[发明专利]一种轮足复合机器人及其控制方法

权利要求书

1.一种轮足复合机器人，为在传统四足机器人框架基础上进行改进，能够兼顾足式和轮式两种运动的优点，在满足机器人足式高运动性能的同时能实现其在平整地形环境下的高效轮式运动；其特征在于，所述轮足复合机器人包括躯干(1)、腿部组件(2)、驱动结构(3)；

所述的躯干(1)包括前骨架(11)、供能仓(12)、后骨架(13)；所述供能仓(12)前后两端分别安装前骨架(11)、后骨架(13)，其内部安装供能元件为装置供电；所述前骨架(11)及后骨架(13)上均设有两个左右对称的电机安装位置，用于安装摆动电机(14)；通过与腿部组件中的髋部(21)相连接，摆动电机(14)可以实现躯干(1)同腿部组件(2)的连接，并控制腿部组件(2)在相对于前骨架(11)或后骨架(13)平行平面的摆动；

所述的腿部组件(2)共有四组，其构造完全相同，每组腿部组件包括髋部(21)、大腿(22)、小腿组(23)和足轮组(24)；每组腿部组件均通过安装在躯干前骨架(11)或后骨架(13)上的摆动电机(14)连接到躯干(1)上；

所述的驱动结构包括主动棘轮机构(31)与足轮传动装置(32)；所述主动棘轮机构(31)中，棘轮(312)与连接大腿(22)和小腿本体(231)形成的膝关节同轴，棘爪(311)布置于大腿(22)上靠近末端的某处，并与棘轮(312)保持良好配合；所述足轮传动装置(32)布置于棘轮(312)与足轮(241)之间，用以将棘轮(312)的运动传递给足轮(241)；以上所述驱动结构(3)主要负责轮行模式下的驱动与控制，机器人在足行模式下由电机直接驱动，无需额外驱动结构。

2.根据权利要求1所述的一种轮足复合机器人，其特征在于，所述的腿部组件(2)结构描述如下：

所述髋部(21)包括大腿电机安装座(211)、大腿电机(212)以及膝关节电机(213)和膝关节电机安装座(214)；所述大腿电机安装座(211)和膝关节电机安装座(214)均为近圆柱形中空壳体，其内部空间分别用以固定安装大腿电机(212)和膝关节电机(213)；大腿电机安装座(211)安装在靠近躯干的一侧，其圆弧侧面上有用于连接摆动电机(14)输出端的连接口，可以接收摆动电机(14)输出的旋转运动；膝关节电机安装座(214)安装在在离躯干稍远的一侧，其一个圆形底面上有用于连接大腿电机(212)输出端的连接口，可以接收大腿电机(212)输出的旋转运动；也即大腿电机(212)的输出端连接着膝关节电机安装座(214)，可以使其及其内固定安装的电机结构一同旋转；膝关节电机安装座(214)的另一个底面与大腿(22)固连，如此大腿电机(212)的输出让膝关节电机安装座(214)旋转后，与后者固连的大腿(22)也相应旋转；

所述大腿(22)为杆状中空壳体，其首端与膝关节电机安装座(214)连接，末端与小腿本体(231)连接；小腿组(23)中的小腿传动装置(232)安装在大腿(22)的中空壳体内部；

所述小腿组(23)包括小腿本体(231)及小腿传动装置(232)；小腿本体(231)为杆状结构，其首端与大腿(22)末端铰接形成可动膝关节，还与小腿传动装置(232)相连接以接收小腿传动装置(232)传来的运动，其末端即为足轮组(24)触地支撑的足端(242)；小腿传动装置(232)的输入端与安装于髋部(21)的膝关节电机(213)输出端相连接以接收膝关节电机(213)运动，小腿传动装置(232)的输出端则与前述小腿本体(231)的首端某处铰接，从而将运动传递给小腿本体(231)；

所述足轮组(24)包括足轮(241)、足端(242)及足轮轴(243)；所述足轮(241)通过足轮轴(243)安装在小腿本体(231)上，并与驱动结构(3)的被动轮(323)同轴。

3.根据权利要求1所述的一种轮足复合机器人，其特征在于，所述主动棘轮机构(31)的特征为：当膝关节角度变小时棘爪(311)推动棘轮(312)转动，而当膝关节角度增大时棘爪(311)从棘轮(312)的齿背滑过，并不改变棘轮(312)的运动。

4.一种权利要求1-3任一所述的轮足复合机器人的控制方法，其特征在于，所述机器人的控制模式有足行模式、足行切换轮行模式、轮行模式、轮行切换足行四种模式。

5.根据权利要求4所述的一种轮足复合机器人的控制方法，其特征在于，规定标准站立姿态为：机器人四足触地自然站立，大腿(22)延长线与地面夹角为钝角，小腿与地面夹角为锐角，并且在机器人的所有可行姿态中，此时躯干与地面距离最远；所述控制方法如下：

1)足行模式：机器人的足端(242)触地，机器人运动由电机直接驱动和控制，与传统十二自由度四足机器人相同；

2)由足行模式切换到轮行模式：标准站立姿态下，通过驱动膝关节电机(213)，即通过减小小腿与地面的夹角来切换轮行模式；该夹角小到足轮(241)触地而足端(242)脱离地面时，机器人进入轮行准备姿态，具备轮式运动条件；

3)轮行模式：在轮行准备姿态下，机器人的足轮(241)触地，小腿(231)与地面夹角小，近乎平行，而大腿(22)与地面夹角是一个钝角；在轮行模式下，通过控制膝关节电机(213)让小腿(231)与地面的角度保持在某个小范围内，同时通过控制大腿电机(212)与膝关节电机(213)进一步增大大腿延长线与地面的夹角到一定值，接着再让大腿延长线与地面的夹角减小到一定值；大腿延长线与地面夹角先增加后减小的过程称为轮行模式的一个控制周期；

在一个控制周期中，大腿延长线与地面夹角增加时，安装在大腿(22)上的棘爪(311)会驱动安装在膝关节(313)上的棘轮(312)转动，而大腿延长线与地面夹角减小时，棘爪(311)不驱动棘轮(312)，不会改变棘轮的运动方向和姿态；

从整体来看，轮行模式下小腿(231)几乎不动而大腿(22)周期性向前俯冲然后复位，大腿(22)上的棘爪(311)会间歇性驱动棘轮(312)转动；通过驱动结构(3)中的足轮传动装置(32)，棘轮(312)转动又会使被动轮(323)转动，而被动轮(323)与足轮(241)同轴，于是足轮(241)开始运动；通过调整控制周期的长短以及调整大腿(22)或小腿(231)与地面夹角的变化可以实现轮行模式下的速度调节；

4)由轮行模式切换到足行模式：轮行模式下，通过膝关节电机(213)合理增加小腿(231)与地面的夹角使足端(242)触地，通过足端(242)与地面的摩擦力给机器人减速或刹停；机器人刹停后，持续增加小腿(231)与地面的夹角，使足轮(241)与地面脱离接触，机器人完全由足端(242)支撑身体时即进入足行模式。