一种多姿态切换的两轮足机器人及其工作方法技术

本发明专利技术公开了一种多姿态切换的两轮足机器人及其工作方法，能根据不同的路面情况以及场景需求，可以更换适应的姿态模式，具有强大的动态运动能力以及较强的地形适应能力；在面对平坦路面时，机器人可采用张腿模式或收腿模式，以较快的速度移动，通过控制轮毂电机、髋关节电机和膝关节电机，能够实现身体的平稳以及整车高度的调节。在面对狭隘通道，如地下管道或独木桥时，切换采用自行车模式，在该姿态模式下能够利用极小的地面空间实现机器人稳定的移动。在地面行驶路径上具有障碍物时，通过调节轮毂电机、髋关节电机和膝关节电机进而控制身体和腿部的姿态，可实现机器人的跳跃越障功能，无需额外绕行，从而提高机器人的行驶效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种多姿态切换的两轮足机器人及其工作方法


[0001]本专利技术涉及一种两轮足机器人及其工作方法，具体为一种多姿态切换的两轮足机器人及其工作方法，属于机器人


技术介绍

[0002]移动机器人是目前科学技术发展最活跃的领域之一，它的应用范围大为扩展，在工业、农业、国防、医疗等领域得到了广泛应用和关注。地面移动机器人可分为轮式、足式、爬行和履带式等。尽管步行机器人在克服障碍物(如楼梯或湿滑地面)方面表现出色，但其移动时需要大量的时间来执行这些复杂的动作。相比之下，轮式机器人非常适合于平坦的地面，其可以平稳、高效、快速地移动。但轮式机器人无法克服崎岖的地形，尤其是当障碍物大于车轮半径时，导致轮式机器人无法跨越。
[0003]通过上述可知，在平地上快速平稳地机动和动态克服障碍物的机器人比较少见。现有专利文献CN110525535A公开了一种双轮足混合自平衡机器人，轮腿结构为四连杆机构，其能在平地上快速平稳地机动，同时还能改变一个姿态，从而可以克服一部分的障碍物继续行驶，但是该机器人的驱动由于只有髋关节电机和轮毂电机，并其整体姿态受四连杆机构的限制，导致整车自由度很小，且由于膝关节无驱动源，导致整车无法进行跳跃动作或者如进行跳跃动作时动力不足，导致遇到较高障碍物时只能通过绕行继续行驶，并且由于其姿态调整前后，其仅是能对机器人的高度进行调节，对于其行驶宽度及行驶姿态并不能改变，由此导致该机器人应用场景单一，无法根据不同环境的变化进行相应姿态调整，使得在不同环境中均能行驶。因此如何提供一种新的两轮足机器人，使其不仅能根据周围环境通行条件的变化进行相应姿态调整后，从而能在不同通行条件下均能行驶，另外在行驶过程中如遇到一定高度障碍物时，能通过跳跃的方式越过障碍物继续行驶，无需进行较远的绕行避让，从而提高机器人的行驶效率，是本行业的研究方向之一。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种多姿态切换的两轮足机器人及其工作方法，不仅能根据周围环境通行条件的变化进行相应姿态调整后，从而能在不同通行条件下均能行驶，另外在行驶过程中如遇到一定高度障碍物时，能通过跳跃的方式越过障碍物继续行驶，无需进行较远的绕行避让，从而提高机器人的行驶效率。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种多姿态切换的两轮足机器人，包括主体和主体两侧下部对称放置的轮腿组件；
[0006]所述主体包括外壳、底板、配重块、转动轴、轴承座、配重驱动电机、电源和控制元件，所述配重驱动电机通过电机支座固定在底板上，所述轴承座为两个，两个轴承座固定在底板上，转动轴两端安装在两个轴承座上，使转动轴能相对两个轴承座转动，配重块一端固定在转动轴上，配重驱动电机的输出端通过联轴器与转动轴一端连接，当配重驱动电机工作时能通过转动轴带动配重块转动；所述外壳固定在底板上，并将配重驱动电机、电源和控
制元件罩在其内部；
[0007]所述轮腿组件包括yaw轴电机、固定座、髋关节电机、髋关节法兰、膝关节电机、大腿组件、小腿以及轮毂电机，yaw轴电机固定在底板下表面，固定座安装在yaw轴电机的输出轴上，使固定座能随着yaw轴电机输出轴旋转相对主体转动，髋关节电机装在固定座内、其输出轴一端从固定座一侧伸出，所述膝关节电机处于固定座一侧，并装在髋关节电机的输出轴上，所述大腿组件处于固定座一侧，所述大腿组件包括曲柄、连杆和大腿杆件，大腿杆件一端与膝关节电机的壳体固定连接，使得髋关节电机工作时膝关节电机和大腿杆件能相对固定座转动，大腿杆件另一端与小腿中部铰接，小腿下端装有轮毂电机，轮毂电机的外圈装有滚轮，轮毂电机用于驱动滚轮的转动；所述曲柄一端与膝关节电机的输出轴固定连接，曲柄另一端与连杆一端铰接，连杆另一端与小腿上端铰接，通过髋关节电机和膝关节电机工作能带动大腿杆件和曲柄转动，进而能使大腿杆件相对于固定座转动、小腿相对于大腿杆件转动；
[0008]所述控制元件固定在底板上并处于外壳内部，控制元件包括惯性测量单元、微控制器和接收机，惯性测量单元与微控制器电连接，用于在运动过程中实时将主体的姿态信息传递给微控制器，接收机与微控制器电连接，用于将接收的控制信号传递给微控制器，微控制器分别与配重驱动电机、yaw轴电机、髋关节电机、膝关节电机和轮毂电机电连接，用于在运动过程中根据惯性测量单元反馈的数据，通过控制配重驱动电机调节配重块的转动位置，进而对主体的质心进行调整，保证机器人整体的运行稳定性；同时当接收控制信号时，能通过控制yaw轴电机、髋关节电机、膝关节电机和轮毂电机对机器人的姿态进行调整，完成多姿态的切换；所述电源为上述控制元件及各个电机供电。
[0009]进一步，还包括舵机、相机连接板、相机和尼龙柱，舵机装在底板上部，舵机的输出轴穿过底板至下方，相机连接板一侧固定在舵机输出轴上，相机连接板两侧通过尼龙柱固定，相机固定在相机连接板另一侧，舵机能带动相机转动，对相机的拍摄方向进行调整，所述舵机与微控制器电连接。增设这个结构能使机器人具有拍照能力，从而能在行进过程中对周围环境进行拍摄，便于后续对环境数据的获取。
[0010]进一步，还包括环境感知模块，其包括雷达和深度传感器中的一种或多种，环境感知模块装在主体上，用于识别机器人周围环境的情况并反馈给微控制器，微控制器根据反馈的数据能自动调整机器人的姿态及对周围环境进行监测。通过设置环境感知模块，并结合自动控制算法，使得机器人无需人工遥控就能自动行驶且能自动切换不同姿态模式。
[0011]进一步，所述yaw轴电机、髋关节电机以及膝关节电机均为直流无刷电机。采用该结构电机，不仅运行稳定，而且噪音较小。
[0012]上述多姿态切换的两轮足机器人的工作方法，具体步骤为：
[0013]A、工作人员手持遥控器向机器人发送控制信号，确定机器人的姿态模式，所述机器人的姿态模式包括张腿模式、收腿模式和自行车模式，微控制器接收到控制信号后，通过控制yaw轴电机使机器人调整至所需的姿态模式，并同时启动惯性测量单元对机器人的惯性数据进行检测，使数据反馈给微控制器，微控制器对数据进行分析，并控制配重驱动电机对配重块的转动位置进行调整，从而保持机器人的姿态稳定性；
[0014]若为张腿模式，控制yaw轴电机转动使两个轮腿组件之间留有一定间隙，并且此时两个轮腿组件的滚轮轴线处于同一轴线；
[0015]若为收腿模式，控制yaw轴电机转动使两个轮腿组件之间的间隙最小，并且两个轮腿组件的滚轮轴线处于同一轴线；
[0016]若为自行车模式，控制yaw轴电机转动使两个轮腿组件之间留有一定间隙，并且此时两个轮腿组件的滚轮转动方向处于同一直线；
[0017]B、在确定机器人的姿态模式后，机器人开始在路面上行驶，在行驶过程中，在经过不同路况时，工作人员通过遥控器对机器人发出不同控制信号，从而使机器人在不同路况下采用不同的动作通过当前路况；
[0018]当机器人所处姿态模式为张腿模式或收腿模式时，机器人在平坦地面直立时，微控制器通过惯性测量单元实时读取机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多姿态切换的两轮足机器人，其特征在于，包括主体和主体两侧下部对称放置的轮腿组件；所述主体包括外壳、底板、配重块、转动轴、轴承座、配重驱动电机、电源和控制元件，所述配重驱动电机通过电机支座固定在底板上，所述轴承座为两个，两个轴承座固定在底板上，转动轴两端安装在两个轴承座上，使转动轴能相对两个轴承座转动，配重块一端固定在转动轴上，配重驱动电机的输出端通过联轴器与转动轴一端连接，当配重驱动电机工作时能通过转动轴带动配重块转动；所述外壳固定在底板上，并将配重驱动电机、电源和控制元件罩在其内部；所述轮腿组件包括yaw轴电机、固定座、髋关节电机、髋关节法兰、膝关节电机、大腿组件、小腿以及轮毂电机，yaw轴电机固定在底板下表面，固定座安装在yaw轴电机的输出轴上，使固定座能随着yaw轴电机输出轴旋转相对主体转动，髋关节电机装在固定座内、其输出轴一端从固定座一侧伸出，所述膝关节电机处于固定座一侧，并装在髋关节电机的输出轴上，所述大腿组件处于固定座一侧，所述大腿组件包括曲柄、连杆和大腿杆件，大腿杆件一端与膝关节电机的壳体固定连接，使得髋关节电机工作时膝关节电机和大腿杆件能相对固定座转动，大腿杆件另一端与小腿中部铰接，小腿下端装有轮毂电机，轮毂电机的外圈装有滚轮，轮毂电机用于驱动滚轮的转动；所述曲柄一端与膝关节电机的输出轴固定连接，曲柄另一端与连杆一端铰接，连杆另一端与小腿上端铰接，通过髋关节电机和膝关节电机工作能带动大腿杆件和曲柄转动，进而能使大腿杆件相对于固定座转动、小腿相对于大腿杆件转动；所述控制元件固定在底板上并处于外壳内部，控制元件包括惯性测量单元、微控制器和接收机，惯性测量单元与微控制器电连接，用于在运动过程中实时将主体的姿态信息传递给微控制器，接收机与微控制器电连接，用于将接收的控制信号传递给微控制器，微控制器分别与配重驱动电机、yaw轴电机、髋关节电机、膝关节电机和轮毂电机电连接，用于在运动过程中根据惯性测量单元反馈的数据，通过控制配重驱动电机调节配重块的转动位置，进而对主体的质心进行调整，保证机器人整体的运行稳定性；同时当接收控制信号时，能通过控制yaw轴电机、髋关节电机、膝关节电机和轮毂电机对机器人的姿态进行调整，完成多姿态的切换；所述电源为上述控制元件及各个电机供电。2.根据权利要求1所述的多姿态切换的两轮足机器人，其特征在于，还包括舵机、相机连接板、相机和尼龙柱，舵机装在底板上部，舵机的输出轴穿过底板至下方，相机连接板一侧固定在舵机输出轴上，相机连接板两侧通过尼龙柱固定，相机固定在相机连接板另一侧，舵机能带动相机转动，对相机的拍摄方向进行调整，所述舵机与微控制器电连接。3.根据权利要求1所述的多姿态切换的两轮足机器人，其特征在于，还包括环境感知模块，其包括雷达和深度传感器中的一种或多种，环境感知模块装在主体上，用于识别机器人周围环境的情况并反馈给微控制器，微控制器根据反馈的数据能自动调整机器人的姿态及对周围环境进行监测。4.根据权利要求1所述的多姿态切换的两轮足机器人，其特征在于，所述yaw轴电机、髋关节电机以及膝关节电机均为直流无刷电机。5.一种根据权利要求1所述多姿态切换的两轮足机器人的工作方法，其特征在于，具体步骤为：
A、工作人员手持遥控器向机器人发送控制信号，确定机器人的姿态模式，所述机器人的姿态模式包括张腿模式、收腿模式和自行车模式，微控制器接收到控制信...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪佳琪，焦睿轩，王英齐，刘子怡，李会军，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：