全文摘要
本实用新型涉及一种用于复杂地形的机器人运动系统，属于机器人技术领域。本机器人运动系统采用多足结构，并在多足的末梢安装驱动轮和地面接触从而根据不同路况采用不同的运动方式，实现在复杂地形下既要满足平坦路面的高速运动，又要满足崎岖路面和障碍行走空间的快速通过，行动速度和越障性能都得到显著改善。本实用新型可以广泛应用于化工、公安、森林、消防、抢险救援等地形复杂、环境危险，同时需要快速反应和自主工作的行业及领域。
主设计要求
1.一种用于复杂地形的机器人运动系统，其特征在于：包括机器人车体、C型足、驱动轮、电机和地形检测装置；所述机器人车体上安装有地形检测装置，用于检测地形状况和获取车体位置姿态信息，并决定行进方式；所述机器人车体左右两侧对称安装有电机，用于驱动机器人车体外侧C型足；所述位于机器人车体首尾两端的C型足上设置有驱动轮。
设计方案
1.一种用于复杂地形的机器人运动系统，其特征在于：包括机器人车体、C型足、驱动轮、电机和地形检测装置；
所述机器人车体上安装有地形检测装置，用于检测地形状况和获取车体位置姿态信息，并决定行进方式；
所述机器人车体左右两侧对称安装有电机，用于驱动机器人车体外侧C型足；
所述位于机器人车体首尾两端的C型足上设置有驱动轮。
2.根据权利要求1所述的一种用于复杂地形的机器人运动系统，其特征在于：所述机器人运动系统还包括从动轮，从动轮对称安装于机器人车体左右两侧，位于机器人车体中间位置C型足上。
3.根据权利要求2所述的一种用于复杂地形的机器人运动系统，其特征在于：所述从动轮上设置有自锁卡扣。
4.根据权利要求3所述的一种用于复杂地形的机器人运动系统，其特征在于：所述驱动轮和从动轮的外圈设有花纹轮胎。
5.根据权利要求4所述的一种用于复杂地形的机器人运动系统，其特征在于：所述机器人运动系统还包括激光雷达和深度相机传感器；并配有编码器、GPS和陀螺仪的机器人本体位置姿态检测传感器，以通过机器人车体内部的中心控制单元进行信息处理并将运动指令传输到各个电机控制器实现运动系统的控制。
6.根据权利要求1所述的一种用于复杂地形的机器人运动系统，其特征在于：所述电机为减速电机，数量为2或4或6个。
7.根据权利要求1所述的一种用于复杂地形的机器人运动系统，其特征在于：所述驱动轮为安装有轮毂电机或者其他行走电机的轮子。
设计说明书
技术领域
本实用新型属于机器人技术领域，涉及一种用于复杂地形的机器人运动系统。
背景技术
仿生机器人是指模仿生物感知和行动机制，从事生物特点工作的机器人。随着科学技术的不断发展、行业应用的推广和普及，机器人尤其是自主行进、自动执行操作的智能机器人在安防、巡检、抢险等多种场合发挥了重要的作用。机器人在实现了全天候、高危险、强业务量工作的同时大大降低了人工成本，并在许多危险地域、复杂地形具有人工不可比拟的优势。
轮式结构是自主行走机器人采用最多的结构，即底部采用多轮驱动的方式实现前进和转向运动、姿态调整，该方式具有运行速度快、灵活度大、平稳性高的优势，但是越障主要取决于车轮的直径和驱动电机功率，对于崎岖路面和障碍行走空间容易出现打滑、卡轮、倾翻等情况导致无法通过甚至导致本体故障。
履带式自行机器人具备一定的爬坡和越障能力，但是履带结构存在结构相对复杂、体积重量大、对路面磨损大、履带维护周期较短等缺陷，并且行进速度缓慢，能耗很高，精确控制困难，对不同行走环境行进效率较低。
为了满足在崎岖路面和障碍行走空间环境下工作，依据仿生学原理，设计出了一种类似于动物行走的多足机器人，采用C型四肢或者多肢结构替换车轮。普通的多足机器人，例如蜘蛛机器人、昆虫机器人等等，其足部构造，大多需使用多轴马达来达到行走的要求，但结构过于复杂，导致机器人的足部无法快速准确移动，机电系统稳定性不够，运行维护困难。
由卡耐基梅隆、伯克利加州大学和密歇根大学等组织的研发RHex机器人是一种具有高机动性的被动稳定的六足机器人，高14厘米，重12公斤，有效载荷2公斤，行进速度2.25m\/s，每条腿为半圈形状，拥有弹性，而且对外的一层还有防滑的凹凸橡胶，能够在各种环境下快速行走。Rhex作为一款六足机器人，可以在崎岖地形上具有出色的机动性。独立控制的腿产生专门的步态，以最少的操作输入推动它在崎岖的地形上。Rhex可以穿越岩石、泥土、沙子、植被、铁轨、电线杆和楼梯。
本实用新型在现有机器人技术基础上进行改进，提出一种复杂地形高速行进机器人运动系统，使用特殊C形构造完成机器人足部的行动机构。C型足部的上端与马达相连，下端则与地面接触，使各个足可分别独立360度、顺逆时针变速转动，以周期性交互回旋的方式使机器人前行。C型足具有很大的弹性及韧性，即使在崎岖不平的道路上，机器人依然可以保持良好的稳定性以及高速突破性。本机器人在多足的末梢安装驱动轮和地面接触，解决在平坦路面的快速平稳行进和低功耗运行的问题。系统根据不同路况下采用不同的运动方式，实现在复杂地形下既要满足平坦路面的高速运动，又要满足崎岖障碍空间的快速通过，行动速度和越障性能都得到显著改善。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种用于复杂地形的机器人运动系统，采用多足和轮式相结合的运动系统，在不同路况下采取不同的运动方式，提高运动速度和越障能力，提高机器人在平坦路况和崎岖路障碍空间组成的复杂路况下的高速运动性能，解决平坦道路的快速运行，非结构化道路的越障爬行的适应性，提高越障、速度、可操控性等综合性能。
为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种用于复杂地形的机器人运动系统，包括机器人车体、C型足、驱动轮、电机和地形检测装置；
所述机器人车体上安装有地形检测装置，用于检测地形状况和车体位置姿态信息，决定行进方式；
所述机器人车体左右两侧对称安装有电机，用于驱动机器人车体外侧C型足；
所述位于机器人车体首尾两端的C型足上设置有驱动轮。
进一步，所述机器人运动系统还包括从动轮，从动轮对称安装于机器人车体左右两侧，位于机器人车体中间位置C型足上。
进一步，所述从动轮上设置有自锁卡扣。
进一步，所述驱动轮和从动轮的外圈设有花纹轮胎。
进一步，所述机器人运动系统还包括激光雷达和深度相机传感器；并配有编码器、GPS和陀螺仪的机器人本体位置姿态检测传感器，以通过机器人车体内部的中心控制单元进行信息处理并将运动指令传输到各个电机控制器实现运动系统的控制。
进一步，所述电机为减速电机，数量为2或4或6个。
进一步，所述驱动轮为安装有轮毂电机或者其他行走电机的轮子。
本实用新型的有益效果在于：
(1)复杂地形适应性强，适应丛林路面、铺装路面、岩石路面、多台阶路面等各种路况。
(2)在铺装路面行进速度快。
(3)重量轻，驱动轮主要采用轮毂电机或轮上安装电机，结构灵活，拆卸方便。
(4)维护简单，运动组件开放式安装，容易拆卸和更换。
(5)根据不同路面自主选择行进方式，能耗低，效率高。
附图说明
为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本实用新型提供如下附图进行说明：
图1为本实用新型侧视图；
图2为本实用新型俯视图；
图3为本实用新型正视图；
图4为本实用新型结构示意图；
图5为本实用新型姿态表示与坐标系统示意图；
图6为本实用新型转向姿态与位置坐标表示示意图；
图7为本实用新型工作流程图。
附图标记：1-机器人车体，2-C型足，3-驱动轮，4-从动轮，5-电机，6-地形检测装置。
具体实施方式
下面将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。
如图1～4所示，为一种用于复杂地形的高速机器人运动系统结构示意图，本实用新型所描述的运动系统安装在一个机器人车体1上，车体上安装有地形检测装置6，地形检测装置可以检测地形状况和车体位置姿态信息，决定选择合适的行进方式。车体内左右两侧对称安装有2到6个减速电机5或者其他电机用于驱动车体两外侧C型足2。在车体前后两对C型足的尾端(如果是四足机器人则是每足的尾端)安装有驱动轮3，驱动轮为安装有轮毂电机或者其他行走电机的轮子。中间的一对C型足安装有具有自锁功能的从动轮4。驱动轮3和从动轮4外圈是具有大摩擦力的花纹轮胎。
六足机器人可以安装有激光雷达或者深度相机等传感器系统，并配有编码器、GPS、陀螺仪等机器人本体位置姿态检测传感器，通过机器人车体内部的中心控制单元进行信息处理并将运动指令传输到各个电机控制器实现运动系统的控制。
对于草丛、石子等构成的低坡度、障碍道路，需要机器人能够快速通过，因此采用C型足上的驱动轮作为行进轮胎，此时C型足垂直于地面并完全锁定位置使C型足上的驱动轮能够充分接触路面，驱动轮采用轮毂电机驱动，此时从动轮为自由运动状态。两侧驱动轮同向同速运动实现高速前进后退，两侧驱动轮同向不同速实现运动中转向，两侧驱动轮反向同速实现原地旋转。驱动轮模式下可以实现0～40km\/h的运行速度，并能实现0～20°的坡度以及高度10cm以下的障碍快速通过。
对于各种岩石、树木、土块形成的大型障碍和凹凸不平的路面，需要机器人能够高效通过，因此采用C型足作为行进轮胎，此时驱动轮和从动轮保持自锁即不会出现滚动作为地面接触端，C型足通过减速器电机实现大扭矩的转动，通过路况检测和工控机计算出运动方式，六足交替旋转实现各种障碍的越过和台阶路面的上下。最大可以越过C型足2\/3半径的障碍，满足森林复杂路面的通过需求。
机器人的运动系统在森林复杂环境下能够实现自主或者遥控切换运动方式，适应各种路况的需求，提高了执行效率，并且结构简单，降低了维护成本。
本实用新型运动系统由C型肢体、自驱动轮、状态传感器、电机控制器、中心控制模块等组成。该实用新型运动系统包含有两种运动状态，平坦路面的高速前进和崎岖障碍空间的越障通过，在不同的运动状态下分别采用不同的运动形式，平坦路面的运动采用滚动摩擦方式以减小阻力，因此在C型肢体(多足)末端安装驱动轮与地面接触，在保持多足稳定的情况下，采用驱动轮自旋转实现前进后退，两侧轮差速运动实现在低于每小时40千米速度的运动中转向，两侧轮反向旋转实现静止状态下原地旋转转向。崎岖障碍空间运行时候，保持驱动轮锁紧成为具有摩擦力的“足部”，通过C型肢体的两侧C型足独立360度顺、逆时针变速转动爬行，以周期性交互回旋的方式使机器人前行和越障。
由于无论是自驱动轮滚动行进还是C型足爬行行进，在运动过程中，机器人同侧轮始终保持同向同速旋转，可以将同侧轮合并成一个，以机器人两侧差速轮连线作为机器人坐标系为YR轴，以过机器人中心垂直于YR轴方向作为机器人坐标系X轴方向，以机器人坐标原点R作为机器人位置参考点，机器人任意时刻在世界坐标系0XY中的位姿表示为ξ0<\/sub>＝(x yθ) T<\/sup>，如图5所示，设机器人驱动轮半径为r，两轮之间的距离为l，两驱动轮转速分别为n1<\/sub>和n2<\/sub>，根据差速原理机器人沿自身坐标XR<\/sub>方向的线速v和姿态角的变化率ω分别为：
v＝πrn2<\/sub>+πrn1<\/sub>
根据刚体平动原理，机器人在任意时刻的运动都可以看成是绕车体瞬心P的转动，转动半径R为：
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920295755.7
申请日:2019-03-08
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:52(贵州)
授权编号:CN209938770U
授权时间:20200114
主分类号:B62D57/028
专利分类号:B62D57/028
范畴分类:32B;27C;
申请人:贵州电网有限责任公司
第一申请人:贵州电网有限责任公司
申请人地址:550000 贵州省贵阳市南明区滨河路17号
发明人:陈锦龙;杜江;陈俊全;肖倩宏;叶航超;王兴国;栾鑫;张耀;黄晓旭;朱椤方;张旭;陈恩黔;赵翔宇;朱思霖
第一发明人:陈锦龙
当前权利人:贵州电网有限责任公司
代理人:王海权
代理机构:11275
代理机构编号:北京同恒源知识产权代理有限公司 11275
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计