一种具备双轴云台的轮腿平衡机器人及工作方法

1.本发明涉及复杂地形检测设备技术领域，具体涉及一种具备双轴云台的轮腿平衡机器人及工作方法。


背景技术：

2.腿式机器人的优点是不仅能在平坦地面上行走而且可以在崎岖地面上步行，可跨越沟壑，上下台阶，还可做无滑动的完整和单向运动，并为其上的传感器提供稳定的动态平台，因此具有广泛的适用性，但其存在缺点，即较难实现其稳定步态规划和稳定平衡控制，运动速度与能量的利用效率较低，另外，腿式机器人一般较重，且结构复杂。
3.轮式机器人优点是，自动操作简单，动作稳定，特别适合在平坦的地面上运动，有更大的运动速度和能量利用效率，是目前广泛使用的一类机器人。但是与腿式机器人相比，其对地形的适应性较差，很难做到跨越高度和爬楼梯。
4.而现有的轮腿平衡机器人，虽结合了轮式机器人与腿式机器人的优点，具有很好的地形适应性与能量利用效率，但基本上都只是一个普通的底座，没有搭载具体的功能机构，不能完成除了在复杂地形中运动以外的功能，实用性较低。


技术实现要素：

5.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的轮腿平衡机器人复杂地形监测设备的监测范围小、监测成本高、机动性差、结构复杂的问题，从而提供一种具备双轴云台的轮腿平衡机器人和工作方法。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具备双轴云台的轮腿平衡机器人，包括：机体，所述机体为框架结构，所述机体内设有关节驱动机构；腿部结构，包括两个主动臂和两个从动臂，所述主动臂的一端与关节驱动机构连接，另一端与从动臂铰接，所述从动臂的另一端与轮式动力机构连接，两个所述主动臂和两个从动臂、以及机体构成五连杆机构；所述关节驱动机构带动所述主动臂和从动臂转动，以改变所述机体的重心；云台底部机构，位于所述机体内，且所述云台底部机构的底部由下自上依次设有云台下部机构和云台上部机构，所述云台底部机构和云台下部机构、以及云台上部机构同轴设置；摄像机构，所述云台上部机构上。
7.进一步地，所述从动臂的长度大于所述主动臂的长度。
8.进一步地，所述关节驱动机构包括至少两个动力元件，两个所述动力元件之间具有间隙，所述轮式动力机构所在的垂直线位于所述间隙内。
9.进一步地，所述腿部结构具有两组，两组所述腿部结构对称设于所述机体的两侧。
10.进一步地，所述机体的底部设有支撑架，所述支撑架上设有无动力导轮。
11.进一步地，还包括防撞结构，所述防撞结构设于所述机体的外壁上，且所述防撞结构用于保护所述腿部结构。
12.进一步地，所述轮式动力机构包括：电机，与所述从动臂连接；行走轮，套设于所述
电机上，所述电机驱动所述行走轮移动。
13.进一步地，所述机体的内部设有供电元件，所述供电元件与所述关节驱动机构连接。
14.进一步地，所述云台下部机构上设有图像处理机构，所述云台上部机构上设有镜头切换机构和姿态感知机构。
15.本发明还提供了一种具备双轴云台的轮腿平衡机器人的工作方法，包括：通过腿部结构的水平运动，快速改变自身重心位置，获得运动时加减速性能的提升，通过腿部结构的竖直运动，获得主动悬挂功能和弹跳功能，大幅提升地形通过性；在加速行驶时，利用腿部结构将自身重心前移，使得轮式动力机构可以在输出更大的功率的情况下，保证自身不会向后倾倒；在减速行驶时，利用腿部结构将自身重心后移，使得轮式动力机构可以在输出较小的功率的情况下，保证自身不会向后倾倒；在起伏路面行驶时，利用姿态感知机构读取到的机体的起伏数据，通过腿部结构的竖直运动，对路面起伏进行补偿，保持自身姿态稳定。
16.本发明技术方案，具有如下优点：
17.1.本发明提供的具备双轴云台的轮腿平衡机器人，包括：机体，所述机体为框架结构，所述机体内设有关节驱动机构；腿部结构，包括两个主动臂和两个从动臂，所述主动臂的一端与关节驱动机构连接，另一端与从动臂铰接，所述从动臂的另一端与轮式动力机构连接，两个所述主动臂和两个从动臂、以及机体构成五连杆机构；所述关节驱动机构带动所述主动臂和从动臂转动，以改变所述机体的重心；云台底部机构，位于所述机体内，且所述云台底部机构的底部由下自上依次设有云台下部机构和云台上部机构，所述云台底部机构和云台下部机构、以及云台上部机构同轴设置；摄像机构，所述云台上部机构上。
18.通过在机体内设置关节驱动机构，同时，将腿部结构的主动臂与关节驱动机构连接，主动臂的另一端与从动臂铰接，从动臂的另一端与轮式动力结构连接，在需要该平衡机器人运动时，通过驱动关节驱动机构转动，进而带动主动臂和从动臂转动；由于两个主动臂和两个从动臂、以及机体构成五连杆机构，因此，在关节驱动机构转动时，可以带动主动臂和从动臂进行水平运动，并且快速改变自身重心位置，获得运动时加减速性能的提升；在关节驱动机构转动时，可以带动主动臂和从动臂进行竖直运动，通过腿部结构的竖直运动，获得主动悬挂功能和弹跳功能，大幅提升地形通过性。
19.在加速行驶时，利用腿部结构将自身重心前移，使得轮式动力机构可以在输出更大的功率的情况下，保证自身不会向后倾倒；在减速行驶时，利用腿部结构将自身重心后移，使得轮式动力机构可以在输出较小的功率的情况下，保证自身不会向后倾倒。
20.同时，在该机体上还设有双云台，即云台下部机构和云台上部机构，并且在云台下部机构和云台上部机构上设置摄像机构，从而增加了平衡机器人的检测效率和检测范围。
21.将所述云台底部机构和运动下部机构、以及云台上部机构同轴设置，增加了该摄像机构的稳定性，避免该平衡机器人跳越障碍物时，出现抖动的情况。该平衡机器人大幅拓展了监测机器人的运动能力，提高了监测效率，检测范围。利用轮腿平衡机体，可以轻易实现跳越轮式底座无法通过的障碍物，而相比于单纯的腿式结构，其腿部末端安装的轮式机构可以大幅提高其在平坦地面的行进速度。
22.2.本发明提供的具备双轴云台的轮腿平衡机器人，所述关节驱动机构包括至少两
个动力元件，两个所述动力元件之间具有间隙，所述轮式动力机构所在的垂直线位于所述间隙内。通过将轮式动力机构设置在两个动力元件之间的间隙的底部，从而保证了该轮式动力机构的运动稳定性。
23.3.本发明提供的具备双轴云台的轮腿平衡机器人，所述腿部结构具有两组，两组所述腿部结构对称设于所述机体的两侧。即该机体的两侧均设有腿部结构，从而保证了该机体运动的稳定性，避免在运动过程中出现倾斜的情况。
24.4.本发明提供的具备双轴云台的轮腿平衡机器人，还包括防撞结构，所述防撞结构设于所述机体的外壁上，且所述防撞结构用于保护所述腿部结构。其中，防撞结构为架体，该架体环绕腿部结构设置，主要用于保护腿部结构受到损伤。由于机体为框架结构，因此，可以将防撞结构的转角处设成圆角，避免平衡机器人在实际运动的过程中，受到撞击时，防撞结构的转角处出现裂痕的情况，而影响该平衡机器人的正常使用。
25.5.本发明提供的具备双轴云台的轮腿平衡机器人，所述机体的内部设有供电元件，所述供电元件与所述关节驱动机构连接。通过供电元件的设置，从而为关节驱动机构提供动力来源，使得关节驱动机构可以持续驱动腿部结构。
26.提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
28.图1为本发明提供的具备双轴云台的轮腿平衡机器人的结构示意图；
29.图2为本发明提供的具备双轴云台的轮腿平衡机器人的侧视图；
30.图3为本发明提供的具备双轴云台的轮腿平衡机器人的腿部结构的结构示意图；
31.图4为本发明提供的具备双轴云台的轮腿平衡机器人的轮式动力机构的结构示意图。
32.附图标记说明：
33.1、机体；2、关节驱动机构；3、腿部结构；31、主动臂；32、从动臂；4、轮式动力机构；41、电机；42、行走轮；5、云台底部机构；6、云台下部机构；7、云台上部机构；8、支撑架；9、无动力导轮；10、防撞结构；11、图像处理机构。
具体实施方式
34.在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
35.在本公开的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"
顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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公开的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本公开的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
36.在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
37.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
38.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本公开的不同结构。为了简化本公开的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本公开。此外，本公开可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本公开提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
39.以下结合附图对本公开的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本公开，并不用于限定本公开。
40.请参阅图1至图4所示，本发明提供了一种具备双轴云台的轮腿平衡机器人，包括：机体1，所述机体1为框架结构，所述机体1内设有关节驱动机构2；腿部结构3，包括两个主动臂31和两个从动臂32，所述主动臂31的一端与关节驱动机构2连接，另一端与从动臂32铰接，所述从动臂32的另一端与轮式动力机构4连接，两个所述主动臂31和两个从动臂32、以及机体1构成五连杆机构；所述关节驱动机构2带动所述主动臂31和从动臂32转动，以改变所述机体1的重心；云台底部机构5，位于所述机体1内，且所述云台底部机构5的底部由下自上依次设有云台下部机构6和云台上部机构7，所述云台底部机构5和运动下部机构、以及云台上部机构7同轴设置；摄像机构(图中未示出)，所述云台上部机构7上。
41.通过在机体1内设置关节驱动机构2，同时，将腿部结构3的主动臂31与关节驱动机构2连接，主动臂31的另一端与从动臂32铰接，从动臂32的另一端与轮式动力结构连接，在需要该平衡机器人运动时，通过驱动关节驱动机构2转动，进而带动主动臂31和从动臂32转动；由于两个主动臂31和两个从动臂32、以及机体1构成五连杆机构，因此，在关节驱动机构2转动时，可以带动主动臂31和从动臂32进行水平运动，并且快速改变自身重心位置，获得运动时加减速性能的提升；在关节驱动机构2转动时，可以带动主动臂31和从动臂32进行竖
直运动，通过腿部结构3的竖直运动，获得主动悬挂功能和弹跳功能，大幅提升地形通过性。
42.在加速行驶时，利用腿部结构3将自身重心前移，使得轮式动力机构4可以在输出更大的功率的情况下，保证自身不会向后倾倒；在减速行驶时，利用腿部结构3将自身重心后移，使得轮式动力机构4可以在输出较小的功率的情况下，保证自身不会向后倾倒。
43.同时，在该机体1上还设有双云台，即云台下部机构6和云台上部机构7，并且在云台下部机构6和云台上部机构7上设置摄像机构，从而增加了平衡机器人的检测效率和检测范围。
44.将所述云台底部机构5和运动下部机构、以及云台上部机构7同轴设置，增加了该摄像机构的稳定性，避免该平衡机器人跳越障碍物时，出现抖动的情况。该平衡机器人大幅拓展了监测机器人的运动能力，提高了监测效率，检测范围。利用轮腿平衡机体，可以轻易实现跳越轮式底座无法通过的障碍物，而相比于单纯的腿式结构，其腿部末端安装的轮式机构可以大幅提高其在平坦地面的行进速度。
45.在一些可选的实施例中，所述从动臂32的长度大于所述主动臂31的长度，从而便于主动臂31带动从动臂32共同运动。
46.在一些可选的实施例中，所述关节驱动机构2包括至少两个动力元件，两个所述动力元件之间具有间隙，所述轮式动力机构4所在的垂直线位于所述间隙内。通过将轮式动力机构4设置在两个动力元件之间的间隙的底部，从而保证了该轮式动力机构4的运动稳定性。
47.在一些可选的实施例中，所述腿部结构3具有两组，两组所述腿部结构3对称设于所述机体1的两侧。即该机体1的两侧均设有腿部结构3，从而保证了该机体1运动的稳定性，避免在运动过程中出现倾斜的情况。
48.在一些可选的实施例中，所述机体1的底部设有支撑架8，所述支撑架8上设有无动力导轮9。通过在机体1上设置无动力导轮9，用于放置倾倒对机器人造成损伤。其中，无动力导轮9设置在支撑架8的两端，并且对称设置。在本实施例中，可以将支撑架8设置在机体1的两侧，即具有两个支撑架8，使得无动力导轮9具有四个。
49.在一些可选的实施例中，该平衡机器人还包括防撞结构10，所述防撞结构10设于所述机体1的外壁上，且所述防撞结构10用于保护所述腿部结构3。其中，防撞结构10为架体，该架体环绕腿部结构3设置，主要用于保护腿部结构3受到损伤。由于机体1为框架结构，因此，可以将防撞结构10的转角处设成圆角，避免平衡机器人在实际运动的过程中，受到撞击时，防撞结构的转角处出现裂痕的情况，而影响该平衡机器人的正常使用。
50.在一些可选的实施例中，所述轮式动力机构4包括电机41和行走轮42；其中，电机41与所述从动臂32连接；行走轮42套设于所述电机41上，所述电机41驱动所述行走轮42移动。通过设置轮式动力机构4，使得轮式动力机构4可以在平整路面获得远超普通双足机器人的机动性。
51.具体地，电机41为无刷电机41。也可以采用其他形式的电机，具体的可以根据实际情况自行设定。
52.在一些可选的实施例中，所述机体1的内部设有供电元件，所述供电元件与所述关节驱动机构2连接。通过供电元件的设置，从而为关节驱动机构2提供动力来源，使得关节驱动机构2可以持续驱动腿部结构3。
53.在一些可选的实施例中，所述云台下部机构6上设有图像处理机构10，所述图像处理机构10与摄像机构连接；所述云台上部机构7上设有镜头切换机构(图中未示出)和姿态感知机构(图中未示出)。
54.本发明还提供了一种具备双轴云台的轮腿平衡机器人的工作方法，包括：通过腿部结构3的水平运动，快速改变自身重心位置，获得运动时加减速性能的提升，通过腿部结构3的竖直运动，获得主动悬挂功能和弹跳功能，大幅提升地形通过性；
55.在加速行驶时，利用腿部结构3将自身重心前移，使得轮式动力机构4可以在输出更大的功率的情况下，保证自身不会向后倾倒；在减速行驶时，利用腿部结构3将自身重心后移，使得轮式动力机构4可以在输出较小的功率的情况下，保证自身不会向后倾倒；
56.在起伏路面行驶时，利用姿态感知机构读取到的机体1的起伏数据，通过腿部结构3的竖直运动，对路面起伏进行补偿，保持自身姿态稳定。
57.一般情况下本机器人加速时可以利用腿部结构3前移重心，以在保持平衡的前提下获得更大的加速度。在遇到起伏时，起伏和轮式动力机构4的接触点会瞬间产生一个与机器人运动方向相反的阻力，机器人由于惯性有前倾的趋势，同时正常情况下机器人会因速度下降而判断需要加速，并通过腿部结构3前移重心，导致机器人重心过于靠前，轮式动力机构4无法维持机器人平衡，最终造成向前倾倒。所以，需要通过姿态感知机构对机器人遇到的情况进行进一步分析，在遇到起伏时应该根据阻力大小进行重心调整，为优先保证自身平衡，阻力越大的情况需要越多的向后移动重心。
58.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。