自适应轮腿及其机器人与其运动方法与流程

自适应轮腿及其机器人与其运动方法
[0001]
技术领域
[0002]
本发明属于机器人应用技术领域，具体涉及一种自适应轮腿及其机器人与其运动方，主要应用于水陆栖机器人结构设计中。


背景技术：

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适应各种陆地环境、多栖活动的机器人是当今机器人研究领域的重点课题之一，它集机械、自动化、计算机、电子、人工智能等技术于一体，已成为衡量一个国家科技水平和综合国力的重要标志之一。
[0004]
机器人的移动机构主要分为轮式、腿式和履带式机构。轮式机构移动速度快、效率高，但越障能力差；腿式机构行动灵活，但行走效率低、重心不稳、控制复杂；履带式机构地形适应力强但效率低、面对高低落差较大的地形越障能力较差。如何将这几种运动形式机构的优点糅合集中，增强机器人的环境适应性和运动性能是研究热点。
[0005]
在可折展轮腿式机器人领域中，天津大学提出的一种被动适应的变换轮腿式移动机器人（宋天钰. 一种被动适应服役环境的变换轮腿式移动机器人[p]. 天津：cn107264665a,2017-10-20.），该机器人可以以轮式高速移动，以及在遇到障碍物时被动单向展开成腿式进行越障。北京林业大学的林区小型轮腿复合式移动越障机构（郑嫦娥,周琪涵,王伟龙,闫海龙,王佳丽,姜子豪. 林区小型轮腿复合式移动越障机构[p]. 北京：cn203439167u,2014-02-19.）为二自由度机构，可以通过电磁离合器控制轮系的闭合与打开，切换轮式与腿式形态。
[0006]
在轮腿桨一体化的两栖机器人研究领域中，一种轮腿桨一体的两栖机器人（杨静姝,胡旸海. 一种轮桨腿一体的两栖机器人及其控制方法[p]. 湖北：cn107225924a,2017-10-03.）使用二自由度的伞形轮腿桨机构，该机构通过记忆合金进行轮腿模式之间的切换控制，腿桨一体化可实现两栖机器人在水中运动，四个水舱控制机器人的上浮和下潜。中国地质大学（武汉）提出了一种自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化的机器人（袁曦明,袁一楠. 自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人[p]. 湖北省：cn110758033a,2020-02-07.），该机器人集成了轮足桨三种形态的移动机构，采用轮足结合的移动方式。
[0007]
当前，单自由度可折展轮腿式机器人的移动机构基本为单向展开、移动；多自由度的可折展轮腿式机构结构与控制繁琐，且轮腿形态切换速度慢。轮腿桨一体化两栖机器人的移动机构大部分为轮足式、结构简单，且在陆地行动效率低、不稳定。如何简化轮腿式机器人移动越障机构结构，如何提高轮腿式机器人的移动性能，如何兼顾轮腿桨一体化两栖机器人水中与陆地的移动性能，这些问题有待相关研究人员解决。


技术实现要素：

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本发明的目的在于提供一种自适应轮腿及其机器人与其运动方法，该机器人移动
越障机构汲取、综合轮、腿、桨的优点，具有越障、复杂陆地环境自适应、水中作业能力。可双向展开的可折展轮腿式移动机构使机器人具有更灵活的运动性能。
[0009]
本发明的机器人驱动模块包括一种自适应轮腿，安装于轮系主轴，其特征在于：沿轮系轴向由外向内依次包括外轮毂、驱动轮毂和内轮毂；上述驱动轮毂固定于轮系主轴；驱动轮毂的盘面均匀设置一圈驱动轴，驱动轴一共2n个，n为3-6，且按着外-内-外的方式交替设置于驱动轮毂外侧、内侧两侧，其中靠近外轮毂一侧的n个驱动轴称作外驱动轴，靠近内轮毂一侧的n个驱动轴称作内驱动轴；上述外轮毂通过外法兰轴承安装于轮系主轴上，外轮毂的盘面均匀设置一圈外轮毂弧形滑槽，外轮毂弧形滑槽一共n个；外轮毂弧形滑槽中心径向半径与驱动轮毂的驱动轴轴心径向半径相同；上述内轮毂通过内法兰轴承安装于轮系主轴，内轮毂的盘面均匀设置一圈内轮毂弧形滑槽，内轮毂弧形滑槽一共n个；内轮毂弧形滑槽中心径向半径与驱动轮毂的驱动轴轴心径向半径相同；上述外轮毂的外侧还安装有n个与驱动轮毂的外驱动轴一一对应的外轮腿弧形骨架；外轮腿弧形骨架的弧形外侧安装外轮胎；外轮腿弧形骨架设置有一条外轮腿直线滑槽，还在朝向外轮毂一侧设置有一个外轮腿中心轴，外轮腿中心轴穿过外轮毂和内轮毂的一组定位孔并通过垫圈实现两者轴向紧固；驱动轮毂的外驱动轴依次穿过对应的外轮毂弧形滑槽和外轮腿直线滑槽；上述内轮毂的内侧还安装有n个与驱动轮毂的内驱动轴一一对应的内轮腿弧形骨架；内轮腿弧形骨架的弧形外侧安装内轮胎；内轮腿弧形骨架设置有一条内轮腿直线滑槽，还在朝向内轮毂一侧设置有一个内轮腿中心轴，内轮腿中心轴穿过内轮毂和外轮毂的一组定位孔并通过垫圈实现轴向紧固；驱动轮毂的内驱动轴依次穿过对应的内轮毂弧形滑槽和内轮腿直线滑槽。
[0010]
本发明所述自适应轮腿的自适应性机器人，其特征在于：水陆两栖机器人包括底板、固定于底板中间位置的控制模块收纳盒和沿底板左右对称分布的4个结构相同的轮腿一体化驱动模块；每个轮腿一体化驱动模块由一个舵机和安装于舵机输出舵盘的自适应轮腿组成。
[0011]
本发明所述的自适应性机器人的运动方法，其特征在于包括以下过程：驱动轮毂外驱动轴在外轮毂弧形滑槽与内驱动轴在内轮毂弧形滑槽中的位置完全一致；当驱动轮毂驱动轴位于外轮毂弧形滑槽、内轮毂弧形滑槽弧顶时，n个内轮腿、n个外轮腿各形成一个完整的圆，此时驱动模块为轮式结构形态；当机器人遇到障碍物、爬坡或主动展开时，轮系主轴带动驱动轮毂转动，分别嵌套在内法兰轴承、外法兰轴承上的内轮毂、外轮毂因摩擦力相对地面静止，相对驱动轮毂转动形成相位差，驱动轮毂驱动轴在内轮毂弧形滑槽、外轮毂弧形滑槽、内轮腿直线滑槽、外轮腿直线滑槽中同方向滑动，并带动内轮腿弧形骨架、外轮腿弧形骨架相对内轮毂、外轮毂边缘凸台的定位孔中心转动；当驱动轮毂驱动轴到达内轮毂弧形滑槽、外轮毂弧形滑槽端点时带动内轮毂、外轮毂以相同速度转动。此时机器人驱动模块从轮式结构变形到腿式结构过程结束；当驱动模块从腿式结构恢复为轮式结构时，驱动轮毂以相反于展开成腿式结构的旋转
方向转动，驱动轮毂驱动轴回到外轮毂弧形滑槽、内轮毂弧形滑槽弧顶即可完成该变形过程；外轮毂弧形滑槽、内轮毂弧形滑槽为对称设计，因此驱动模块可进行反向展开从而达到双向展开目的。
[0012]
所述的轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人运动方法，其特征在于包括以下过程：机器人的4个轮腿桨一体化驱动模块由4个独立防水舵机驱动控制，通过4个驱动模块分别以不同的速度运动以实现前进、后退、转向；机器人底盘与控制模块收纳盒相对驱动模块轮系轴心中心对称设计，翻转后仍能正常运动。
[0013]
当机器人爬坡或遇到障碍物时，轮式驱动模块的外轮毂、内轮毂因内、外轮腿与坡面、障碍物之间的静摩擦力相对坡面或障碍物静止，轮系主轴带动驱动轮毂继续相对内、外轮毂转动从而使内、外轮腿展开，驱动模块变形为腿式结构，继而完成机器人的被动展开越障过程。
[0014]
当沟壑环境中的机器人遇到障碍物时，还可主动展开通过障碍物，其特征在于包括以下过程：机器人通过传感器反馈，经过算法处理识别机器人前方障碍物后，后轮停止转动，前轮向障碍物方向继续转动，后轮由于舵机静力矩处于静止状态，前轮因轮腿与地面之间的摩擦力展开成腿式结构，从而机器人驱动模块轮式变形为腿式过程完成；之后机器人以前轮腿式、后轮轮式状态进行越障，越障后前轮恢复为轮式继续前进；该驱动轮系可双向展开，因此机器人也可反方向越过相反一侧的障碍物；当有桨叶时，机器人可在水中运作，其特征在于包括以下过程：驱动模块运转时依靠桨叶划动流体产生的阻力使轮腿展开并增大桨叶的抱水体积，最终机器人通过四个展开成腿式的驱动模块进行驱动。
[0015]
所述的机器人驱动模块核心机构为摆动导杆机构，轮系主轴、驱动轮毂、内轮毂、内轮腿组成单自由度的摆动导杆机构；轮系主轴、驱动轮毂、外轮毂、外轮腿组成单自由度的摆动导杆机构。因此根据摆动导杆机构特性，该驱动模块从轮式到腿式的变形过程中传动效率高且易变形。
[0016]
所述的自适应轮腿，其特征在于：上述n为3。
[0017]
所述的自适应轮腿，其特征在于：所述外轮腿中心轴穿过的外轮毂和内轮毂的定位孔，内轮腿中心轴穿过的内轮毂和外轮毂的定位孔，所述定位孔位于内轮毂和外轮毂边缘凸台上。
[0018]
所述的自适应轮腿，其特征在于：上述外轮腿弧形骨架弧形内侧安装桨叶。
[0019]
本发明与现有技术相比有如下优点：1、本发明驱动模块能在低自由度（单自由度）条件下做到主动展开，控制简单。
[0020]
2、本发明克服了具有单自由度驱动模块的轮腿式机器人单向折展问题，可双向折展、无需掉头即可越障，满足在沟壑等狭窄环境中的越障需求。
[0021]
3、本发明相较于一般轮腿桨一体化水陆两栖机器人在陆地环境有更强的适应性和运动性能。
[0022]
4、本发明汲取、综合了轮、腿、桨的优点，使得该两栖机器人可实现翻转、爬楼梯、水中作业等复杂特殊功能。
[0023]
附图说明
[0024]
图1是本发明所述的轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人的立体视图；图2是本发明所述的轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人的爆炸图；图3是本发明所述的轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人控制模块的爆炸视图；图4是本发明所述的轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人驱动模块的外轮腿立体视图；图5是本发明所述的轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人驱动模块的外轮腿爆炸视图；图6是本发明所述的轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人驱动模块的外轮毂爆炸视图；图7是本发明所述的轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人驱动模块的驱动轮毂爆炸视图；图8是本发明所述的轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人驱动模块的内轮毂爆炸视图；图9是本发明所述的轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人驱动模块的舵机装配爆炸视图；图10是本发明所述的轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人驱动模块的轴系装配剖视图；图11是本发明所述的轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人驱动模块正向展开状态下的立体视图；图12是本发明所述的轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人驱动模块反向展开状态下的正视图；图13是本发明所述的轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人主动展开及越障工作状态示意图；图14是本发明所述的轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人水中作业示意图；图15是本发明所述的轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人在沟壑工况下的立体视图；图16是本发明所述的轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人在攀爬越障下的立体视图；图17是本发明所述的轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人在攀爬越障下的侧面视图；图1-17中标号名称：a、一号轮；b、二号轮；c、三号轮；d、四号轮；e、控制模块收纳盒；f、底板；1、上板；2、橡胶密封圈；3、下板；4、降压模块；5、stm32驱动板；6、无线串口模块；7、电池；8、轴端端盖；9、端盖紧定螺钉；10、外轮腿；11、外轮胎；12、外轮腿弧形骨架；13、外轮腿直线滑槽；14、桨叶；15、外轮腿中心轴；16、外法兰轴承；17、外轮毂；18、外轮毂弧形滑槽；19、内轮腿平垫圈；20、内轮腿硅胶垫圈；21、驱动轮毂；22、外驱动轴；23、内驱动轴；24、内轮
毂；25、内轮毂弧形滑槽；26、内轮胎；27、内轮腿弧形骨架；28、内轮腿直线滑槽；29、内轮腿中心轴；30、外轮腿平垫圈；31、外轮腿硅胶垫圈；32、内法兰轴承；33、轮系主轴；34、舵机；35、舵机支架；36、舵机连接架；37、轮毂紧定螺钉。
[0025]
具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明：结合图1-17，本实施例为轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人及其运动方法，包括一号轮a、二号轮b、三号轮c、四号轮d、控制模块收纳盒e、底板f、上板1、橡胶密封圈2、下板3、降压模块4、stm32驱动板5、无线串口模块6、电池7、轴端端盖8、端盖紧定螺钉9、外轮腿10、外轮胎11、外轮腿弧形骨架12、外轮腿直线滑槽13、桨叶14、外轮腿中心轴15、外法兰轴承16、外轮毂17、外轮毂弧形滑槽18、内轮腿平垫圈19、内轮腿硅胶垫圈20、驱动轮毂21、外驱动轴22、内驱动轴23、内轮毂24、内轮毂弧形滑槽25、内轮胎26、内轮腿弧形骨架27、内轮腿直线滑槽28、内轮腿中心轴29、外轮腿平垫圈30、外轮腿硅胶垫圈31、内法兰轴承32、轮系主轴33、舵机34、舵机支架35、舵机连接架36、轮毂紧定螺钉37。
[0026]
结合图1-2，本实施例为轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人及其运动方法，包括底板f、固定于底板中间位置的控制模块收纳盒e和沿底板左右对称分布的4个结构相同的轮腿桨一体化驱动模块：一号轮a、二号轮b、三号轮c、四号轮d。
[0027]
结合图3，本实施例为轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人控制模块收纳盒，其特征在于该收纳盒的上板1与下板3通过螺栓连接紧固，橡胶密封圈2嵌在上板1与下板2边缘的沟槽内。降压模块4、stm32驱动板5、无线串口模块6、电池7收纳于盒中。
[0028]
结合图4-10，本实施例为轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人驱动模块，每个轮腿桨一体化驱动模块由一个舵机34和安装于舵机输出舵盘的轮系组成。4个轮腿桨一体化驱动模块结构相同，以一号轮a为例，其中包括：图4为脱离轴系的轴端端盖8、端盖紧定螺钉9以及三个结构相同的外轮腿的立体视图。图5为本发明驱动模块外轮腿的爆炸视图，以外轮腿10为例：外轮胎11通过自粘胶黏附于外轮腿弧形骨架12外侧，外轮腿弧形骨架12上有外轮腿直线滑槽13，桨叶14通过螺栓连接在外轮腿弧形骨架12内侧。结合图4与图10剖视图a-a进行说明：轴端端盖8通过端盖紧定螺钉9做轴向与径向定位。
[0029]
外轮腿中心轴15穿过外轮毂17、内轮毂24，通过嵌在内轮毂24中的外轮腿平垫圈30、嵌在外轮腿中心轴15末端槽内的外轮腿硅胶垫圈31进行轴向紧固。
[0030]
图6为本发明驱动模块外轮毂17脱离轴系的爆炸视图，其中包括：外法兰轴承16、外轮毂17、内轮腿平垫圈19、内轮腿硅胶垫圈20。结合图6与图10剖视图a-a进行说明：外轮毂17有间隔均匀的外轮毂弧形滑槽18，滑槽中心径向半径与驱动轮毂21驱动轴轴心径向半径相同。外轮毂17嵌套在外法兰轴承16上，外法兰轴承16通过驱动轮毂21与轴端端盖8定位；外轮腿中心轴15穿过外轮毂17凸台定位孔形成径向定位，中心轴端略超出内轮毂24，外轮腿平垫圈30嵌套在外轮腿中心轴15上与内轮毂24圆槽内，外轮腿硅胶垫圈31嵌在外轮腿中心轴15轴端凹槽内对外轮腿平垫圈30轴向定位，外轮腿平垫圈30的固定对外轮腿弧形骨架12形成轴向定位。
[0031]
图7为本发明驱动模块驱动轮毂21脱离轴系的爆炸视图，其中包括：驱动轮毂21以及驱动轮毂外侧的外驱动轴22和内侧的内驱动轴23。结合图7与图10剖视图a-a进行说明：驱动轮毂21与轮系主轴33通过轮系主轴33的d字轴段形成定位与传动关系，通过外法兰轴
承16与内法兰轴承32进行轴向定位。驱动轴在驱动轮毂21盘面上均匀且按着内-外-内的方式布置。结合图7与图10剖视图a-a进行说明：驱动轮毂21的内驱动轴23依次穿过内轮毂弧形滑槽25和内轮腿直线滑槽28；驱动轮毂21的外驱动轴22穿过外轮毂弧形滑槽18和外轮腿直线滑槽13。轮系主轴33、驱动轮毂21、外轮毂17、外轮腿10组成一组单自由度的摆动导杆机构。
[0032]
图8为本发明驱动模块内轮毂24及内轮腿脱离轴系的爆炸视图，其中包括：内轮毂24及其上均匀布置的内轮毂弧形滑槽25、内法兰轴承32、内轮胎26、内轮腿弧形骨架27、外轮腿平垫圈30、外轮腿硅胶垫圈31。结合图8与图10剖视图a-a进行说明：内轮毂24有间隔均匀的内轮毂弧形滑槽25，滑槽中心径向半径与驱动轮毂21驱动轴轴心径向半径相同。内轮毂24嵌套在内法兰轴承32上，内法兰轴承32顶在轮系主轴33最靠近舵机的轴肩进行定位。内轮胎26通过自粘胶黏附于内轮腿弧形骨架27外侧。外轮毂17与内轮毂24边缘的凸台通过轮毂紧定螺钉37连接固定。内轮腿中心轴29穿过内轮毂24凸台定位孔形成径向定位，中心轴端略超出外轮毂17，内轮腿平垫圈19嵌套在内轮腿中心轴29上与外轮毂17圆槽内，内轮腿硅胶垫圈20嵌在内轮腿中心轴29轴段凹槽内对内轮腿平垫圈19轴向定位，内轮腿平垫圈19的固定对内轮腿弧形骨架27形成轴向定位。整体轴系通过轴肩
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内法兰轴承32
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驱动轮毂21
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外法兰轴承16
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轴端端盖8轴向定位。
[0033]
图9为本发明驱动模块舵机装配的爆炸视图，其中包括：轮系主轴33、舵机34、舵机支架35、舵机连接架36。轮系主轴33通过螺钉连接于舵机34的输出舵盘上，舵机34通过螺钉连接固定在舵机支架35上。舵机支架35通过螺钉连接固定在舵机连接架36上，整体驱动模块通过舵机连接架36与底板f的螺栓连接固定。
[0034]
结合图1、图11和图12，所述的轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人驱动模块，其特征在于包括以下过程：驱动轮毂21外驱动轴22在外轮毂弧形滑槽18与内驱动轴23在内轮毂弧形滑槽25中的位置完全一致；当驱动轮毂21驱动轴位于外轮毂弧形滑槽18、内轮毂弧形滑槽25弧顶时，n个内轮腿、n个外轮腿各形成一个完整的圆，此时驱动模块为轮式结构形态，如图1所示；当机器人遇到障碍物、爬坡或主动展开时，轮系主轴33带动驱动轮毂21转动，分别嵌套在内法兰轴承32、外法兰轴承16上的内轮毂24、外轮毂17因摩擦力相对地面静止，相对驱动轮毂21转动形成相位差，驱动轮毂21驱动轴在内轮毂弧形滑槽25、外轮毂弧形滑槽18、内轮腿直线滑槽28、外轮腿直线滑槽13中同方向滑动，并带动内轮腿弧形骨架27、外轮腿弧形骨架12相对内轮毂24、外轮毂17边缘凸台的定位孔中心转动；当驱动轮毂21驱动轴到达内轮毂弧形滑槽25、外轮毂弧形滑槽18端点时带动内轮毂24、外轮毂17以相同速度转动。此时机器人驱动模块从轮式结构变形到腿式结构过程结束；当驱动模块从腿式结构恢复为轮式结构时，驱动轮毂21以相反于展开成腿式结构的旋转方向转动，驱动轮毂21驱动轴回到外轮毂弧形滑槽18、内轮毂弧形滑槽25弧顶即可完成该变形过程；外轮毂弧形滑槽18、内轮毂弧形滑槽25为对称设计，因此驱动模块可进行反向展开从而达到双向展开目的，如图11、图12所示。
[0035]
结合图13-16，所述的轮腿桨一体化可自适应性的水陆两栖机器人运动方法，其特征在于包括以下过程：机器人的4个轮腿桨一体化驱动模块由4个独立防水舵机驱动控制，通过4个驱动模块分别以不同的速度运动以实现前进、后退、转向；机器人底盘与控制模块收纳盒相对驱动模块轮系轴心中心对称设计，翻转后仍能正常运动。
[0036]
如图13所示，当机器人爬坡或遇到障碍物时，驱动模块外轮毂21、内轮毂29因内、外轮腿与坡面、障碍物之间的静摩擦力相对坡面或障碍物静止，轮系主轴43带动驱动轮毂28继续相对内、外轮毂转动从而使内、外轮腿展开，继而完成机器人的被动展开越障过程。
[0037]
如图14-16所示，当沟壑环境中的机器人遇到障碍物时，还可主动展开通过障碍物，其特征在于包括以下过程：机器人通过激光雷达传感器反馈，经过算法处理识别机器人前方障碍物后，后轮（一号轮、二号轮）停止转动，前轮（三号轮、四号轮）向障碍物方向（+y轴方向）继续转动，后轮由于舵机静力矩处于静止状态，前轮因轮腿与地面之间的摩擦力展开成腿式结构，从而机器人驱动模块轮式变形为腿式过程完成。之后机器人以前轮腿式、后轮轮式状态进行越障，越障后前轮恢复为轮式继续前进。该驱动轮系可双向展开，因此机器人也可沿-y轴方向越过相反一侧的障碍物。
[0038]
如图17所示，当有桨叶时，机器人可在水中运作，驱动模块运转时依靠桨叶划动流体产生的阻力使轮腿展开并增大桨叶的抱水体积，最终机器人通过四个展开成腿式的驱动模块进行驱动。

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