轮腿复合移动机器人的制作方法

本发明属于机器人技术领域，尤其是涉及一种轮腿复合移动机器人。

背景技术：

腿式机器人的优点是不仅能在平坦地面上行走而且可以在崎岖地面上步行，可跨越沟壑，上下台阶，还可做无滑动的完整和单向运动，并为其上的传感器提供稳定的动态平台，因此具有广泛的适用性，但其存在缺点，即较难实现其稳定步态规划和稳定平衡控制，运动速度与能量的利用效率较低，另外，腿式机器人一般较重，且结构复杂。轮式机器人优点是，自动操作简单，动作稳定，特别适合在平坦的地面上运动，有更大的运动速度和能量利用效率，是目前广泛使用的一类机器人。但是与腿式机器人相比，其对地形的适应性较差，很难做到跨越高度和爬楼梯。

随着社会的不断发展，为解决复杂的路面行走问题，设计了方便、快速的轮腿变换的机器人，集成了轮式机器人和腿式机器人各自的优点，同时，也弥补了轮式机器人和腿式机器人各自的缺点，具有各取所长，相互弥补的特点。申请号为200810056851.2的中国专利申请公布了一种轮腿两用式移动机器人，该机器人采用轮腿结合运动模式，包括机体，机体两侧对称安装有四条结构相同的具有轮、足两用功能的腿，每条腿包括大腿和小腿，大腿的两端位于大腿内侧转动装配有两个大轮，位于机器人内部的大轮通过传动轴连接，传动轴与动力源连接，每条腿上位于机器人外部的大轮上转动装配有小腿，小腿的末端转动装配有小轮，小轮上设置有用于控制小轮从动或止转的电磁抱闸。该机器人通过传动轴上的离合器进行轮腿模式切换，上述大轮和小轮均绕腿径向延伸的各自对应的转轴转动。在切换为腿式工作时，大腿与机体保持一定角度，然后小腿绕轴旋转运动实现机器人的行走，这种轮腿复合机器人结构大多是将轮与腿结合在一起的串联结构，并无明显的“轮”运动形式和“腿”运动形式的区分，其适应地形的特性也大多是为了使机器人可以越障，而非使机器人通过使用不同的运动形式而发挥出每种运动形式最大的优势。所以，这种轮腿复合机器人在遇到故障时很容易因为结构的限制而使两种运动模式均处于瘫痪状态。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有轮腿复合机器人技术的不足之处，提供一种轮或腿两种独立运动且可相互切换的轮腿复合移动机器人。

本发明的技术构思为：针对现有技术中轮腿复合移动机器人设计为串联式结构可能带来并无轮或腿独立运动明显区分而造成适应性差的问题，设计了一种具有并联结构和并联控制电路系统的轮腿复合移动机器人。他可以令机器人切换两种不同的轮或腿独立运动模式，每种运动模式适应特定的地形，以便机器人可以发挥每种运动模式最大的优势。其次，为使机器人可以胜任载具与移动平台的功能，开发出可以拓展功能的嵌入式系统，增加了计算机云台与机械手作为扩展结构并开发出相应的控制系统，增强机器人的实用性。

本发明的技术方案为：一种轮腿复合移动机器人，其包括机体、独立安装在机体上的多个机械腿和轮部、给机械腿和轮部提供动力的电源系统、控制机械腿与轮部相互切换和控制两者行动的操控装置，以及安装在机体上的外壳；机体包括上层板支架，下层板支架，连接上、下层板支架的连接架。电源系统安装在上层板支架上，多个机械腿分布安装在上层板支架的边缘处，多个轮部分布安装在连接架的周围，每个机械腿上安装至少三个机械爪，每个机械爪的自由端能够独立朝机体的中心线靠近或远离，相互协作完成抓取球状或不规则物体。处于机器人尾部的上层板支架的一侧安装有电力操作平台，用以控制机器人的电力供应和安全保护。机器人安装的拓展组件为计算机云台，该计算机云台安装有外壳，计算机云台安装在上层板支架支架上。计算机云台内装有远程控制系统和图像采集系统组件；所述的轮部包括直流电机、联轴器、电机座、轮轴和万向轮，轮部安装在下层板支架上。为了减轻万向轮在地面上转动时产生的震动，在轮部模块与机器人上层板支架之间装有弹簧减震器和减震器安装架构成的减震结构。

每一条机械腿都具有三个转动副，也即三个自由度，这三个转动副充当了机械腿的关节。根据昆虫的机械腿结构进行仿生设计，与机身最近的部位是机械腿安装架，也是机械腿与机身的连接处。然后是关节连接件、股骨连接件以及胫部连接架，最后是足尖，机械腿的每一个关节都由舵机驱动。在机器人处于轮式运动模式时，六条机械腿离地收紧，当机器人处于“腿”运动模式时，六足支撑起机器人步行。机器人的足尖是重要的传感零件，其中有压力传感器，通过力的反馈，机器人可以调整步态和位姿达到适应地形保持平衡的效果。计算机云台具有三个自由度，其主要由数个连接件和三个舵机构成，其上安有大灯，可以保证夜间或阴暗处机器人的图像采集。此外，云台上还可以搭载图像采集系统，其具有的陀螺仪可以保证图像采集的稳定性。云台上还具备无线传输系统，可以远程接收信号。机器人的电力由锂电池供应，安装在上层板支架上的电力平台还安装有电压表、总物理开关、轮腿复合运动系统各物理开关和轮腿复合运动系统各继电器装置等电子器件。

优选的，所述的上层板支架或下层板支架包括主体部、自主体部侧壁朝外延伸形成的延伸部和自主体部顶端设置有连接部，延伸部为板状体，每个延伸部上设置容置方孔和圆孔，且容置方孔位于圆孔的上方，容置方孔和圆孔用于组装机械爪用插孔，连接部上设置多个圆孔，圆孔中穿置螺栓后和机械臂连接组装为一体。

优选的，所述的机械爪包括舵机、主动摇杆、从动摇杆和弯曲件，弯曲件的连接端设置可插接的圆孔，舵机固定安装在容置方孔中，主动摇杆的一端安装在舵机的转轴上，主动摇杆的另一端和弯曲件的连接端通过转轴连接，从动摇杆的一端通过转轴连接，从动摇杆的另一端和弯曲件的连接端通过转轴连接。每个机械爪的自由端能够独立朝支架的中心线靠近或远离，多个机械爪的自由端朝支架的中心线靠近相互协作完成抓取球状或不规则物体，从而提高了抓取的成功率。

优选的，为了恰好抓紧物体而不至于损坏物体的外表面或结构，弯曲件内侧设置凹槽，在凹槽安装压力传感器，该压力传感器和舵机电信号连接，压力传感器和对应电信号连接的舵机安装在同一个机械爪上。

优选的，上述机械爪还包括保护壳，保护壳安装在支架的延伸部上，舵机、主动摇杆和从动摇杆连接在延伸部的端部收容在保护壳中。

优选的，上述能够灵活抓取球状或不规则物体的多功能机械爪还包括转动机构，转动机构安装于支架上，转动机构能够使支架绕着转动机构的转轴转动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的技术方案首先保证了机器人可以最大程度利用机械腿和轮部两种不同的运动形式适应各种地形环境，通过并联的控制系统使机器人可以快速、安全的切换不同的运动模式。

2、本发明通过增强机器人结构与控制系统的扩展性，机器人可以搭载各种所需要的中小型设备，利用优异的运动性能使机器人不单纯是一个移动平台，还具有针对性专业工作能力。

3、本发明包括上层板支架、下层板支架和每个机械腿至少三个机械爪，上述多个机械爪分别安装在支架的周侧，每个机械爪的自由端能够独立朝支架的中心线靠近或远离，多个机械爪的自由端朝支架的中心线靠近相互协作完成抓取球状或不规则物体，从而提高了抓取的成功率。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明的支架及主要零部件结构示意图。

图3为本发明上层板支架，下层板支架，连接上、下层板支架的连接架结构示意图。

图4为本发明舵机连接支架、操控平台支架结构示意图。

图5为本发明轮部机构结构示意图。

图6为本发明机械爪结构示意图。

图7为本发明电气电路原理图。

图中：机体1、机械腿2、机械臂3、机械爪4、计算机云台外壳5、操控平台6、上层板支架7、轮部8、弹簧减震器9、机械臂安装架10、机械腿安装架11、机械腿舵机12、机械腿关节连接件13、足尖14、胫部关节连接件15、股骨关节连接件16、计算机云台装置17、电源系统18、电源平台支架19、下层板支架20、上下板支架连接架21、减震器安装架22、照明灯23、云台舵机连接架24、舵机支架25、操控平台支架26、直流电机27、计算机云台挡圈28、联轴器29、电机座30、轮轴31、保护壳32、转动机构33、主动摇杆34、从动摇杆35、弯曲件36、机械爪舵机37、总电压表38、总继电器39、总开关40、稳压电源41、控制器电源42、计算机云台电源43、云台与远程控制系统44、主控制板45、控制器开关46、控制器继电器47、电机控制器48、机械腿系统电源49、机械腿系统电源继电器50、万向轮控制器51、舵机控制器52、机械腿系统电源电压表53、机械腿控制器54。

具体实施方式

本发明的具体实施方式结合附图作进一步说明。

参阅图1至图6，一种轮腿复合移动机器人，该其包括机体1、独立安装在机体上的多个机械腿2和轮部8、给机械腿2和轮部8提供动力的电源系统18、控制机械腿与轮部相互切换和控制两者行动的操控装置6以及安装在机体上的外壳；机体1包括上层板支架7，下层板支架20，连接上、下层板支架的连接架21。电源系统18安装在上层板支架7上，多个机械腿2分布安装在上层板支架7的边缘处，多个轮部分布安装在连接架21的周围，轮部中的行走轮为万向轮。每个机械腿上安装至少三个机械爪4，每个机械爪的自由端能够独立朝机体的中心线靠近或远离，相互协作完成抓取球状或不规则物体。处于机器人尾部的上层板支架7的一侧安装有电力操作平台19，用以控制机器人的电力供应和安全保护。机器人安装的拓展组件为计算机云台装置17，该云台装置17上安装有外壳5，计算机云台装置17安装在上层板支架7上。计算机云台装置17内装有远程控制系统和图像采集系统组件；所述的轮部包括直流电机27、联轴器29、电机座与轴承座30、轮轴31和万向轮，万向轮通过轮轴31和联轴器29相连，轮部系统安装在下层板支架20上，电机座30安装在联轴器29上。为了减轻万向轮在地面上转动时产生的震动，在轮部与机器人上层板支架7之间装有弹簧减震器9和减震器安装架22构成的减震结构。

本机器人的机械腿2为六条，每一条机械腿都具有三个转动副，也即三个自由度，这三个转动副充当了机械腿的关节。该机械腿结构是根据昆虫的腿进行仿生设计，与机体1最近的部位是机械腿安装架11，也是机械腿与机体的连接处。然后是机械腿关节连接件13、股骨关节连接件16以及胫部关节连接架15，最后是足尖14，机械腿的每一个关节都由舵机驱动。在机器人处于轮式运动模式时，六条机械腿离地收紧，当机器人处于“腿”运动模式时，六足支撑起机器人步行。机器人的足尖14是重要的传感零件，其中有压力传感器，通过力的反馈，机器人可以调整步态和位姿达到适应地形保持平衡的效果。计算机云台17具有三个自由度，主要由连接件和舵机构成，其上安有照明灯23，可以保证夜间或阴暗处机器人的图像采集。此外，云台上还可以搭载图像采集系统，其具有的陀螺仪可以保证图像采集的稳定性。云台上还具备无线传输系统，可以远程接收信号。机器人的电力由锂电池供应，安装在上层板支架7上的电力平台上还安装有总电压表38、总开关40、轮腿复合运动系统各开关和轮腿复合运动系统各继电器装置等电子器件。

优选的，所述的上层板支架7或下层板支架20包括主体部、自主体部侧壁朝外延伸形成的延伸部和自主体部顶端设置有连接部，延伸部为板状体，每个延伸部上设置容置方孔和圆孔，且容置方孔位于圆孔的上方，容置方孔和圆孔用于组装机械爪用插孔，连接部上设置多个圆孔，圆孔中穿置螺栓后和机械臂3连接组装为一体。

优选的，所述的机械爪4包括机械爪舵机37、主动摇杆34、从动摇杆35和弯曲件36，弯曲件的连接端设置可插接的圆孔，机械爪舵机37固定安装在容置方孔中，主动摇杆34的一端安装在机械爪舵机37的转轴上，主动摇杆的另一端和弯曲件36的连接端通过转轴连接，从动摇杆35的一端通过转轴连接，从动摇杆的另一端和弯曲件的连接端通过转轴连接。每个机械爪的自由端能够独立朝支架的中心线靠近或远离，多个机械爪的自由端朝支架的中心线靠近相互协作完成抓取球状或不规则物体，从而提高了抓取的成功率。

优选的，为了恰好抓紧物体而不至于损坏物体的外表面或结构，弯曲件36内侧设置凹槽，在凹槽内安装压力传感器，该压力传感器和舵机电信号连接，压力传感器和对应电信号连接的舵机安装在同一个机械爪上。

优选的，上述机械爪还包括保护壳32，保护壳32安装在支架的延伸部上，机械爪舵机、主动摇杆和从动摇杆连接在延伸部的端部收容在保护壳32中。

优选的，上述能够灵活抓取球状或不规则物体的多功能机械爪还包括转动机构33，转动机构33与胫部关节连接件15相连接，转动机构33能够使胫部关节连接件15绕着转动机构33的转轴转动。

如图7所示，本发明的主要电器元件包括总电压表38、总继电器39、总开关40、总稳压电源41，总继电器39通过总开关40与总稳压电源41连通，总电压表38与总开关呈并联连接关系。总继电器39和总稳压电源41分别与控制器电源42、计算机云台电源43、云台与远程控制系统44、主控制板45、控制器开关46、控制器继电器47、电机控制器48、机械腿系统电源49、机械腿系统电源继电器50、万向轮控制器51、舵机控制器52、机械腿系统电源电压表53、机械腿控制器54相连通，形成电气回路。其中，主控制板45、万向轮控制器51和舵机控制器52呈并联连接关系。