[发明专利]一种弹性足与轮式运动机构结合的复合变形移动机器人

说明书

技术领域

本发明涉及机器人的技术领域，具体地说是一种弹性足与轮式运动机构结合的复合变形移动机器人。

背景技术

目前，陆地机器人的行进机构主要包括轮式，履带式和腿式，考虑到地面行进机构的移动速度，适应地型的能力等特性，轮式，履带式和腿式机构的推进速度与移动效率依次降低，而复杂地形环境下的机动性与适应能力依次升高。为了适应多种复杂地形环境，提高机器人的推进效率、机动性和越障能力，复合多种移动机构的机器人是近年来机器人技术发展的一个重要趋势。其中，适应多种复杂环境的足式机器人以及在平坦地面上具有高效自主移动能力的轮式机器人一直是移动机器人研究领域的核心和热点课题。

经过半个多世纪的迅猛发展，轮式移动机器人和足式机器人都已走出实验室，在工厂、医院、家庭、保安、救援等许多场合获得广泛应用，并且已成功在月球和火星上服役，帮助人类进行科学探索。因此，如能将轮式机器人平地行进的快速通过性优势与足式机器人适应复杂环境的机动性与灵活性优势集于一体，发展一种足-轮复合移动机构机器人，则将极大地拓展其适应范围，有望广泛应用于复杂山地环境和城市地型中承担运输，侦查、监测、防暴等多种任务，并且可以发展成为助残和未来交通工具等。但是，足-轮复合变形移动机器人对复合变形移动机械结构设计与复合变形移动控制策略等方面都提出了更高的技术要求。

目前，国内外关于足式机构与轮式机构如何有机结合的研究仍处于初步探索阶段，主要可分为两种思路。一种是将驱动轮安装于足式机构的足端底部和旋转关节处。譬如，哈尔滨工业大学提出的一种足-轮式结合四足机器人，法国巴黎第六大学设计的Hylos机器人皆是将轮子驱动机构安装在足式机构的足底。这种设计方案在机器人承载负载行进过程中，机器人能量消耗大，降低了机器人的轮式移动速度和机器人的稳定性等性能。另一种是通过一种特殊设计的兼具轮式功能的弹性腿部机构来实现。例如，台湾国立大学设计的Quattroped机器人为一种可转换为全轮或者半轮结构的转换装置，斯坦福大学设计的IMPASS机器人为一种无框式辐条轮机构。足与轮的功能实现统一地存在于一种强度比较薄弱的独立机械结构中，机器人的负载能力大大降低。总体上说，这两种设计概念使得轮、足两者的功能进行了折中。本发明提供了一种足-轮复合变形移动机器人负载能力强，在不规则的地形环境中单独地采用足式行进模式高效的通过，在平坦地面上仅仅采用四轮滚动模式，大大提高了机器人的移动性和稳定性，并且控制难度低。在复杂的地形环境中采用足-轮复合行进模式，提高机器人爬坡越障能力等性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种弹性足与轮式运动机构结合的复合变形移动机器人，该复合移动机器人用弹性足代替传统的刚性足，增加机器人的运动稳定性，减少机器人的震动性与冲击力，并与轮式移动方式复合，既能保证在平地上有轮式行进的快速移动性与高效率，又兼顾复杂山地环境、城市地型等复杂地形下，足式行进、匍匐爬行以及攀爬移动的优良机动性与强大越障功能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种弹性足与轮式运动机构结合的复合变形移动机器人，包括足-轮复合移动变形机器人的空间机体框架单元、主动轮驱动单元、从动轮随动单元、四条模块化腿单元、控制传感系统单元、密封壳体以及电源。

所述的空间机体框架单元为一个空间结构的框架组织，具有很强的抗弯、抗扭和负载能力。空间机体框架单元内部主要载有控制系统单元、电源、PC机、传感器单元、密封壳体、负载。外部主要悬挂着主动轮驱动单元，从动轮随动单元和四条模块化腿单元。主动轮驱动单元和从动轮随动单元分别安装于空间机体框架单元左右两侧以及前后两侧，并且轮式驱动系统呈菱形结构固定安装于空间机体框架单元底部。四条模块化腿单元安装于机体空间框架单元两端向上翘起的四个固定支架上。

所述的足-轮复合变形移动机器人的主动轮驱动单元，机器人左右主动轮驱动单元均采用配有编码器的伺服直流电机驱动，由一级正齿轮级、齿轮主轴和车轮安装盘将力矩传递给主动轮，产生旋转运动。主动轮采用普通轮胎模型，轮式驱动系统通过驱动块底部与机体空间框架单元螺栓联接。

所述的足-轮复合变形移动机器人的从动轮随动单元，由机器人前后两对万向轮组件组成，无驱动电机。安装于空间机体框架单元底部下。与主动轮驱动系统构成菱形配置形状。