一种可滑行的四足机器人

1.本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种可滑行的四足机器人。


背景技术：

2.四足机器人由于其和地面是离散接触，所以通过运动规划和反馈控制可以实现机器人在粗糙地形上的平稳运动，具有很强的地形适应性。但是相比于轮式运动，腿式运动的运动效率较低，尤其是在沿斜坡向下运动的情况。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可滑行的四足机器人，解决了背景技术中所提到的问题。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
5.一种可滑行的四足机器人，包括前机体、后机体以及分布在前机体和后机体两侧的四条腿，其特征在于，所述前机体和所述后机体通过腰关节转动连接，单条腿包括盆骨、大腿、小腿、第一随动轮、第二随动轮和足端，所述盆骨的上端与所述前机体和所述后机体之间转动连接，连接处为横滚髋关节，所述大腿的上端与所述盆骨的下端之间转动连接，连接处为俯仰髋关节，所述小腿的上端与所述大腿的下端之间转动连接，连接处为膝关节，所述小腿的上端的侧面转动设置有所述第一随动轮，所述小腿的下端的侧面转动设置有所述第二随动轮，所述小腿下端的末端固定设置有所述足端。
6.进一步地，机器人处于滑行模式下的姿态，机器人后腿的所述小腿和地面平行，后腿的所述小腿上的所述第一随动轮和所述第二随动轮和地面接触，机器人的重心在垂直方向上的投影落在所述第一随动轮和所述第二随动轮之间。
7.进一步地，机器人在平地上由腿模式切换为滑行模式的过程以及在平地上的滑行步态，相反的转换过程执行相反的步骤；机器人在平地上处于腿模式时切换为滑行模式的过程，机器人处于腿模式时两条腿处于靠前位置，两条腿处于靠后位置，驱动靠前的两条腿的所述俯仰髋关节绕方向12转动，驱动靠后的两条腿的所述俯仰髋关节绕方向13转动，直至机器人的四条腿处于相同的姿态，且机器人的重心g在垂直方向上的投影位于四条腿的所述足端构成的支撑区域内，驱动四条腿的所述俯仰髋关节绕方向12转动，同时驱动四条腿的所述膝关节绕方向17转动，降低所述前机体和所述后机体距离地面的距离，驱动四条腿的所述膝关节绕方向17继续转动，直至四条腿的所述小腿和地面平行，所述小腿上的所述第一随动轮和所述第二随动轮和地面接触，驱动四条腿的所述俯仰髋关节绕方向13转动，驱动所述膝关节绕方向16转动，直至机器人处于滑行模式；机器人在平地上处于滑行模式时的滑行步态，机器人后腿所述横滚髋关节、后腿所述俯仰髋关节、后腿所述膝关节、所述腰关节和前腿所述横滚髋关节保持不动，前腿不断进行向后划动和向前摆动的动作，向后划动过程中，驱动所述俯仰髋关节绕方向12转动，驱动所述膝关节先绕方向17后绕方向16转动，同时保持所述足端和地面接触，且后腿上的所述第一随动轮和所述第二随动轮与
地面保持接触，前腿向后划动过程中所述足端的运动速度要高于机器人当前的运动速度，随着前腿的向后划动，机器人通过所述第一随动轮和所述第二随动轮加速向前滑行，向前摆动过程中，驱动所述俯仰髋关节先绕方向12后绕方向13转动，驱动所述膝关节先绕方向17后绕方向16转动，使所述足端在和地面不接触的情况下向前摆动。
8.进一步地，机器人在斜坡上由腿模式切换为滑行模式的过程以及在斜坡上的滑行步态，相反的转换过程执行相反的步骤；机器人在斜坡上处于腿模式时切换为滑行模式的过程，机器人处于腿模式时两条腿处于靠前位置，两条腿处于靠后位置，驱动靠前的两条腿的所述俯仰髋关节绕方向12转动，驱动靠后的两条腿的所述俯仰髋关节绕方向13转动，直至机器人的四条腿处于相同的姿态，且机器人的重心g在垂直方向上的投影位于四条腿的所述足端构成的支撑区域内，驱动四条腿的所述俯仰髋关节绕方向12转动，同时驱动四条腿的所述膝关节绕方向17转动，降低所述前机体和所述后机体与地面之间的距离，驱动四条腿的所述膝关节绕方向17继续转动，直至四条腿的所述小腿和地面平行，所述小腿上的所述第一随动轮和所述第二随动轮和地面接触，驱动四条腿的所述俯仰髋关节绕方向13转动，驱动所述膝关节15绕方向16转动，直至机器人处于滑行模式；机器人在斜坡上处于滑行模式时的滑行步态，机器人后腿所述横滚髋关节、所述后腿俯仰髋关节、所述后腿膝关节、所述腰关节和前腿所述横滚髋关节保持不动，前腿不断进行向后划动和向前摆动的动作，向后划动过程中，驱动所述俯仰髋关节绕方向12转动，驱动所述膝关节绕方向17转动，同时保持所述足端和地面接触，且后腿上的所述第一随动轮和所述第二随动轮与地面保持接触，前腿向后划动过程中所述足端的运动速度要高于机器人当前的运动速度，随着前腿的向后划动，机器人通过所述第一随动轮和所述第二随动轮加速向前滑行，向前摆动过程中，驱动所述俯仰髋关节先绕方向12后绕方向13转动，驱动所述膝关节先绕方向17后绕方向16转动，使所述足端在和地面不接触的情况下向前摆动。
9.进一步地，机器人在斜坡上由滑行模式切换为轮模式的过程，相反的转换过程执行相反的步骤，机器人处于滑行模式时，后腿支撑所述前机体和所述后机体，前腿做前后往复运动，驱动前腿所述俯仰髋关节绕方向13转动，驱动所述膝关节绕方向16或17转动，使前腿所述膝关节和后腿所述膝关节角度相同，且前腿的所述小腿与所述前机体和所述后机体平行，驱动后腿的所述俯仰髋关节绕方向13转动，使后腿的所述小腿与所述前机体和所述后机体平行，此时四条腿的所述第一随动轮和所述第二随动轮同时与地面保持接触，驱动四条腿的所述俯仰髋关节绕方向12转动，驱动四条腿的所述膝关节绕方向17转动，直至机器人处于轮模式。
10.进一步地，机器人处于滑行步态时的转向，向右转向时，后腿的所述横滚髋关节绕方向8转动一定角度，在此过程中调整后腿的所述俯仰髋关节和所述膝关节，使后腿所述第一随动轮和所述第二随动轮与地面保持接触，所述腰关节转动使所述前机体相对于所述后机体绕方向5转动，以向后腿所述第一随动轮和所述第二随动轮构成的支撑区域的中心位置调整机器人重心位置，左前腿相对于右前腿以更大的幅度做往复运动，且向后摆动过程中保持所述足端和后腿所述第一随动轮、所述第二随动轮与地面的接触；向左转向时，后腿的所述横滚髋关节绕方向9转动一定角度，在此过程中调整后腿的所述俯仰髋关节和所述膝关节，使后腿所述第一随动轮和所述第二随动轮与地面保持接触，所述腰关节转动使所述前机体相对于所述后机体绕方向4转动，以向后腿所述第一随动轮和所述第二随动轮构
成的支撑区域的中心位置调整机器人重心位置，右前腿相对于左前腿以更大的幅度做往复运动，且向后摆动过程中保持所述足端和后腿所述第一随动轮、所述第二随动轮与地面的接触。
11.进一步地，机器人处于轮式运动时的转向，向右转向时，所述腰关节转动使所述前机体相对于所述后机体绕方向5转动，向左转向时，所述腰关节转动使所述前机体相对于所述后机体绕方向4转动。
12.进一步地，机器人在斜坡上处于滑行模式时的刹停，驱动前腿所述俯仰髋关节绕方向12转动，驱动所述膝关节绕方向17转动，使所述足端脱离地面向后运动，将所述足端运动至机器人后端，驱动前腿所述俯仰髋关节绕方向13转动，驱动所述膝关节绕方向16转动，使所述足端与地面接触，从而利用所述足端和地面的摩擦刹停。
13.进一步地，机器人在斜坡上处于轮式运动时的刹停，驱动四条腿的所述俯仰髋关节绕方向12转动，使所述足端和地面接触，从而利用所述足端和地面的摩擦刹停。
14.本发明的有益效果：
15.本发明通过在四足机器人中引入随动轮，可以在不影响机器人腿式运动的情况下，实现机器人的滑行步态，提高机器人在平整地面，尤其是斜坡向下运动中的运动效率。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本发明的可滑行的四足机器人腿模式的立体图；
18.图2是本发明的可滑行的四足机器人腿模式的正视图；
19.图3是本发明的可滑行的四足机器人腿模式的右视图；
20.图4是本发明的可滑行的四足机器人腿模式的俯视图；
21.图5是本发明的可滑行的四足机器人滑行模式的立体图；
22.图6是本发明的可滑行的四足机器人在平地上由腿模式切换为滑行模式的示意图；
23.图7是本发明的可滑行的四足机器人在平地上滑行步态的示意图；
24.图8是本发明的可滑行的四足机器人在斜坡上由腿模式切换为滑行模式的示意图；
25.图9是本发明的可滑行的四足机器人在斜坡上滑行步态的示意图；
26.图10是本发明的可滑行的四足机器人在斜坡上由滑行模式切换为轮模式的示意图；
27.图11是本发明的可滑行的四足机器人滑行步态向右转向的立体示意图；
28.图12是本发明的可滑行的四足机器人滑行步态向右转向的正视示意图；
29.图13是本发明的可滑行的四足机器人滑行步态向右转向的右视示意图；
30.图14是本发明的可滑行的四足机器人滑行步态向右转向的俯视示意图；
31.图15是本发明的可滑行的四足机器人轮式向右转向的示意图；
32.图16是本发明的可滑行的四足机器人在斜坡上滑行时的刹停方法示意图；
33.图17是本发明的可滑行的四足机器人在斜坡上轮式运动时的刹停方法示意图。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
36.本发明提供的一种实施例。
37.如图1-4所示，图1是本发明的可滑行的四足机器人腿模式的立体图，图2是本发明的可滑行的四足机器人腿模式的正视图，图3是本发明的可滑行的四足机器人腿模式的右视图，图4是本发明的可滑行的四足机器人腿模式的俯视图。一种可滑行的四足机器人包括前机体1、后机体2和分布在前机体1和后机体2两侧的四条腿。前机体1和后机体2通过腰关节3转动连接，前机体1可以相对于后机体2在偏航方向4和5上旋转。四条腿采用相同的机构，单条腿包括盆骨6、大腿10、小腿14、第一随动轮18、第二随动轮19和足端20，盆骨6上端安装在前机体1或后机体2上，由动力机驱动，可以在横滚方向8和9上旋转，形成横滚髋关节7，大腿10上端安装在盆骨6下端，由动力机驱动，可以在俯仰方向12和13上旋转，形成俯仰髋关节11，小腿14的上端安装在大腿10的下端，由动力机驱动，可以在俯仰方向16和17上旋转，形成膝关节15，第一随动轮18安装在小腿14的上端，第二随动轮19安装在小腿14的下端，足端20固定安装在小腿14的末端。四足机器人中引入随动轮，可以在不影响机器人腿式运动的情况下，实现机器人的滑行步态，提高机器人在平整地面，尤其是斜坡向下运动中的运动效率。
38.如图5所示，图5是本发明的可滑行的四足机器人滑行模式的立体图。在滑行模式下，机器人后腿的小腿14和地面平行，小腿14上的第一随动轮18和第二随动轮19和地面接触，机器人的重心在垂直方向上的投影落在第一随动轮18和第二随动轮19之间，机器人的后腿用于支撑机器人，并提供运动机构，即第一随动轮18和第二随动轮19，机器人的前腿用于推动机器人加速向前运动。
39.如图6所示，图6是本发明的可滑行的四足机器人在平地上由腿模式切换为滑行模式的示意图。机器人处于腿模式时两条腿处于靠前位置，两条腿处于靠后位置，如图6(a)所示，驱动靠前的两条腿的俯仰髋关节11绕方向12转动，驱动靠后的两条腿的俯仰髋关节11绕方向13转动，直至机器人的四条腿处于相同的姿态，且机器人的重心g在垂直方向上的投影位于四条腿的足端20构成的支撑区域内，如图6(b)所示，驱动四条腿的俯仰髋关节11绕方向12转动，同时驱动四条腿的膝关节15绕方向17转动，降低前机体1和后机体2与地面之间的距离，在此过程中前机体1和后机体2平行于地面，且机器人的重心g在垂直方向上的投影位于四条腿的足端20构成的支撑区域内，如图6(c)所示，驱动四条腿的膝关节15绕方向17继续转动，直至四条腿的小腿14和地面平行，小腿14上的第一随动轮18和第二随动轮19
和地面接触，如图6(d)所示，驱动四条腿的俯仰髋关节11绕方向13转动，驱动膝关节15绕方向16转动，如图6(e)所示，直至机器人处于如图5所示的滑行模式，如图6(f)所示。
40.如图7所示，图7是本发明的可滑行的四足机器人在平地上滑行步态的示意图。机器人后腿支撑前机体1和后机体2，且后腿横滚髋关节7、后腿俯仰髋关节11、后腿膝关节15、腰关节3和前腿横滚髋关节7保持不动，前腿不断进行向后划动(如图7(a)-(c))和向前摆动(如图7(d)-(f))的动作。向后划动过程中，驱动俯仰髋关节11绕方向12转动，驱动膝关节15先绕方向17后绕方向16转动，同时保持足端20和地面接触，且后腿上的第一随动轮18和第二随动轮19与地面保持接触，前腿向后划动过程中足端20的运动速度要高于机器人当前的运动速度，随着前腿的向后划动，机器人通过第一随动轮18和第二随动轮19加速向前滑行。向前摆动过程中，驱动俯仰髋关节11先绕方向12后绕方向13转动，驱动膝关节15先绕方向17后绕方向16转动，使足端20在和地面不接触的情况下向前摆动。
41.如图8所示，图8是本发明的可滑行的四足机器人在斜坡上由腿模式切换为滑行模式的示意图。机器人处于腿模式时两条腿处于靠前位置，两条腿处于靠后位置，如图8(a)所示，驱动靠前的两条腿的俯仰髋关节11绕方向12转动，驱动靠后的两条腿的俯仰髋关节11绕方向13转动，直至机器人的四条腿处于相同的姿态，且机器人的重心g在垂直方向上的投影位于四条腿的足端20构成的支撑区域内，如图8(b)所示，驱动四条腿的俯仰髋关节11绕方向12转动，同时驱动四条腿的膝关节15绕方向17转动，降低前机体1和后机体2距离地面的距离，在此过程中前机体1和后机体2平行于地面，且机器人的重心g在垂直方向上的投影位于四条腿的足端20构成的支撑区域内，直至四条腿的小腿14和地面平行，小腿14上的第一随动轮18和第二随动轮19和地面接触，如图8(c)所示，驱动四条腿的俯仰髋关节11绕方向13转动，驱动膝关节15绕方向16转动，直至机器人处于如图5所示的滑行模式，如图8(d)所示。
42.如图9所示，图9是本发明的可滑行的四足机器人在斜坡上滑行步态的示意图。机器人后腿支撑前机体1和后机体2，且后腿横滚髋关节7、后腿俯仰髋关节11、后腿膝关节15、腰关节3和前腿横滚髋关节7保持不动，前腿不断进行向后划动(如图7(a)-(b))和向前摆动(如图7(b)-(d))的动作。向后划动过程中，驱动俯仰髋关节11绕方向12转动，驱动膝关节15绕方向17转动，同时保持足端20和地面接触，且后腿上的第一随动轮18和第二随动轮19与地面保持接触，前腿向后划动过程中足端20的运动速度要高于机器人当前的运动速度，随着前腿的向后划动，机器人通过第一随动轮18和第二随动轮19加速向前滑行。向前摆动过程中，驱动俯仰髋关节11先绕方向12后绕方向13转动，驱动膝关节15先绕方向17后绕方向16转动，使足端20在和地面不接触的情况下向前摆动。
43.如图10所示，图10是本发明的可滑行的四足机器人在斜坡上由滑行模式切换为轮模式的示意图。机器人处于滑行模式时，后腿支撑前机体1和后机体2，前腿做前后往复运动，如图10(a)所示，驱动前腿俯仰髋关节11绕方向13转动，驱动膝关节15绕方向16或17转动，使前腿膝关节15和后腿膝关节15角度相同，且前腿的小腿14与前机体1和后机体2平行，如图10(b)所示，驱动后腿的俯仰髋关节11绕方向13转动，使后腿的小腿14与前机体1和后机体2平行，如图10(c)所示，此时四条腿的第一随动轮18和第二随动轮19同时与地面保持接触，驱动四条腿的俯仰髋关节11绕方向12转动，驱动四条腿的膝关节15绕方向17转动，降低机器人重心的同时，使机器人重心前移，如图10(d)所示，降低风阻的同时，降低机器人发
生倾覆的风险。
44.如图11-14所示，图11是本发明的可滑行的四足机器人滑行步态向右转向的立体示意图，图12是本发明的可滑行的四足机器人滑行步态向右转向的正视示意图，图13是本发明的可滑行的四足机器人滑行步态向右转向的右视示意图，图14是本发明的可滑行的四足机器人滑行步态向右转向的俯视示意图。后腿的横滚髋关节7绕方向8转动一定角度，该角度和转向要求角速度有关，转向要求角速度越高，横滚髋关节7绕方向8转动角度越大，但是转动角度不能过大，以免机器人重心不稳，在此过程中调整后腿的俯仰髋关节11和膝关节15，使后腿第一随动轮18和第二随动轮19与地面保持接触。腰关节3转动使前机体1相对于后机体2绕方向5转动，以向后腿第一随动轮18和第二随动轮19构成的支撑区域的中心位置调整机器人重心位置。左前腿相对于右前腿以更大的幅度做往复运动，且向后摆动过程中保持足端20和后腿第一随动轮18、第二随动轮19与地面的接触。当进行向左转向时，后腿各关节和腰关节3进行相反的调整，且左前腿相对于右前腿以较小的幅度做往复运动。
45.如图15所示，图15是本发明的可滑行的四足机器人轮式向右转向的示意图。腰关节3转动使前机体1相对于后机体2绕方向5转动。当进行向左转向时，腰关节3转动使前机体1相对于后机体2绕相反方向转动。
46.如图16所示，图16是本发明的可滑行的四足机器人在斜坡上滑行时的刹停方法示意图。驱动前腿俯仰髋关节11绕方向12转动，驱动膝关节15绕方向17转动，如图16(a)所示，使足端20脱离地面向后运动至如图16(b)位置，驱动前腿俯仰髋关节11绕方向13转动，驱动膝关节15绕方向16转动，使足端20与地面接触，如图16(c)所示，从而利用足端20和地面的摩擦刹停，将足端20运动至机器人后端，可以防止机器人因为速度过快发生倾覆。
47.如图17所示，图17是本发明的可滑行的四足机器人在斜坡上轮式运动时的刹停方法示意图。驱动四条腿的俯仰髋关节11绕方向12转动，使足端20和地面接触，从而利用足端20和地面的摩擦刹停。
48.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
49.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。