一种轮腿变换式机器人及变换控制方法技术

本发明专利技术公开了一种轮腿变换式机器人及变换控制方法，轮腿变换式机器人包括前后转向模块、轮腿变换模块、腿式结构驱动模块、锁定模块、车体和轮；车体下方设有承载板；前后转向模块驱动承载板转动，轮腿变换模块通过锁定模块安装在承载板上；本发明专利技术在进行变换时，若轮式模式行走途中遇障碍物，则启动轮腿变换模块，变换为腿式模式行走至越过障碍物后，则启动轮腿变换模块，变换为轮式模式行走。本发明专利技术通过伺服电机的控制，利用滚珠丝杠和连杆机构的工作原理，即通过车轮转动和腿部摆动相互转换的行走方式，解决了由于轮本身结构变换而带来的损坏或行驶不稳定的问题。损坏或行驶不稳定的问题。损坏或行驶不稳定的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种轮腿变换式机器人及变换控制方法


[0001]本专利技术涉及移动机器人，尤其涉及一种轮腿变换式机器人及变换控制方法。

技术介绍

[0002]目前特种机器人的行走方式主要有轮式和腿式两种。轮式结构优点是使机器人在平坦的路面快速行驶，平稳性较好，但缺点是其越障能力有限，对路面条件要求高，无法处理障碍物较大的路况。腿式结构的优点是越障能力强，提高移动机器人对路况适用性，但其缺点是在平稳路面的行驶能力不及轮式结构。轮腿式机器人能够很好地结合两者的优点，具有很强的适应能力和越障能力，因此得到广泛关注。
[0003]目前，传统轮腿变换机器人变换过程复杂，在变换过程中对移动机器人的载重、姿态和位置要求高，无论是在平坦开阔的路面还是在地形复杂崎岖的户外，轮腿式机器人都能够很好的适应并完成行驶任务。
[0004]专利CN201810943957.8一种轮腿变换式的多足机器人公开了一种多自由度的轮腿式机器人，能够较好地适应不同的路面情况。但在腿式结构下行走时，由于其自由度较高，其不稳定性也会提高。由于其底轮本身可变形的结构，其在轮式结构下行驶的平稳性较低；一种基于电磁控制与空间反凸轮的轮腿变换装置(CN201910052188.7)公开了一种通过电磁控制与凸轮结构实现的轮腿变换方式，该专利技术应具有制造成本低、控制简单、动态性能好、所需驱动少的优点，但是其在进行轮腿变换时，底轮本身承受较大且不均匀的应力，从而降低了其在腿式结构下行驶的稳定性和适应性；一种多适应性轮足切换移动平台(CN208007139U)公开了一种复合式移动平台，其具有轮式与腿式两种行走方式。其通过改变髋关节与膝关节的角度来改变其触地方式，这种控制方式复杂，控制条件要求严格，实现过程较为复杂。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术针对现有技术中的不足之处，提出一种轮腿变换式机器人及变换控制方法，即通过车轮转动和腿部摆动相互转换的行走方式，有效的解决了由于底轮本身结构变换而带来的损坏或行驶不稳定的问题。
[0006]技术方案：本专利技术轮腿变换式机器人包括前后转向模块、轮腿变换模块、腿式结构驱动模块、锁定模块、车体和轮；车体下方设有承载板；前后转向模块驱动承载板转动，轮腿变换模块通过锁定模块安装在承载板上；
[0007]锁定模块包括插销、电磁开关、插销导轨和转块，转块位于承载板的空槽内，插销和插销导轨位于空槽的两侧，电磁开关驱动插销沿插销导轨移动进而锁定转块；
[0008]轮腿变换模块包括丝杠、第二转向器、第二伺服电机和丝杠滑台，丝杠穿过转块和丝杠滑台，丝杠的上端与第二转向器和第二伺服电机连接，丝杠的下方有带有轴承的丝杠套；丝杠套的下方为四边形连杆机构；承载板与丝杠滑台之间设有伸缩杆；轮与丝杠的下端的丝杠套连接；
[0009]腿式结构驱动模块包括第三伺服电机、凸轮和凸轮连杆，凸轮连杆连接凸轮的一端以及轮的中心。
[0010]前后转向模块包括转向器、第一伺服电机和联轴器，转向器位于承载板的上方。
[0011]空槽内开设有孔，转块的两端安装有轴承，转块通过轴承安装在承载板内。
[0012]四边形连杆机构包括腿部连接杆、上腿部连杆和下腿部连杆，上腿部连杆和下腿部连杆通过腿部连接杆连接。
[0013]伸缩杆的上端与承载板铰接，伸缩杆的下端与丝杠滑台铰接。
[0014]轮腿变换模块的底部设有脚托，脚托与下腿部连杆连接。
[0015]本专利技术轮腿变换式机器人的变换控制方法包括以下步骤：
[0016](1)选择轮式模式，若遇障碍物则变换为腿式模式行走,轮腿变换控制方法如下：
[0017](1.1)开启第二伺服电机，驱动丝杠正向旋转，带动丝杠滑台向下移动，上腿部连杆与竖直方向夹角减小，至与承载板(6)夹角成90
°
时，第二伺服电机关闭，脚托与地面接触；
[0018](1.2)锁定模块关闭，电磁开关弹出,带动插销移动至离开转块，转块解除锁定，腿部通过丝杠绕转块的轴线转动；
[0019](1.3)第三伺服电机开启，带动凸轮转动，通过凸轮连杆传递给腿部完成摆动；腿式模式完成行走；
[0020](2)选择腿式模式越过障碍物后，变换为轮式模式行走，腿轮变换控制方法：
[0021](2.1)第三伺服电机驱动丝杠与承载板垂直，锁定模块开启，电磁开关收回,带动插销移动至插销的末端伸出插销导轨，插销的末端压住转块,将转块锁定，腿部停止转动；
[0022](2.2)第二伺服电机驱动丝杠反向旋转，带动丝杠滑台向上移动，腿部连接杆与承载板的夹角减小至腿部连接杆与承载板平行时，第二伺服电机关闭；轮与地面接触；
[0023]其轮腿变换过程为：
[0024]式中，θ为运动状态下腿部连接杆(203)与丝杠(204)的夹角，s为丝杠滑台(206)沿丝杠的位移，d为两个上腿部连杆(207)上端铰链距离，L为腿部连接杆(203)长度。
[0025](2.3)轮内部的轮毂电机开启，驱动轮转动，轮式模式完成行走。
[0026]步骤(1.3)中，轮腿变换越障方法如下：
[0027](1.3.1)左前腿与右后腿中腿式驱动模块的伺服电机启动，带动左前腿与右后腿发生摆动后离开地面，右前腿与左后腿处于支撑状态；
[0028](1.3.2)左前腿与右后腿摆动完成后落地，此时右前腿与左后腿中腿式驱动模块的伺服电机启动，带动右前腿与左后腿发生摆动后离开地面；
[0029](1.3.3)右前腿与左后腿摆动完成后落地，左前腿与右后腿继续摆动，重新执行步骤(1.3.1)，以此循环。
[0030]步骤(1.3.1)中，左前腿与右后腿摆动同步，右前腿与左后腿摆动同步。
[0031]步骤(1.3.1)中，左前腿、右后腿、右前腿与左后腿摆动之间存在一个时间差，在所述时间差内，四条腿同时处于支撑状态。
[0032]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0033](1)本专利技术轮腿变换式机器人进行轮腿变换的结构中，通过伺服电机的控制，利用
滚珠丝杠和连杆机构的工作原理，自主地完成形态结构的改变，轮腿变换过程简单可靠，通过机械结构保证两种行走方式的稳定。
[0034](2)本专利技术提供了机器人的两种行走方式。一是通过轮毂电机驱动车轮转动，从而完成轮式结构的行走；二是通过电机带动凸轮旋转，通过连杆的带动使得腿部发生摆动，实现腿式结构下的行走。提高了机器人的越障能力，并提高了面对复杂路况的实用性。同时根据实时路况，自主选择两种行走方式，提高了机器人的适应性和机动性。
[0035](3)本专利技术提供了前后独立的转向结构，实现更为灵活自由的转向，通过电机的控制，前后两部分单独地实现转向功能，提高了机器人的灵活性，同时也保证机器人在转弯时的稳定性。
[0036](4)本专利技术提供了一种四边形铰链装置，保证腿部结构伸出和缩回，通过两个连杆提高了腿部结构的承载力，提高腿部结构的可靠性。
[0037](5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轮腿变换式机器人，其特征在于：包括前后转向模块(1)、轮腿变换模块(2)、腿式结构驱动模块(3)、锁定模块(4)、车体(5)和轮(7)；所述车体(5)下方设有承载板(6)；所述前后转向模块(1)驱动承载板(6)转动，轮腿变换模块(2)通过锁定模块(4)安装在承载板(6)上；所述锁定模块(4)包括插销(41)、电磁开关(42)、插销导轨(43)和转块(44)，所述转块(44)位于承载板(6)的空槽内，所述插销(41)和插销导轨(43)位于所述空槽的两侧，所述电磁开关(42)驱动插销(41)沿插销导轨(43)移动进而锁定转块(44)；所述轮腿变换模块(2)包括丝杠(204)、第二转向器(201)、第二伺服电机(202)和丝杠滑台(206)，所述丝杠(204)穿过转块(44)和丝杠滑台(206)，丝杠(204)的上端与第二转向器(201)和第二伺服电机(202)连接，丝杠(204)的下方有带有轴承(211)的丝杠套(210)；所述丝杠套(210)的下方为四边形连杆机构(9)；所述承载板(6)与丝杠滑台(206)之间设有伸缩杆(205)；所述轮(7)与丝杠(204)的下端的丝杠套(210)连接；所述腿式结构驱动模块(3)包括第三伺服电机(31)、凸轮(32)和凸轮连杆(33)，所述凸轮连杆(33)连接凸轮(32)的一端以及轮(7)的中心。2.根据权利要求1所述的轮腿变换式机器人，其特征在于：所述前后转向模块(1)包括转向器(12)、第一伺服电机(11)和联轴器(13)，所述转向器(12)位于承载板(6)的上方。3.根据权利要求1所述的轮腿变换式机器人，其特征在于：所述空槽内开设有孔，所述转块(44)的两端安装有轴承，所述转块(44)通过轴承安装在承载板(6)内。4.根据权利要求1所述的轮腿变换式机器人，其特征在于：所述四边形连杆机构(9)包括腿部连接杆(203)、上腿部连杆(207)和下腿部连杆(208)，所述上腿部连杆(207)和下腿部连杆(208)通过腿部连接杆(203)连接。5.根据权利要求1所述的轮腿变换式机器人，其特征在于：所述伸缩杆(205)的上端与承载板(6)铰接，伸缩杆(205)的下端与丝杠滑台(206)铰接。6.根据权利要求4所述的轮腿变换式机器人，其特征在于：所述轮腿变换模块(2)的底部设有脚托(209)，所述脚托(209)与所述下腿部连杆(208)连接。7.一种轮腿变换式机器人的变换控制方法，其特征在于：由权利要求1所述的轮腿变换式机器人来实现，所述轮腿变换式机器人的变换控制方法包括以下步骤：(1)选择轮式模式，若遇障碍...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱玺，庄宏，曹津瑞，潘龙甲，殷凯邺，唐文献，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：