一种轮式运动的人形机器人的制作方法

本发明涉及一种轮式运动的人形机器人，属于机器人领域。

背景技术：

目前，机器人已被广泛的研究，且机器人的运动方式是研究的主要内容。在机器人的应用领域，机器人的运动方式也是其实用性和适应性的重要影响因素。机器人采用单一的足式运动，无法满足快速运动的需求，而采用轮式运动则无法适应多变的地面状况。现有的轮腿结合机器人其关节使用直流电机或步进电机加上减速器等机构，增加了其结构的复杂程度，并且使得机器人的整体尺寸和重量较大，且小型化的难度较大。

随着机器人应用领域的拓展，越来越多的地方需要用到小型化的机器人，并且对于机器人的适应性和运动速度都有较高的要求。在一些人员无法进入的空间内，小型化的机器人具有很高的使用价值，但是对于机器人的运动速度、精度以及对于地形的适应性都有较高的要求。

技术实现要素：

本发明设计开发了一种轮式运动的人形机器人，通过舵机提供关节驱动力驱动机器人双腿收缩，并与驱动机构配合使机器人能够适应不同地形的变化。

本发明提供的技术方案为：

一种轮式运动的人形机器人，包括：

主连接件，其设置在所述机器人顶部；

起始舵机，其一端与所述主连接件底部固定连接；

起始活动件，其具有起始活动开口，所述起始舵机的另一端可转动的设置在所述起始活动开口内；

支撑件；

驱动电机，其与所述支撑件固定连接，且动力输出端连接所述机器人的驱动轮；

其中，所述支撑件与所述起始活动件可拆卸连接；或者

在所述起始活动件和所述支撑件之间设置多个可拆卸连接的活动连接部；

所述活动连接部包括：

活动舵机；

u型固定件，其具有u型固定开口，所述活动舵机的一端固定在所述u型固定开口内；

u型活动件，其具有u型活动开口，所述活动舵机的另一端可转动的设置在所述u型活动开口内；

其中，所述活动连接部的起始u型固定件与所述起始活动件可拆卸的连接，结束u型活动件与所述支撑件可拆卸的连接。

优选的是，所述活动部还包括：

第二舵机；

第二u型固定件，其具有u型固定开口，所述第二舵机的一端可转动的设置在所述u型固定开口内；

第二u型活动件，其具有u型活动开口，所述第二舵机的另一端可转动的设置在所述u型活动开口内；

第三舵机；

第三u型固定件，其具有u型固定开口，所述第三舵机的一端可转动的设置在所述u型固定开口内；

第三u型活动件，其具有u型活动开口，所述第三舵机的另一端可转动的设置在所述u型活动开口中；

其中，所述第二u型固定件和所述起始活动件可拆卸连接，所述第三u型固定件与所述第二u型活动件可拆卸连接，所述第三u型活动件与所述支撑件可拆卸连接。

优选的是，所述驱动电机的动力输出端通过齿轮减速器与所述驱动轮连接，用于驱动机器人腿部运动。

优选的是，所述支撑件包括

第一连接板，其与所述u型活动件可拆卸连接；

主支撑板，其垂直连接在所述第一连接板的一侧；

轮轴支撑板，其垂直连接在所述第一连接板的另一侧，与所述主支撑板平行设置；

旋转轴，其依次穿过所述轮轴支撑板和所述主支撑板，连接所述驱动轮。

优选的是，还包括固定连接板，用于固定连接所述主连接件和所述起始舵机。

优选的是，所述齿轮减速器包括：

主动齿轮，其连接所述驱动电机的动力输出端；

从动齿轮，其与所述驱动轮同轴设置在所述旋转轴上，且与所述主动齿轮啮合，用于驱动所述驱动轮转动。

优选的是，所述机器人还包括：控制面板，其上设置有两个控制区，用于对机器人的双腿分别控制。

优选的是，所述机器人的重心位置p0满足：p0＝∑pi*gi/g0；

机器人的重心偏角为θ，sin(θ)＝mxg/g0*l0；

其中，gi为机器人运动时各部分的重力，pi为机器人运动时各部分相对于轮轴的位置，g0为机器人的总重力，mxg为机器人整体所受的重力矩。

优选的是，所述机器人运动时腿部长度变化δh满足：

其中，为所述机器人一侧起始关节与第二关节的长度，为所述机器人一侧第二关节与第三关节的长度，为所述机器人另一侧起始关节与第二关节的长度，为所述机器人另一侧第二关节与第三关节的长度；为所述机器人一侧起始关节转角，为所述机器人一侧第二关节转角，为所述机器人一侧第三关节转角；为所述机器人另一侧起始关节转角，为所述机器人另一侧第二关节转角，为所述机器人另一侧第三关节转角。

优选的是，所述驱动轮的转速v满足：

为及机器人整体在水平方向运动的速度矢量，为驱动轮相对于机器人在水平方向运动的速度矢量，为机器人整体在竖直方向运动的速度矢量，为驱动轮相对于机器人在竖直方向运动的速度矢量。

本发明所述的有益效果：

1、通过使用舵机提供机器人的关节驱动力，响应速度快并且精度较高，可根据机器人状况进行关节位置的实时调整，能够对机器人双腿分别进行控制，控制结构简单。

2、机器人的主要运动使用脚部驱动轮进行驱动，并且脚部驱动轮由小型直流电机驱动，占用空间小且驱动简单。

3、机器人的驱动使用舵机和小型直流电机，控制响应速度快，运动精度较高，并且其机械结构简单，工作可靠。

附图说明

图1为本发明所述的轮式运动的人形机器人的结构示意图。

图2为本发明所述的髋关节组件示意图。

图3为本发明所述的膝关节组件及踝关节组件示意图。

图4为本发明所述的足部驱动轮示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-4所示，本发明提供一种轮式运动的人形机器人，包括：腿间主连接件100，腿间主连接件100上固定有两条机械腿，两条机械腿镜像对称设置。

对称设置的起始舵机一端固定连接在主连接件100的底部，起始活动件具有起始活动开口，起始舵机的另一端可转动的设置在起始活动开口内；支撑件；驱动电机，其与支撑件固定连接，且动力输出端连接机器人的驱动轮；其中，所述支撑件与起始活动件可拆卸连接；或者

在起始活动件和支撑件之间设置多个活动连接部；

活动连接部包括：活动舵机；

u型固定件，其具有u型固定开口，活动舵机的一端固定在所述u型固定开口内；u型活动件，其具有u型活动开口，活动舵机的另一端可转动的设置在所述u型活动开口内；其中，活动连接部的起始u型固定件与起始活动件可拆卸的连接，结束u型活动件与支撑件可拆卸的连接。

在另一实施例中，机械腿包括固定在腿间主连接件100上的髋关节固定连接板210，与髋关节固定连接板210连接的髋关节舵机220，髋关节舵机220的一端固定连接在主连接件100的底部，另一端通过第一舵盘240可转动的连接在髋关节活动件230的u型活开口中；膝关节固定件310与髋关节活动件230可拆卸连接，膝关节舵机320的一端固定在膝关节固定件310的u型固定开口中，另一端通过第二舵盘340可转动的连接在膝关节活动件330的u型活动开口中；踝关节固定件410与膝关节活动件330可拆卸连接，踝关节舵机420的一端固定连接在踝关节固定件410的u型固定开口中，另一端通过第三舵盘可转动的连接在膝关节活动件430的u型活动开口中。膝关节活动件430与支撑件可拆卸连接，支撑件与足部驱动轮510固定连接。

足部驱动机构500的结构如图4所示，包括足部驱动轮510、减速齿轮副520、主支撑板530、轮轴支撑板540、踝关节连接板550、直流电机560。

支撑件包括主支撑板530、轮轴支撑板540以及踝关节连接板550；主支撑板530垂直连接在踝关节连接板550的一侧；轮轴支撑板540垂直连接在踝关节连接板550的另一侧，并与主支撑板平行设置，旋转轴依次穿过轮轴支撑板540和主支撑板530，通过减速齿轮副520连接足部驱动轮510。

减速齿轮副520包括主动齿轮和与其啮合的从动齿轮，其中，主动齿轮连接在直流电机560的动力输出端，从动齿轮与足部驱动轮510同轴设置在旋转轴上，通过直流电机560驱动主动齿轮转动进而驱动足部驱动轮510进行转动。

机器人腿部髋关节组件内部具有驱动其进行旋转的髋关节舵机220，膝关节组件内部具有驱动其进行旋转的膝关节舵机320，踝关节组件内部具有驱动其进行旋转的踝关节舵机420，并且上述三个舵机所提供的自由度均为旋转自由度，且其旋转轴均平行于地面且垂直于机器人运动方向.

在机器人腿部关节运动时，各关节的运动方式为：

髋关节舵机220驱动第一舵盘240带动髋关节活动连接件230转动实现髋关节的运动；膝关节舵机320驱动第二舵盘340带动膝关节活动连接件330转动实现膝关节的运动，踝关节舵机420驱动第三舵盘带动踝关节活动连接件430转动实现踝关节的运动。

在机器人还设置有控制板，其上设置有两个控制区，每个控制区依次连接髋关节舵机220、膝关节舵机320、踝关节舵机420以及驱动电机560，实现对机器人双腿的分别控制。

机器人在前进或后退运动时，其运动的驱动力由脚部驱动机构500提供，由直流电机560驱动减速齿轮副520的主动齿轮带动与足部驱动轮轮子510连接的被动齿轮，完成足部驱动轮510的驱动。

本机器人在平整地形运动时由脚部驱动机构500提供前进的动力，在转弯时，可以通过使机器人内侧的腿收缩而使得机器人的重心向内侧偏移从而使得机器人能提高在转弯时的极限速度，获得较高的运动速度。

机器人的平衡控制是基于一阶倒立摆，传统的一阶倒立摆的重心是不变的，因为本机器人的重心位置因为腿部关节的运动会发生改变，所以机器人腿部关节运动的控制目的是控制机器人的重心位置。

对机器人进行受力分析，机器人整体所受的力分为四部分，1.重力g0，2.地面对轮的径向力fn，3.地面对轮子的切向合力fτ，4.空气阻力fw。在机器人处于平衡状态时，机器人的受力在数值上有如下关系g0＝fn，fτ＝fw，mxg＝mxf；其中，mxg为机器人所受的重力矩，mxf为机器人所受阻力的总力矩。

器人的重心位置p0满足：p0＝∑pi*gi/g0；

机器人的重心偏角为θ，sin(θ)＝mxg/g0*l0；

其中，gi为机器人运动时各部分的重力，pi为机器人运动时各部分相对于轮轴的位置，g0为机器人的总重力，mxg为机器人整体所受的重力矩

机器人腿部六个关节相对于竖直方向的转角和机器人运动时腿部长度变化δh满足：

其中，为机器人左侧髋关节与膝关节间的长度，为机器人膝关节与踝关节间的长度，为机器人右侧髋关节与膝关节间的长度，为机器人右侧膝关节与踝关节间的长度；为机器人左侧髋关节转角，为机器左侧膝关节转角，为机器人左侧踝关节转角；为机器人右侧髋关节转角，为机器人右侧膝关节转角，为机器人右侧踝关节转角。

在另一实施例中，并且因此，将δh算式进行简化，由于上式有两个未知量，故在实际控制时，将其中一个视为常量，然后计算另一个。即在侧倾调整时先对一侧进行伸长或收缩，在伸长或收缩到达极限时再进行另一侧的收缩或伸长。

在本机器人遇到不规则地形时，机器人的两腿可根据地形的不同采取相应的伸缩程度，以此来适应地形，并且的机器人的腿部进行伸缩之时，为了保证机器人能够继续进行直线运动，对于机器人的驱动轮速度控制由脚部驱动轮整体的运动速度及机器人相对于地面的速度共同决定。在脚部驱动轮整体运动时，将机器人整体运动的速度矢量加上部驱动轮整体运动的速度矢量相加所得的矢量的大小即为机器人的脚部驱动轮所需的速度。

在对轮子进行速度控制时，由于轮子的速度会受机器人腿部关节运动的影响，所以需要对两个驱动轮进行单独控制，机器人整体运动的速度矢量v1和驱动轮相对于机器人运动的速度矢量v2，驱动轮转动的速度等于所得矢量的模。实际控制时，将两个矢量进行正交分解，然后将两向量相加取模，即驱动轮的转速v满足：

其中，为机器人整体在水平方向运动的速度矢量，为驱动轮相对于机器人在水平方向运动的速度矢量，为机器人整体在竖直方向运动的速度矢量，为驱动轮相对于机器人在竖直方向运动的速度矢量。

本发明能够根据地面环境及运行状态自主进行腿部关节的调整，在平整地面上可以收缩双腿，提高机器人运动稳定性，转弯时将重心内移提高转弯极速；在不规则地面可以通过轮子与腿伸缩的配合来适应地形的变化；整个运动完全由机器人的控制板进行控制，不需要进行手动操作，具有机动性和适应性较好的优点，且该机器人结构简单，制造成本较低。具有广泛的应用前景。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。