一种可滑行轮足机器人及其控制方法技术

本发明专利技术提供一种可滑行轮足机器人及其控制方法，机器人包括机器人本体和设置在机器人本体上的六条腿；每条腿包括第一关节、第二关节、第三关节、被动轮和轮子固定架，被动轮无需动力装置，该机器人具有足式运动和滑行运动两种模式，从而进一步增加了机器人的适用范围，通过在不同场景切换不同的运用模式；本发明专利技术通过调节第三关节电机和第二关节电机的旋转角度，使被动轮的宽度中心线垂直于地面，同时被动轮的外表面与地面充分接触；六足机器人的单腿的运动学和力学分析可以知道如果在给定机器人的姿态ξ的情况下，每条腿部按照一定的规律周期性的摆动即可实现机器人的运动。律周期性的摆动即可实现机器人的运动。律周期性的摆动即可实现机器人的运动。

【技术实现步骤摘要】
一种可滑行轮足机器人及其控制方法


[0001]本专利技术涉及轮足机器人
，尤其是一种可滑行轮足机器人及其控制方法。

技术介绍

[0002]机器人是集机械、电子、计算机、传感器、控制技术等多门学科为一体的综合技术。根据运动方式，移动机器人大致可分为腿式、轮式、履带式、轨道式和蠕动式等几种类型,但这些机器人的使用各受到一定的限制。
[0003]为使移动机器人具有较大的适用能力，必须使用组合形式的运动方式，轮足混合式即是其中的一种。
[0004]常见的轮足机器人的主体由可绕转轴旋转的水平连杆、垂直连杆和滚轮组成，而且滚轮一般都是带有动力主动轮驱动，配套有独立驱动装置、换向装置和制动装置。
[0005]这些机构和装置在增强移动机器人可操作性的同时，也增加了系统重量，在一定程度上也降低了稳定性和限制了其灵活性。
[0006]如南京理工大学的硕士学位论文《六轮腿自主移动机器人结构设计和模糊控制技术研究》，该文章提出了一种六轮式机器人，该机器人具有速度快的优点，但是该结构为纯轮式，虽然其可通过拉杆来控制轮子的角度，但依然无法通过及其崎岖的路面。腿式也有单足、双足、多足等。
[0007]例如南京航空航天大学的硕士学位论文《四足仿生爬行机器人研制》，该文章提出了一种四足的仿生爬行机器人，该机器人为腿式结构，能够跨越较大的障碍，但是没有更好的快速性，在较平稳的路面上的行走速度不够。履带式机器人和地面有着较大的作用力，可以适应许多复杂多样的路面。如上海交通大学的硕士学位论文《履带式移动机器人系统设计及运动控制技术研究》，该论文提出了一种履带式移动机器人，它与上面提到的轮式机器人有很多相似的地方，不同的地方就是在轮子上加了履带，可以提高其路面适应能力，但与前者一样，依然没有本专利技术的在崎岖的路面上的适应能力强。
[0008]轮腿式机器人结构上较上三种复杂一点，实现的功能更多，如申请号为201210101127.3的专利技术专利，该专利技术提出了一种六轮足式串并混联机器人，该机器人共有六只腿，每个腿底部各有一个可旋转的小轮子。该轮子即可以用来做腿式结构的足，又是轮式的主要运动来源。该机器人的轮子和腿是分开的，即轮子和腿是同时存在的，只不过是经过变形将轮子旋转形成腿，他们并不能实现轮和腿的平稳过渡。

技术实现思路

[0009]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种可滑行轮足机器人及其控制方法，本专利技术为了减小系统重量并增强机器人的机动性能，去除滚轮上的动力装置，使用一个不带动力的被动轮代替。通过水平连杆、垂直连杆和滚轮的协调动作，利用滚轮受到的法向力远远大于切向力的特点，使系统受到的摩擦力合力指向前方，产生推进力推动机器人运动，即从动轮式滑行机器人是利用滚轮和地表之间的摩擦力产生运动的。更进一步可以通过协调不同
腿之间的协调动作，可以做到机器人原地旋转。
[0010]本专利技术的技术方案为：一种可滑行轮足机器人，包括机器人本体和设置在机器人本体上的六条腿；
[0011]每条所述的腿包括第一关节、第二关节、第三关节、被动轮和轮子固定架，所述的第一关节与机器人本体转动连接，所述的第二关节与分别与第一关节和第三关节转动连接，并且所述的第三关节下端设置有轮子固定架，所述的轮子固定架一侧设置有被动轮，所述的轮子固定架下端还具有一支撑足。
[0012]进一步的，所述的第一关节包括第一结构件和第一关节电机，所述的第一关节电机设置在第一结构件内并通过一旋转轴与机器人本体连接，所述的第一结构件的另一端与第二关节转动连接。
[0013]进一步的，所述的第二关节包括第二关节电机和第二结构件和第三结构件，所述的第二关节电机设置在第二结构件内，并且所述的第二关节电机通过一旋转轴与第一结构件连接，所述的第二结构件和第三结构件通过螺钉固定，并且所述的第三结构件与第三关节转动连接。
[0014]进一步的，所述的第三关节包括第三关节电机、第四结构件和第五结构件，所述的第三关节电机设置在第四结构件内，并且所述的第三关节电机通过一转动轴与第三结构件转动连接，所述的第四结构件和第五结构件通过螺钉固定连接，并且所述的第五结构件上还设置有轮子固定架。
[0015]进一步的，所述的支撑足上还套设有缓冲橡胶垫。
[0016]进一步的，所述的被动轮通过轴承与轮子固定架相连并且可以绕轮子中心旋转。
[0017]进一步的，本专利技术还提供一种可滑行轮足机器人的控制方法，所述的机器人控制方法包括足式控制方法和轮式滑行控制方法。
[0018]进一步的，所述的机器人足式控制方法包括以下步骤：
[0019]S1)、根据通用的机器人D
‑
H表示法建立足式机器人单腿的运动学模型；
[0020]S2)、通过对六足机器人的腿部进行几何分析，可以得到单条腿的逆运动学方程：
[0021][0022][0023][0024]式中，θ0为第一关节的初始角度，θ1、θ2和θ3为第一关节、第二关节、第三关节的目标转动角度，l1为第一关节电机的旋转轴中心与第二关节电机的旋转轴之间的长度，l2为第二关节电机的旋转轴与第三关节电机的旋转轴之间的长度，l3为第三关节电机的旋转轴与支撑足之间的长度，h为第一关节的坐标系原点在六足机器人本体坐标系下的高度；
[0025]S3)、通过获取六足机器人某一条腿的末端的坐标值(x,y,z)，从而得到六足机器人该条腿第一关节、第二关节、第三关节的目标转动角度θ1、θ2、θ3；
[0026]S4)、为使六足机器人的6条腿之间相互协调，将六足机器人的6条腿均分成两组，其中一组抬起时，另一组作为支撑；假定六足机器人的6条腿均为A组和B组；
[0027]并且规定当腿部末端在空中摆动的状态称为摆动相，当腿部末端在地面上支撑的状态称为支撑相；
[0028]S5)、在一个步态周期内，六足机器人的6条腿均为原始状态，六条步行腿同时着地；
[0029]S6)、A组的3条腿先抬起，向前摆动1个步长距离，与此同时，B组的3条腿支撑地面并驱动机器人机体向前移动1/2步长距离；
[0030]S7)、A组步行腿落地后，B组3条腿切换到摆动状态，向前摆动1个步长距离，与此同时，A组步行腿支撑地面并驱动机器人机体向前移动1/2步长距离；
[0031]S8)、B组步行腿落地，向前走了一个步长的距离，重复上述步骤。
[0032]进一步的，步骤S4)中，通过将机器人的右前腿、右后腿、以及左中腿作为A组，将右中腿、左前腿和左后腿作为B组。
[0033]进一步的，所述的轮式滑行控制方法包括以下步骤：
[0034]1)、调节第三关节电机和第二关节电机的旋转角度，使被动轮的宽度中心线垂直于地面，同时被动轮的外表面与地面充分接触；
[0035]2)、然后调整第二关节电机旋转角度，使第三关节摆动，从而调整被动轮与机器人本体纵向对称线之间的距离，使得被动轮相对于地面产生相应的滑动摩擦力；
[0036]3)、在某一时刻，将第三本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可滑行轮足机器人，包括机器人本体和设置在机器人本体上的六条腿；每条所述的腿包括第一关节、第二关节、第三关节、被动轮和轮子固定架，所述的第一关节与机器人本体转动连接，所述的第二关节与分别与第一关节和第三关节转动连接；其特征在于，所述的第三关节下端设置有轮子固定架，所述的轮子固定架下端具有一支撑足，所述的支撑足上套设有缓冲橡胶垫，所述的轮子固定架一侧还设置有被动轮，所述的被动轮通过轴承与轮子固定架相连并且可以绕轮子中心旋转。2.根据权利要求1所述的一种可滑行轮足机器人，其特征在于：所述的第一关节包括第一结构件和第一关节电机，所述的第一关节电机设置在第一结构件内并通过一旋转轴与机器人本体连接，所述的第一结构件的另一端与第二关节转动连接。3.根据权利要求1所述的一种可滑行轮足机器人，其特征在于：所述的第二关节包括第二关节电机和第二结构件和第三结构件，所述的第二关节电机设置在第二结构件内，并且所述的第二关节电机通过一旋转轴与第一结构件连接，所述的第二结构件和第三结构件通过螺钉固定，并且所述的第三结构件与第三关节转动连接。4.根据权利要求1所述的一种可滑行轮足机器人，其特征在于：所述的第三关节包括第三关节电机、第四结构件和第五结构件，所述的第三关节电机设置在第四结构件内，并且所述的第三关节电机通过一转动轴与第三结构件转动连接，所述的第四结构件和第五结构件通过螺钉固定连接，并且所述的第五结构件上还设置有轮子固定架。5.一种轮足机器人的足式运动控制方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：S1)、根据通用的机器人D
‑
H表示法建立足式机器人单腿的运动学模型；S2)、通过对六足机器人的腿部进行几何分析，可以得到单条腿的逆运动学方程：条腿的逆运动学方程：条腿的逆运动学方程：式中，θ0为第一关节的初始角度，θ1、θ2和θ3为第一关节、第二关节、第三关节的目标转动角度，l1为第一关节电机的旋转轴中心与第二关节电机的旋转轴之间的长度，l2为第二关节电机的旋转轴与第三关节电机的旋转轴之间的长度，l3为第三关节电机的旋转轴与支撑足之间的长度，h为第一关节的坐标系原点在六足机器人本体坐标系下的高度；S3)、通过获取六足机器人某一条腿的末端的坐标值(x,y,z)，从而得到六足机器人该条腿第一关节、第二关节、第三关节的目标转动角度θ1、θ2、θ3；S4)、为使六足机器人的6条腿之间相互协调，将六足机器人的6条腿均分成两组，其中一组抬起时，另一组作为支撑；假定六足机器人的6条腿均为A组和B组；并且规定当腿部末端在空中摆动的状态称为摆动相，当腿部末端在地面上支撑的状态称为支撑相；
S5)、在一个步态周期内，六足机器人的6条腿均为原始状态，六条步行腿同时着地；S6)、A组的3条腿先抬起，向前摆动1个步长距离，与此同时，B组的3条腿支撑地面并驱动机器人机体向前移动1/2步长距离；S7)、A组步行腿落地后，B组3条腿切换到摆动状态，向前摆动1个步长距离，与此同时，A组步行腿支撑地面并驱动机器人机体向前移动1/2步长距离；S8)、B组步行腿落地，向前走了一个步长的距离，重复上述步骤。6.根据权利要求5所述的一种轮足机器人的足式运动控制方法，其特征在于：步骤S4)中，通过将机器人的右前腿、右后腿、以及左中腿作为A组，将右中腿、左前腿和左后腿作为B组。7.一种轮足机器人的滑行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)、调节第三关节电机和第二关节电机的旋转角度，使被动轮的宽度中心线垂直于地面，同时被动轮的外表面与地面充分接触；2)、然后调整第二关节电机旋转角度，使第三关节摆动，从而调整被动轮与机器人本体纵向对称线之间的距离，使得被动轮相对于地面产生相应的滑动摩擦力；3)、在某一时刻，将第三关节电机和第二关节电机的旋转角度固定为某数值，第二关节和第三关节的垂直方向保持固定的姿态，然后第一关节电机的水平摆动，实现调整被动轮方向角，从而实现调整滑动摩擦力的方向，实现机器人的直线滑行或转弯。8.根据权利要求7所述的一种轮足机器人的滑行控制方法，其特征在于，步骤1)中，所述的调节第三关节电机的旋转角度，保证机器人在整个运动过程中，每条腿的腿部的第三关节垂直于地面，而且内外的摆动幅度较小，这时可近似认为机器人作平面运动，被动轮的宽度中心始终...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯嘉鹏，贺培，李钟，
申请(专利权)人：广州市威控机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：