状态。针对复杂地形下资源配置不充分问题，可通过云边协同技术，实现有限资源的合理开发应用。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种轮腿结构的机器人，包括机身，机身上设有旋转的连接轴，连接轴与车轮连接，机身上设有旋转的套杆，连接轴与套杆之间设有离合器，套杆与机械腿连接。

进一步的，所述的机身的四角均设有车轮、机械腿和连接轴。

进一步的，所述的机械腿的末端为弯曲状，机械腿的中部设有镂空结构。

进一步的，所述的连接轴与独立驱动机构连接。

进一步的，所述的独立驱动机构为驱动电机，驱动电机的输出端与连接轴连接。

进一步的，所述的套杆套设在连接轴上。

进一步的，所述的离合器包括内接触板和外接触板，内接触板设在连接轴上，外接触板设在套杆上，内接触板与外接触板相对设置，外接触板与电磁阀连接。

进一步的，所述的连接轴与轴向伸缩机构连接。

进一步的，所述的轴向伸缩机构包括伸缩电机，伸缩电机与伸缩推杆连接，伸缩推杆的两端分别连接两侧的连接轴。

一种上述的轮腿结构的机器人的控制方法，机器人正常行驶时，通过独立驱动机构带动连接轴、车轮运动，此时离合器脱离，机械腿处于收起状态，平行于机身两侧，不随连接轴转动；当机器人遇到难以跨越的障碍物时，控制离合器闭合，此时机械腿随连接轴一同转动，实现机械腿的旋转运动，通过各机械腿与车轮的配合，完成越障行为。

进一步的，首先通过各类传感器收集环境及部件信息，其次在本地计算各类部件状态分析所需参数，将计算参数上传至云端，对各部件状态进行进一步分析，得到各部件具体状态信息，实现对各部件运行状态的实时监测，最后根据各部件实际状态信息与周围环境情况，对机器人后续作业进行控制。

本发明的有益效果：

在面对复杂地形时有更好的适应能力。面对地面障碍物时，不会因为轮式机器人轮子被卡住或被障碍物阻挡而失去移动能力；面对垂直落差较大的障碍物时，机器人可利用自身腿部结构与车轮协同运行越过障碍；当机器人自身出现重心偏移、机身被卡住或侧翻时，可以通过调整支撑机构的伸缩推杆，使机器人及时恢复正常行驶姿态，保证作业过程中机器人的稳定；当机器人处于相对平坦的路面时，可单独使用车轮实现高速行驶，提高作业效率。

可在机器人身上安装摄像头、激光雷达等传感器，实现对环境的动态捕捉，辅助操作者进行操作，提升了在无人环境下操作者对陌生复杂环境的判断能力和机体的安全性。

采用云边协同技术与遥操作结合的控制方法，不仅提高了对轮腿式机器人控制的准确率，降低了轮腿式机器人对自身状态分析的资源配置需求，同时实现了对自身状态的实时监测，也减少了负载量，可搭载更多的功能模块。可以对轮腿式机器人进行精准控制、精准运维。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

附图说明

图1是本发明的结构示意图(机械腿收回)。

图2是本发明的结构示意图(机械腿展开)。

图3是本发明机械腿的结构示意图。

图4是本发明的结构俯视图。

图5是图4的局部放大图。

图6是本发明的剖视主视图。

图7是本发明跨越障碍物示意图。

图8是本发明云边协同控制方法的流程图。

图9是本发明云边协同控制方法原理示意图。

图中：1-机身，2-车轮，3-机械腿，4-连接轴，5-驱动电机，6-电磁阀，7-离合器，8-伸缩电机，9-伸缩推杆，10-套杆，11-内接触板，12-外接触板，13-传感器模块。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

首先，对本发明实施例中所设计的术语进行介绍：

轮腿式机器人：轮腿式机器人是一种通过轮腿结构对机器人进行运动控制的机器人结构，分为机械腿与车轮两部分。

离合机构：通过电磁阀对离合器进行控制，可选择的控制驱动电机带动机械腿与车轮的连接轴，实现机械腿与车轮单独运动的机构。

轴向支撑机构：由伸缩电机与伸缩推杆构成，在机器人失去重心或者发生侧翻情况时提供侧向支撑，使机器人恢复正常行驶姿态。

本实施例阐述了将本发明使用在核事故处理或核环境作业场景下，完成环境勘探等任务。假设某地发生核泄漏事故，需要机器人进入核事故发生地进行勘探作业。由于核事故发生后，机器人运行环境存在物理空间障碍物复杂、辐射分布未知、作业过程不确定性大等特点，机器人需要具备强越障能力、抗辐射能力以及数据传输能力。

实施例1：

参考图1～图6所示，一种轮腿结构的机器人，包括机身1、车轮2、机械腿3、连接轴4、独立驱动机构、离合器7、轴向伸缩机构和套杆10，独立驱动机构包括驱动电机5，轴向伸缩机构包括伸缩电机8和伸缩推杆9，离合器7包括电磁阀6、内接触板11和外接触板12。

机身1为长方体箱式结构，机身1顶部前、后、左、右四个方向均有开孔，内部可安装摄像头，同时对四个方向的视觉信息进行采集。

机身1的四角对应四组车轮2、机械腿3、连接轴4、独立驱动机构、离合器7和套杆10，机身1的前后对应两组轴向伸缩机构，即两侧的连接轴4之间设有一组轴向伸缩机构。

机身1上设有旋转的连接轴4，同时连接轴4能够相对机身1轴向运动，连接轴4的外端与车轮2连接，利用四角的车轮2实现在平整地面上的正常行走。连接轴4的内端与驱动电机5，通过独立驱动的连接方式，能够实现每个车轮2的独立控制，提高整体行走能力。

由于发生核事故后，机器人作业环境复杂，建筑残骸、线缆、台阶等障碍物随处可见。为了减少机器人机械结构，降低复杂度，提高稳定性，将使用同一电机控制一侧的车轮与机械腿，这一功能由离合机构实现。

机身1上设有旋转的套杆10，同时套杆10能够相对机身1轴向运动，套杆10套设在连接轴4上，连接轴4与套杆10之间设有离合器7，套杆10与机械腿3连接。通过离合器7的脱离或闭合，实现连接轴4与套杆10之间的脱离或传动，在遇到障碍时，可以将带动机械腿3旋转，配合车轮2实现障碍的跨越。

由于连接轴4均为独立控制，因此机械腿3也为独立控制，具有较高的跨越能力，实现车轮与机械腿的单独控制。机身1内部可安装不同环境下工作所需传感器模块13。

机械腿3的末端为弯曲状，机械腿3的中部设有镂空结构，在节省材料的同时提高了机械腿承重能力。在较平缓的路面作业时，两侧机械腿可旋转至与机身平行并收拢，不影响机器人正常行驶；当遇到障碍物时，可控制机械腿进行旋转，为机器人提供支撑越障能力。

内接触板11固定在连接轴4上，外接触板12固定在套杆10上，内接触板11与外接触板12相对设置，外接触板12与电磁阀6连接。在离合器脱离时，内外的接触板不发生接触，此时连接轴4不能带动机械腿3旋转。在离合器闭合时，通过电磁阀6带动套杆10轴向运动，此时内外的接触板贴紧在一起，此时连接轴4能够带动机械腿3旋转。

机器人正常行驶时，通过驱动电机5、连接轴4带动车轮2运动。机械腿处于收起状态，平行于机身两侧，不随连接轴4转动。当机器人遇到难以跨越的障碍物时，控制电磁阀6，使离合器7闭合，此时机械腿3随连接轴4一同转动，实现机械腿的旋转运动。通过各机械腿与车轮的配合，完成越障行为。

发生核事故后，机器人作业环境复杂，运行至复杂路面时，机器人可能会发生重心偏移或侧翻等情况。此时可通过轴向支撑机构使机器人恢复重心或从侧翻情况下恢复正常行驶姿态。

伸缩电机8固定在机身1的中部，伸缩电机8与伸缩推杆9连接，带动伸缩推杆9轴向伸缩，伸缩推杆9的两端分别连接两侧的连接轴4。连接轴4内部为空心，其中安装伸缩推杆9。当机器人重心偏移或发生侧翻情况时，可由伸缩电机8控制连接轴4内部的伸缩推杆9向左侧或右侧伸出，为机器人提供侧向支撑，使机器人恢复正常行驶状态。

如图7所示，当机器人利用车轮进行移动时，机械腿处于悬空状态，此时机器人可在较平坦路段快速运动，当机器人在运动过程中遇到障碍物时可控制机器人前侧机械腿搭在障碍物上；控制机械腿转动，将前半部分机身抬起，此时再通过后轮驱动，使机器人前移靠近障碍物；此时再控制后方机械腿逆时针旋转，将后半部分机身抬起至合适高度；再通过前轮与后腿协同工作，使机器人运动至障碍物上；通过车轮与前腿协同运动，使机器人前半部分机身从障碍物移动至平坦地面，同时将前机械腿收起；控制车轮使机器人继续向前移动，使机器人完全下落至地面，收起后侧机械腿；最终机器人完成跨越障碍物的操作，可在平坦地形继续作业。

实施例2：

参考图1～图7所示，一种上述的轮腿结构的机器人的控制方法，机器人正常行驶时，通过独立驱动机构带动连接轴4、车轮2运动，此时离合器7脱离，机械腿3处于收起状态，平行于机身1两侧，不随连接轴4转动。

当机器人遇到难以跨越的障碍物时，控制离合器7闭合，此时机械腿3随连接轴4一同转动，实现机械腿3的旋转运动，通过各机械腿3与车轮2的配合，完成越障行为。

由于机器人内部空间有限，资源配置有限，核应急环境下机器人各部件易故障，本发明所涉及的轮腿式机器人还可使用云边协同的控制方法，分析各部件状态信息。流程图如图8所示，首先通过各类传感器收集环境及部件信息，其次在本地计算各类部件状态分析所需参数，将计算参数上传至云端，对各部件状态进行进一步分析，得到各部件具体状态信息，实现对各部件运行状态的实时监测，最后根据各部件实际状态信息与周围环境情况，对机器人后续作业进行控制。

云边协同控制方法如图9所示，本发明采用云边结构进行运维，边缘侧采用边缘集群形式，进行本地端数据采集、处理、传输，由若干边缘节点103和一个边缘服务器102组成。

边缘集群：轮腿式机器人104与边缘节点103之间相互通信，边缘节点103与边缘服务器102的主节点之间相互通信，构成边缘集群。云边协同：边缘服务器102的主节点与云端服务器101通信，边缘、主节点与云端服务器构成云边协同***。

云边协同流程：对于复杂计算任务，采用云边协同方式完成。现场的轮腿式机器人104将实时数据提交给若干边缘节点103后，由若干边缘节点103进行分析得出相应模型，再将模型数据传给边缘服务器102的主节点。边缘服务器102的主节点将若干模型进行汇总，融合为一个新的模型，最后提交给云端服务器101进行分析，分析得出后的数据，再依次向下返回给现场的轮腿式机器人，进行相关的作业。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种轮腿结构的机器人，包括机身（1），其特征在于：所述的机身（1）上设有旋转的连接轴（4），连接轴（4）与车轮（2）连接，机身（1）上设有旋转的套杆（10），连接轴（4）与套杆（10）之间设有离合器（7），套杆（10）与机械腿（3）连接；

所述的套杆（10）套设在连接轴（4）上，离合器（7）、套杆（10）、机械腿（3）和车轮（2）由内到外依次布置；

所述的离合器（7）包括内接触板（11）和外接触板（12），内接触板（11）设在连接轴（4）上，外接触板（12）设在套杆（10）上，内接触板（11）与外接触板（12）相对设置，外接触板（12）相比内接触板（11）更加靠近车轮（2），外接触板（12）与电磁阀（6）连接，电磁阀（6）通过套杆（10）带动机械腿（3）轴向运动；

所述的连接轴（4）与轴向伸缩机构连接；连接轴（4）能够相对机身（1）轴向运动；套杆（10）能够相对机身（1）轴向运动；

所述的轴向伸缩机构包括伸缩电机（8），伸缩电机（8）与伸缩推杆（9）连接，伸缩推杆（9）的两端分别连接两侧的连接轴（4）。

2.根据权利要求1所述的轮腿结构的机器人，其特征在于：所述的机身（1）的四角均设有车轮（2）、机械腿（3）和连接轴（4）。

3.根据权利要求1或2所述的轮腿结构的机器人，其特征在于：所述的机械腿（3）的末端为弯曲状，机械腿（3）的中部设有镂空结构。

4.根据权利要求1或2所述的轮腿结构的机器人，其特征在于：所述的连接轴（4）与独立驱动机构连接。

5.一种轮腿结构的机器人的控制方法，包括权利要求1~4任一所述的轮腿结构的机器人，其特征在于：机器人正常行驶时，通过与连接轴（4）连接的独立驱动机构带动连接轴（4）、车轮（2）运动，此时离合器（7）脱离，机械腿（3）处于收起状态，平行于机身（1）两侧，不随连接轴（4）转动；

当机器人遇到难以跨越的障碍物时，控制离合器（7）闭合，此时机械腿（3）随连接轴（4）一同转动，实现机械腿（3）的旋转运动，通过各机械腿（3）与车轮（2）的配合，完成越障行为。

Images