本發(fā)明涉及四足機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種可變形的輪足運動機(jī)器人。

背景技術(shù)：

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，在面對惡劣環(huán)境和復(fù)雜地形時，利用運動機(jī)器人的變形功能來增強(qiáng)其地形適應(yīng)和自主運動能力是近年發(fā)展較快的一種機(jī)器人技術(shù)。相比輪式、履帶式或一般足式運動機(jī)器人，輪足可變形式機(jī)器人具有越障能力強(qiáng)、運動速度高的特點。

對國內(nèi)外復(fù)雜環(huán)境下的移動機(jī)器人分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前機(jī)器人的運動機(jī)構(gòu)主要采用輪式機(jī)構(gòu)、履帶式機(jī)構(gòu)、腿式機(jī)構(gòu)以及它們的復(fù)合機(jī)構(gòu)等形式。輪式機(jī)構(gòu)移動速度很快，控制也簡單，但是在越障方面表現(xiàn)極差；履帶式機(jī)構(gòu)環(huán)境適應(yīng)能力很強(qiáng)，尤其加了擺臂之后，但是能耗大；腿式結(jié)構(gòu)，由于機(jī)器人的足端與地面是點接觸，對環(huán)境要求低，因而越障能力強(qiáng)，但是運動速度低，結(jié)構(gòu)和控制都較為復(fù)雜；復(fù)合式結(jié)構(gòu)，如履腿式、輪履式、輪腿式甚至輪履腿式，往往會將其各方面的優(yōu)點結(jié)合起來，發(fā)揮各自最好的性能優(yōu)勢，應(yīng)用也越來越廣，但其控制有一定的復(fù)雜性。

考慮到復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)的移動機(jī)器人系統(tǒng)的功能需求，急需設(shè)計一種四足可變形的輪腿運動相結(jié)合的移動機(jī)器人，搭載傳感器，并能被遠(yuǎn)程控制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種運動靈活、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的可變形的輪足運動機(jī)器人。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種可變形的輪足運動機(jī)器人，包括控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)包括軀干、輪式運動機(jī)構(gòu)和安裝在軀干上的四條具有多運動自由度的腿部運動機(jī)構(gòu)，輪式運動機(jī)構(gòu)包括安裝在機(jī)械系統(tǒng)后部的四個輪子和驅(qū)動至少一個輪子的驅(qū)動電機(jī)，各腿部運動機(jī)構(gòu)包括串接在一起的若干舵機(jī)，各舵機(jī)的輸出軸相互垂直，控制系統(tǒng)控制各舵機(jī)轉(zhuǎn)動以調(diào)整各腿部運動機(jī)構(gòu)位姿以實現(xiàn)輪式運動和足式運動間的運動模式切換。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，各腿部運動機(jī)構(gòu)包括依次串接固定在一起的第一舵機(jī)、第一舵機(jī)支架、第二舵機(jī)支架、第二舵機(jī)、第三舵機(jī)和第三舵機(jī)支架，第一舵機(jī)前后擺動方向安裝，第二舵機(jī)左右擺動方向安裝，第三舵機(jī)前后擺動方向安裝。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，四個輪子分別安裝在軀干后部的兩條腿部運動機(jī)構(gòu)的上下兩端。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，驅(qū)動電機(jī)有兩個，還設(shè)置有安裝兩驅(qū)動電機(jī)在軀干后部左右兩側(cè)的兩電機(jī)支架，兩輪子分別與兩驅(qū)動電機(jī)傳動連接，另外兩輪子分別轉(zhuǎn)動連接在后部的兩第三舵機(jī)支架上。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，各第三舵機(jī)支架的底端設(shè)置有防滑墊。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，軀干為由3D打印制作而成的方形板，軀干的前后兩側(cè)中部均開設(shè)有U形切口，各腿部運動機(jī)構(gòu)固定連接在軀干的四個邊角處。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，控制系統(tǒng)包括主芯片、電源模塊、WIFI模塊、舵機(jī)控制端口、直流電機(jī)控制端口、USART、電源輸出模塊、傳感器模塊、直流電機(jī)驅(qū)動器和程序下載模塊。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，控制系統(tǒng)基于ARM開發(fā)，傳感器模塊包括攝像頭和姿態(tài)傳感器。

本發(fā)明的有益效果：此可變形的輪足運動機(jī)器人通過腿部運動機(jī)構(gòu)和輪式運動機(jī)構(gòu)的設(shè)置，平地運動時采用輪式運動機(jī)構(gòu)運動，當(dāng)遭遇復(fù)雜地形時，軀干前部的兩腿部運動機(jī)構(gòu)伸直到與軀干垂直，接著軀干后部的兩腿部運動機(jī)構(gòu)往前擺，直至前部的兩腿部運動機(jī)構(gòu)著地，此時前部的兩腿部運動機(jī)構(gòu)往前擺，直至軀干達(dá)到水平位置，然后四腿部運動機(jī)構(gòu)回復(fù)到原始位置，完成運動模式切換，該可變形的輪足運動機(jī)器人運動靈活、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

圖1是可變形的輪足運動機(jī)器人的四足運動模式結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是可變形的輪足運動機(jī)器人的輪式運動模式結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

參照圖1和圖2，本發(fā)明為一種可變形的輪足運動機(jī)器人，包括控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)包括軀干1、輪式運動機(jī)構(gòu)和安裝在軀干1上的四條具有多運動自由度的腿部運動機(jī)構(gòu)，輪式運動機(jī)構(gòu)包括安裝在機(jī)械系統(tǒng)后部的四個輪子7和驅(qū)動至少一個輪子7的驅(qū)動電機(jī)8，各腿部運動機(jī)構(gòu)包括串接在一起的若干舵機(jī)，各舵機(jī)的輸出軸相互垂直，控制系統(tǒng)控制各舵機(jī)轉(zhuǎn)動以調(diào)整各腿部運動機(jī)構(gòu)位姿以實現(xiàn)輪式運動和足式運動間的運動模式切換。

通過腿部運動機(jī)構(gòu)和輪式運動機(jī)構(gòu)的設(shè)置，平地運動時采用輪式運動機(jī)構(gòu)運動，當(dāng)遭遇復(fù)雜地形時，軀干1前部的兩腿部運動機(jī)構(gòu)伸直到與軀干1垂直，接著軀干1后部的兩腿部運動機(jī)構(gòu)往前擺，直至前部的兩腿部運動機(jī)構(gòu)著地，此時前部的兩腿部運動機(jī)構(gòu)往前擺，直至軀干1達(dá)到水平位置，然后四腿部運動機(jī)構(gòu)回復(fù)到原始位置，完成運動模式切換，該可變形的輪足運動機(jī)器人運動靈活、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。

作為優(yōu)選的實施方式，各腿部運動機(jī)構(gòu)包括依次串接固定在一起的第一舵機(jī)2、第一舵機(jī)支架31、第二舵機(jī)支架32、第二舵機(jī)41、第三舵機(jī)42和第三舵機(jī)支架5，第一舵機(jī)2前后擺動方向安裝，第二舵機(jī)41左右擺動方向安裝，第三舵機(jī)42前后擺動方向安裝。

作為優(yōu)選的實施方式，四個輪子7分別安裝在軀干1后部的兩條腿部運動機(jī)構(gòu)的上下兩端。

作為優(yōu)選的實施方式，驅(qū)動電機(jī)8有兩個，還設(shè)置有安裝兩驅(qū)動電機(jī)8在軀干1后部左右兩側(cè)的兩電機(jī)支架9，兩輪子7分別與兩驅(qū)動電機(jī)8傳動連接，另外兩輪子7分別轉(zhuǎn)動連接在后部的兩第三舵機(jī)支架5上。

作為優(yōu)選的實施方式，各第三舵機(jī)支架5的底端設(shè)置有防滑墊6，各防滑墊6為橡膠防滑墊。

作為優(yōu)選的實施方式，軀干1為由3D打印制作而成的方形板，軀干1的前后兩側(cè)中部均開設(shè)有U形切口，各腿部運動機(jī)構(gòu)固定連接在軀干1的四個邊角處。

作為優(yōu)選的實施方式，控制系統(tǒng)包括主芯片、電源模塊、WIFI模塊、舵機(jī)控制端口、直流電機(jī)控制端口、USART、電源輸出模塊、傳感器模塊、直流電機(jī)驅(qū)動器和程序下載模塊。

作為優(yōu)選的實施方式，控制系統(tǒng)固定設(shè)置在軀干1上，控制系統(tǒng)基于ARM開發(fā)，傳感器模塊包括攝像頭和姿態(tài)傳感器，姿態(tài)傳感器為MPU6050姿態(tài)傳感器，控制系統(tǒng)的功能主要是對傳感器模塊回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，然后無線傳輸給上位機(jī)，根據(jù)上位機(jī)分析結(jié)果對腿部運動機(jī)構(gòu)上各舵機(jī)和驅(qū)動電機(jī)8進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

作為優(yōu)選的實施方式，第一舵機(jī)2為單軸舵機(jī)，第二舵機(jī)41和第三舵機(jī)42均為雙軸舵機(jī)，兩電機(jī)支架9固定設(shè)置在軀干1的后部左右兩側(cè)，兩驅(qū)動電機(jī)8通過兩電機(jī)支架9固定設(shè)置在軀干1后部的左右兩側(cè)，兩驅(qū)動電機(jī)8均為直流無刷電機(jī)，兩輪子7分別與兩驅(qū)動電機(jī)8傳動連接成為主動輪，另外兩輪子7分別轉(zhuǎn)動連接在后部的兩第三舵機(jī)支架5上成為從動輪。

作為優(yōu)選的實施方式，該可變形的輪足運動機(jī)器人足式運動時，各腿部運動機(jī)構(gòu)末端采用拋物線形狀的運動方式實現(xiàn)運動，在給定末端軌跡的情況下基于MATLAB的機(jī)器人工具箱逆解計算出各舵機(jī)在每個時刻的輸出角度，通過控制系統(tǒng)控制各舵機(jī)的運動以使四條腿交替運動，實現(xiàn)足式運動。

輪式運動時，和兩驅(qū)動電機(jī)8相連的兩輪子7為主動輪，另外的兩輪子7為被動輪，通過第二舵機(jī)41的轉(zhuǎn)動角度以調(diào)節(jié)機(jī)器人輪式運動時的運動方向。

當(dāng)需要由足式運動模式轉(zhuǎn)換到輪式運動模式時，首先四條腿部運動機(jī)構(gòu)伸直與地面呈垂直狀，接著后部的兩腿部運動機(jī)構(gòu)同時向前擺動，前部的兩腿部運動機(jī)構(gòu)向后擺動，此時兩主動輪著地，后部的兩腿部運動機(jī)構(gòu)恢復(fù)伸直狀態(tài)且前部的兩腿部運動機(jī)構(gòu)下擺至極限位置，即完成轉(zhuǎn)換過程。

當(dāng)需要由輪式運動模式切換到足式運動模式時，首先前部的兩腿部運動機(jī)構(gòu)伸直至與軀干1垂直位置，后部的兩腿部運動機(jī)構(gòu)慢慢前擺，直至前部的兩腿部運動機(jī)構(gòu)著地，此時前部的兩腿部運動機(jī)構(gòu)慢慢前擺，直到軀干1達(dá)到水平位置為止，然后四條腿部運動機(jī)構(gòu)同時回復(fù)到初始位置即可，即完成轉(zhuǎn)換過程。

當(dāng)然，本發(fā)明并不局限于上述實施方式，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可作出等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。