一种可拼接五连杆双臂轮足机器人及拼接方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种可拼接五连杆双臂轮足机器人及拼接方法。

背景技术

轮式机器人是一种较为传统的移动机器人构型，其动力学特性简单、稳定性高、能效比高，在当今社会有着广泛的应用。相较于双足机器人，轮式机器人技术成熟、可靠性高、能耗也较低，在结构化地形下具备高速通过和低能耗的特性。

轮足式机器人是一种结合了轮式和足式机器人特点的机器人。它使用轮子和腿部结构相结合的方式，采用一个轮毂电机驱动的轮部代替传统足式机器人的足端。轮足式机器人既能够实现轮式机器人的快速移动和平稳行驶，又能够克服足式机器人在复杂地形下的局限性，结合了轮式和足式机器人的特点，可以在不同的环境和任务中展现出多样的功能和性能。

目前机器人主要分为双足机器人和四足机器人两种：双足机器人模仿了人体结构，具有使用场景广泛、越障能力强的特点，但其负载能力差且不易稳定；四足机器人模仿了动物体结构，前进速度较快且运动稳定，负载能力较强，但其功能较为单一，灵活性较差，对使用场景有一定的限制。每台机器人作为一个单体相对独立，模态单一。

如何实现机器人的多功能性，使得其既保持非结构化地形下越障能力，又能提高机器人的负载、续航能力是当前机器人的发展方向之一。虽然单个机器人通过自身模态转换、优化设计能够实现性能的提升，但其单一的结构在面临复杂应用场景时的局限性依然是一个显著的缺憾。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可拼接五连杆双臂轮足机器人，能够在兼顾基础负载能力的前提下，利用机械臂实现场景交互、平衡辅助，充分发挥五连杆轮足机器人的灵活性优势，而且，能够首尾拼接成多足机器人，提高机器人对复杂任务场景的适应性。

本发明采用以下技术方案：

一种可拼接五连杆双臂轮足机器人，包括：机身、两个对称安装于机身两侧的腿部以及两个对称安装于机身前端的机械臂；

每个腿部均包括：大腿前臂、大腿后臂、小腿前臂、小腿后臂、主动轮、轮毂电机、前髋关节电机和后髋关节电机；

每个腿部的大腿前臂和大腿后臂的顶端分别与安装在机身一侧的前髋关节电机与后髋关节电机的输出轴连接，小腿前臂顶端与大腿前臂的底端转动连接，小腿后臂顶端与大腿后臂的底端转动连接，小腿前臂与小腿后臂的足端之间设置有主动轮和驱动主动轮转动的轮毂电机；每个腿部均与机身构成闭链五连杆机构；

在机身后端两侧对称设置有两个电磁铁和控制两个电磁铁电流通断的电子开关，且在机身后端两侧还对称设置有对接槽；在两个机械臂上均设置有吸附铁；

当所述可拼接五连杆双臂轮足机器人需要首尾拼接成多足机器人时，后方的可拼接五连杆双臂轮足机器人机械臂上的吸附铁在前方可拼接五连杆双臂轮足机器人电磁铁的吸力辅助下插入前方可拼接五连杆双臂轮足机器人的对接槽内。

进一步地，每个所述腿部均与所述机身构成非共面的闭链五连杆机构；

所述小腿后臂、所述大腿后臂、所述大腿前臂以及所述小腿前臂相对所述机身的中部由内向外分布。

进一步地，所述主动轮转动连接于所述小腿前臂的足端，所述轮毂电机安装于所述小腿后臂的足端，且所述轮毂电机的输出轴与所述主动轮同轴固定连接。

进一步地，每个所述机械臂均具有三个自由度，均包括：大臂部、小臂部以及机械臂驱动电机；

每个所述大臂部均包括：大臂连杆、大臂驱动电机及连接关节；每个所述小臂部均包括：小臂连杆、执行件及小臂驱动电机；

所述机械臂驱动电机固定于所述机身的前端；所述连接关节与所述机械臂驱动电机的输出轴连接；所述大臂驱动电机安装于所述连接关节，所述大臂连杆的一端与所述大臂驱动电机的输出轴连接，所述大臂连杆的另一端安装有所述小臂驱动电机；

所述小臂连杆的一端与所述小臂驱动电机的输出轴连接，所述小臂连杆的另一端设有所述执行件，所述执行件能够夹持抓取物品。

进一步地，所述吸附铁设置于所述大臂连杆安装有小臂驱动电机一端的端部，且在所述小臂连杆均旋转至与所述大臂连杆重合时，所述吸附铁能够插入另一个所述可拼接五连杆双臂轮足机器人的对接槽内。

进一步地，所述大臂驱动电机的输出轴与所述机械臂驱动电机的输出轴轴线垂直；

所述大臂驱动电机的输出轴与所述小臂驱动电机的输出轴轴线平行；

所述机械臂驱动电机用于驱动机械臂整体相对所述机身水平运动；所述大臂驱动电机用于驱动所述大臂部相对所述机身俯仰运动；所述小臂驱动电机用于驱动所述小臂部相对所述大臂部俯仰运动。

进一步地，所述执行件为软体抓球。

进一步地，所述机身上安装有惯性导航模块和控制器；

所述惯性导航模块用于检测机器人在导航坐标系中包括速度、偏航角和位置在内的运动信息，并将上述运动信息反馈给所述控制器；

所述轮毂电机能够向所述控制器反馈所述主动轮的转速；所述前髋关节电机、所述后髋节电机、所述机械臂驱动电机、所述大臂驱动电机以及所述小臂驱动电机能够向所述控制器反馈各自电机的转动速度和转动角度信息；

所述控制器能够根据所述运动信息、主动轮转速、前髋关节电机、后髋节电机、机械臂驱动电机、大臂驱动电机以及小臂驱动电机的转动速度和转动角度信息控制各电机工作。

进一步地，所述机身包括底板、髋关节架以及碳纤维条；

所述前髋关节电机与所述后髋关节电机均通过所述髋关节架安装于所述底板的两侧；

所述碳纤维条连接所述底板两侧的前髋关节电机以及所述底板两侧的所述后髋关节电机。

此外，本发明还提供了一种可拼接五连杆双臂轮足机器人的拼接方法，当至少两个所述可拼接五连杆双臂轮足机器人需要首尾拼接成多足机器人时，各所述可拼接五连杆双臂轮足机器人均使闭链五连杆机构转换为凹五连杆模态，且除最前方的所述可拼接五连杆双臂轮足机器人外，其余所述可拼接五连杆双臂轮足机器人的所述小臂连杆均旋转至与所述大臂连杆重合，且机械臂均平行前伸，前伸的所述机械臂上的吸附铁在前方的所述可拼接五连杆双臂轮足机器人的所述电磁铁的吸力作用的辅助下插入前方的所述可拼接五连杆双臂轮足机器人的对接槽内。

有益效果：

(1)针对现有轮足机器人运动灵活性与负载能力难以兼得的特点，本发明对轮足机器人整体构型重新设计，组建了一种闭链五连杆机构，通过前髋关节电机和后髋关节电机的控制，闭链五连杆机构可以灵活转变成凹五边形结构，使机器人所占空间减小，也能转变为凸五边形结构，提升机器人负载能力，突破了并联结构工作空间小、灵活性差等局限性，机器人同时得以保持高负载能力，可在不同的场景下完成预期的工作；

而且，本发明在小腿部的足端安装主动轮，能够降低机器人在平坦地面上的运动能耗；且主动轮通过设置于足端的轮毂电机进行驱动，五连杆机构的两个前髋关节电机和后髋关节电机安装于机身侧面，构成全驱动系统，能够通过前髋关节电机和后髋关节电机两个电机驱动五连杆机构变形(如转变成呈凹五边形的凹五连杆模态或呈凸五边形的凸五连杆模态)；前髋关节电机和后髋关节电机全部位于机身，且直接驱动腿部转动，显著减小传动损耗以及腿部整体的转动惯量，优化了机器人整体的动力学模型，为灵活运动和模态转换提供结构支持，同时，简化了整机的动力学模型，减少了运动过程中对驱动电机的动力冲击，减少了足端冲击对前髋关节电机和后髋关节电机的影响，降低了驱动过程中的腿部惯量和足端惯量，节省了对前髋关节电机和后髋关节电机的能量消耗，最终达到了减轻膝端惯量、提升运动速度、降低能量消耗的效果。而且，本发明能够利用机械臂实现场景交互(如夹持物品)、平衡辅助，充分发挥五连杆轮足机器人的灵活性优势，另外，当至少两个可拼接五连杆双臂轮足机器人需要首尾拼接成多足机器人时，后方的可拼接五连杆双臂轮足机器人的机械臂上的吸附铁在前方的可拼接五连杆双臂轮足机器人的电磁铁的吸力作用的辅助下能够插入前方的可拼接五连杆双臂轮足机器人的对接槽内，拼接结构简单，在单体(未拼接时)状态下，机械臂可用于搬运工作或安装其它扩展模块，在拼接状态下，除最前方的机器人外，其他机器人的机械臂用于拼接状态的对接和固定，提高了机器人对复杂任务场景的适应性，并进一步提高了机器人的负载能力。

(2)每个腿部均与机身构成非共面的闭链五连杆机构，小腿后臂、大腿后臂、大腿前臂以及小腿前臂相对机身的中部由内向外分布，即大腿前臂、大腿后臂、小腿前臂、小腿后臂旋转时占用的空间在机械上不重合，这能够最大程度避免非共面闭链五连杆机构在变形时大腿前臂、大腿后臂、小腿前臂、小腿后臂之间的干涉，提高机器人运动的灵活性。

(3)本发明的轮足机器人安装有两个三自由度机械臂，机械臂末端设有执行件，通过对机械臂的阻抗控制可以实现物品抓取，实现人员与机器人的交互；而且，机械臂可以起辅助机身行进的作用，例如通过模仿生物探索前进时依扶墙面、地面的动作，提升轮足机器人在狭窄地形或废墟、瓦砾等非结构化地形下通过的安全性和稳定性；另外，针对轮足机器人机动时前髋关节电机与后髋关节电机冲击电流过大问题，本发明能够通过控制机械臂随冲击方向运动，降低机器人整体在冲击过程中的等效质量，分担冲击电流对前髋关节电机与后髋关节电机的压力。

(4)执行件为软体抓球，提高了机器人搬运精密仪器的安全性和可靠性。

(5)能够通过对机械臂驱动电机进行力矩控制，具有快速响应的优势，极大地降低机器人在通过非结构化地形时各电机所受的冲击力，避免机器摔倒。

(6)在单体状态转化为拼接状态时，闭链五连杆机构转换为凹五连杆模态，能够避免拼接各腿组发生干涉，提高灵活性；在拼接时采用电磁铁吸附引导，将位于后方机械臂上的吸附铁插入前方机器人的对接槽内，相比于传统的卡扣等机械式对接方式，电磁铁吸附引导可以增强轮足机器人在非结构化地形中拼接的效率和稳定性，当需要解除拼接状态时，电磁铁断电解除吸力，机械臂辅助推离，即可重新进入单体状态，简单高效。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种可拼接五连杆双臂轮足机器人的结构组成示意图；

图2为图1中机器人的腿部、机械臂(机身一侧)侧面结构示意图；

图3为图1中机器人的前视图；

图4为图1中机器人的后视图；

图5本发明实施例二提供的两个可拼接五连杆双臂轮足机器人拼接状态下凹五边形模态下的三维结构示意图；

图6本发明实施例二提供的两个可拼接五连杆双臂轮足机器人拼接状态下凹五边形模态下侧面结构示意图；

图7本发明实施例二提供的两个可拼接五连杆双臂轮足机器人拼接状态下凸五边形模态下的三维结构示意图；

图8本发明实施例二提供的两个可拼接五连杆双臂轮足机器人拼接状态下凸五边形模态下侧面结构示意图；

其中，1-底板，2-髋关节架，3-髋关节架固定件，4-前髋关节电机，5-后髋关节电机，6-碳纤维条，7-大腿前臂，8-大腿后臂，9-膝关节，10-小腿前臂，11-小腿后臂，12-轮毂电机，13-轮毂铰接轴，14-主动轮，15-机壳，16-大臂部，17-小臂部，18-机械臂驱动电机，19-大臂连杆，20-大臂驱动电机，21-连接关节，22-吸附铁，23-小臂连杆，24-软体抓球，25-小臂驱动电机，26-对接槽，27-电磁铁，28-控制器，29-惯性导航模块。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例一：

本实施例提供了一种双机械臂五连杆轮足机器人，参见附图1～附图4，其结构组成包括：机身、两个对称安装于机身两侧的腿部以及两个对称安装于机身前端的机械臂，其中：

每个腿部均包括：大腿前臂7、大腿后臂8、小腿前臂10、小腿后臂11、主动轮14、轮毂电机12、前髋关节电机4和后髋关节电机5；每个腿部的大腿前臂7和大腿后臂8的顶端分别与安装在机身一侧的前髋关节电机4与后髋关节电机5的输出轴连接，小腿前臂10顶端与大腿前臂7的底端转动连接组成前腿的膝关节9，小腿后臂11顶端与大腿后臂8的底端转动连接组成后腿的膝关节9，小腿前臂10与小腿后臂11的足端之间设置有主动轮14和驱动主动轮14转动的轮毂电机12；每个腿部均与机身构成闭链五连杆机构；

而且，在机身后端两侧对称设置有两个电磁铁27和控制两个电磁铁27电流通断的电子开关，并在机身后端两侧还对称设置有对接槽26；在两个机械臂上均设置有吸附铁22(本实施例中，吸附铁22为铁块)；当至少两个可拼接五连杆双臂轮足机器人需要首尾拼接成多足机器人时，后方的可拼接五连杆双臂轮足机器人的机械臂上的吸附铁22在前方的可拼接五连杆双臂轮足机器人的电磁铁27的吸力作用的辅助下能够插入前方的可拼接五连杆双臂轮足机器人的对接槽26内。

如此，本实施例对轮足机器人整体构型重新设计，组建了一种闭链五连杆机构，通过前髋关节电机4和后髋关节电机5的控制，闭链五连杆机构可以灵活转变成凹五边形模态，使机器人腿部所占空间减小，也能转变为凸五边形结构，提升机器人负载能力，突破了并联结构工作空间小、灵活性差等局限性，机器人同时得以保持高负载能力，可在不同的场景下完成预期的工作；

而且，本实施例在小腿部的足端安装主动轮14，能够降低机器人在平坦地面上的运动能耗；且主动轮14通过设置于足端的轮毂电机12进行驱动，五连杆机构的两个前髋关节电机4和后髋关节电机5安装于机身侧面，构成全驱动系统，能够通过前髋关节电机4和后髋关节电机5两个电机驱动五连杆机构变形(如转变成凹五变形模态或凸五变形模态)；前髋关节电机4和后髋关节电机5全部位于机身，且直接驱动腿部转动，显著减小传动损耗以及腿部整体的转动惯量，优化了机器人整体的动力学模型，为灵活运动和模态转换提供结构支持，同时，简化了整机的动力学模型，减少了运动过程中对驱动电机的动力冲击，减少了足端冲击对前髋关节电机4和后髋关节电机5的影响，降低了驱动过程中的腿部惯量和足端惯量，节省了对前髋关节电机4和后髋关节电机5的能量消耗，最终达到了减轻膝端惯量、提升运动速度、降低能量消耗的效果。

另外，本实施例能够利用机械臂实现场景交互(如夹持物品)、平衡辅助，充分发挥五连杆轮足机器人的灵活性优势，另外，当至少两个可拼接五连杆双臂轮足机器人需要首尾拼接成多足机器人时，后方的可拼接五连杆双臂轮足机器人的机械臂上的吸附铁22在前方的可拼接五连杆双臂轮足机器人的电磁铁27的吸力作用的辅助下能够插入前方的可拼接五连杆双臂轮足机器人的对接槽26内，拼接结构简单，在单体(未拼接时)状态下，机械臂可用于搬运工作或安装其它扩展模块，在拼接状态下，除最前方的机器人外，其他机器人的机械臂用于拼接状态的对接和固定，提高了机器人对复杂任务场景的适应性，并进一步提高了机器人的负载能力。

具体地，在本实施例中，小腿前臂10顶端与大腿前臂7转动连接处以及小腿后臂11顶端与大腿后臂8的底端转动连接处均设置有轴承。而且，每个腿部均与机身构成非共面的闭链五连杆机构，小腿后臂11、大腿后臂8、大腿前臂7以及小腿前臂10相对机身的中部由内向外分布，即大腿前臂7、大腿后臂8、小腿前臂10、小腿后臂11旋转时占用的空间在机械上不重合，这能够最大程度避免非共面闭链五连杆机构在变形时大腿前臂7、大腿后臂8、小腿前臂10、小腿后臂11之间的干涉，提高机器人运动的灵活性。主动轮14通过轮毂铰接轴13转动连接于小腿前臂10的足端，轮毂电机12安装于小腿后臂11的足端，且轮毂电机12的输出轴与主动轮14同轴固定连接，可以理解的是，在可能的实施例中，主动轮14可以转动连接于小腿后臂11的足端，轮毂电机12可以安装于小腿前臂10的足端，且轮毂电机12的输出轴与主动轮14同轴固定连接。

更具体地，在本实施例中，机身包括底板1、髋关节架2以及碳纤维条6，其中，髋关节架2通过髋关节架固定件3固定安装于底板1的两侧，前髋关节电机4与后髋关节电机5均通过髋关节架2安装于底板1的两侧；碳纤维条6连接底板1两侧的前髋关节电机4以及底板1两侧的后髋关节电机5。而且，每个机械臂均具有三个自由度，其结构组成均包括：大臂部16、小臂部17以及机械臂驱动电机18，其中，每个大臂部16均包括：大臂连杆19、大臂驱动电机20及连接关节21；每个小臂部17均包括：小臂连杆23、执行件及小臂驱动电机25；其中：

机械臂驱动电机18固定于机身的前端；连接关节21与机械臂驱动电机18的输出轴连接；大臂驱动电机20安装于连接关节21，大臂连杆19的一端与大臂驱动电机20的输出轴连接，大臂连杆19的另一端安装有小臂驱动电机25；小臂连杆23的一端与小臂驱动电机25的输出轴连接，小臂连杆23的另一端设有执行件，执行件能够夹持抓取物品。

在本实施例中，轮足机器人安装有两个三自由度机械臂，机械臂末端设有执行件，通过对机械臂的阻抗控制可以实现物品抓取，实现人员与机器人的交互；而且，机械臂可以起辅助机身行进的作用，例如通过模仿生物探索前进时依扶墙面、地面的动作，提升轮足机器人在狭窄地形或废墟、瓦砾等非结构化地形下通过的安全性和稳定性；另外，针对轮足机器人机动时前髋关节电机4与后髋关节电机5冲击电流过大问题，能够通过控制机械臂随冲击方向运动，降低机器人整体在冲击过程中的等效质量，分担冲击电流对前髋关节电机4与后髋关节电机5的压力。

具体地，在本实施例中，大臂驱动电机20的输出轴与机械臂驱动电机18的输出轴轴线垂直；大臂驱动电机20的输出轴与小臂驱动电机25的输出轴轴线平行；机械臂驱动电机18用于驱动机械臂整体相对机身水平运动；大臂驱动电机20用于驱动大臂部16相对机身俯仰运动；小臂驱动电机25用于驱动小臂部17相对大臂部16俯仰运动。更具体地，在本实施例中，执行件为软体抓球24，这提高了机器人搬运精密仪器的安全性和可靠性。而且，吸附铁22设置于大臂连杆19安装有小臂驱动电机25一端的端部，且在小臂连杆23均旋转至与大臂连杆19重合时，吸附铁22能够插入另一个可拼接五连杆双臂轮足机器人的对接槽26内，结构简单紧凑。

当机器人工作时，前髋关节电机4提供驱动力控制大腿前臂7运动，后髋关节电机5提供驱动力控制大腿后臂8运动；主动轮14接触地面，轮毂电机12驱动主动轮14转动，实现轮足机器人的运动。机械臂驱动电机18、大臂驱动电机20和小臂驱动电机25控制机械臂的运动。更具体地，在本实施例中，机身上还安装有惯性导航模块29和控制器28，且在控制器28上方设置有机壳15；惯性导航模块29用于检测机器人在导航坐标系中包括速度、偏航角和位置在内的运动信息，并将上述运动信息反馈给控制器28；轮毂电机12能够向控制器28反馈主动轮14的转速；前髋关节电机4、后髋关节电机5、机械臂驱动电机18、大臂驱动电机20以及小臂驱动电机25能够向控制器28反馈各自电机的转动速度和转动角度信息；控制器28能够根据运动信息、主动轮14转速、前髋关节电机4、后髋关节电机5、机械臂驱动电机18、大臂驱动电机20以及小臂驱动电机25的转动速度和转动角度信息控制各电机工作。可以理解的是，在机身上还可以安装深度相机、雷达等功能模块。

实施例二：

在上述实施例一的基础上，本实施例提供一种可拼接五连杆双臂轮足机器人的拼接方法，参照图5～图8，当至少两个可拼接五连杆双臂轮足机器人需要首尾拼接成多足机器人时，各可拼接五连杆双臂轮足机器人均使闭链五连杆机构转换为凹五连杆模态，且除最前方的可拼接五连杆双臂轮足机器人外，其余可拼接五连杆双臂轮足机器人的小臂连杆均旋转至与大臂连杆重合，且机械臂均平行前伸，前伸的机械臂上的吸附铁22在前方的可拼接五连杆双臂轮足机器人的电磁铁27的吸力作用的辅助下插入前方的可拼接五连杆双臂轮足机器人的对接槽26内。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。