CN113120109B - 一种轮足复合仿人机器人的辅助支撑结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轮足复合仿人机器人的辅助支撑结构及其控制方法，属于仿人机器人技术领域。本发明的辅助支撑结构包括传动杆系、滑块、两连接杆和两支撑架，传动杆系与仿人机器人腿部转动连接，且传动杆系在靠近仿人机器人小腿末端处与滑块转动连接，滑块滑动连接于仿人机器人小腿末端的滑槽内，滑块与连接杆转动连接，支撑架一端与连接杆转动连接，另一端与小腿末端转动连接。本发明利用机器人的腿部屈伸运动作为动力，实现辅助支撑结构的展开和收起，进而方便快捷地实现了轮足复合仿人机器人的停靠支撑作业要求。

Description

一种轮足复合仿人机器人的辅助支撑结构及其控制方法

技术领域

本发明属于仿人机器人技术领域，具体涉及一种轮足复合仿人机器人的辅助支撑结构及其控制方法。

背景技术

随着时代的发展，人们对于移动式机器人的要求逐渐提高，对于机器人移动的灵活性、稳定性及速度效率等都有了更高的期望。轮足复合式移动机器人整合了轮式与腿式机器人的行进特点，可以实现平整路面的高速轮式行进，以及障碍路面的跨步行进，大大提高了移动机器人的行进速度、效率。但是，相比于四足轮腿机器人来看，双足机器人轮式平衡时只有两个支撑点，在停靠作业时易发生倾倒等情况，所以双足轮腿机器人对于停靠作业时的稳定性要求更高。因此，为双足轮腿机器人设计一款可以在到达作业地点后自动切换的辅助支撑结构，可以很好的提升双足轮腿机器人停靠作业的稳定性和作业能力。

现有的辅助支撑结构普遍采用了单独驱动支撑装置的设计，需要在机器人上增加驱动装置及相应的控制系统。这样的设计造成了整套辅助支撑结构的占用空间较大，使整个机器人的硬件系统复杂化。而现有不加设驱动装置的辅助支撑结构，大多需要人工手动辅助展开收起，使用过程的操作更加复杂，不适合机器人自动化的设计理念。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种轮足复合仿人机器人的辅助支撑结构及其控制方法，利用机器人腿部的屈伸作为动力来实现辅助支撑结构的展开和收起，在保证结构简便、执行方便的同时，使得轮足复合仿人机器人可以灵活的实现支撑作业。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种轮足复合仿人机器人的辅助支撑结构，包括：传动杆系、滑块、两连接杆和两支撑架，传动杆系与仿人机器人腿部转动连接，且传动杆系在靠近仿人机器人小腿末端处与滑块转动连接，滑块滑动连接于仿人机器人小腿末端的滑槽内，滑块与连接杆转动连接，支撑架一端与连接杆转动连接，另一端与小腿末端铰接；所述传动杆系跟随仿人机器人腿部的屈伸运动。

上述技术方案中，所述传动杆系包括第一传动杆、第二传动杆和第三传动杆，第一传动杆一端与第二传动杆一端转动连接，第一传动杆另一端与仿人机器人的大腿转动连接，第二传动杆另一端与仿人机器人的小腿转动连接，第三传动杆一端转动连接在第二传动杆上。

上述技术方案中，所述第二传动杆连接第三传动杆的位置设置多个轴孔A，第三传动杆能够分别与每个轴孔A配合。

上述技术方案中，所述滑块通过连接杆转动连接支撑架，滑块转动连接连接杆的一端，连接杆另一端转动连接支撑架的一端。

上述技术方案中，所述支撑架通过轴孔B铰接在仿人机器人小腿末端的圆柱轴上，且支撑架能够绕圆柱轴转动。

一种轮足复合仿人机器人的辅助支撑结构的控制方法，具体为：仿人机器人到达作业位置，当仿人机器人为屈腿状态，膝关节电机执行伸腿指令，带动传动杆系进行转动，使得第一传动杆和第二传动杆之间的夹角变大，第三传动杆末端处的滑块沿滑槽上移，两连接杆一端绕滑块向内转动，进而带动两支撑架收起，支撑轮足复合仿人机器人。

进一步地，当仿人机器人作业完成后，膝关节电机执行屈腿指令，带动传动杆系进行转动，使得第一传动杆和第二传动杆之间的夹角变小，第三传动杆末端处的滑块沿滑槽下移，两连接杆一端绕滑块向外转动，进而带动两支撑架撑开向上收起。

本发明的有益效果为：

本发明的辅助支撑结构包括传动杆系、滑块、连接杆和支撑架，滑块设置在传动杆系末端，配合传动杆系，实现机器人支撑架屈腿时的收起和机器人伸腿站立时的支撑；本发明利用轮足复合仿人机器人的腿部屈伸运动作为动力来实现辅助支撑结构的展开和收起，进而达到轮足复合仿人机器人停靠作业的要求。本发明无需附加驱动装置，结构简便、执行方便，轮足复合仿人机器人能够灵活地实现支撑作业。

附图说明

图1为本发明所述辅助支撑结构在仿人机器人屈腿状态的示意图；

图2为本发明所述辅助支撑结构在仿人机器人从屈腿状态转换为伸腿状态的示意图；

图3为本发明所述辅助支撑结构在仿人机器人伸腿状态的示意图；

图4为本发明所述辅助支撑结构局部细节图；

图5为本发明所述辅助支撑结构支撑的工作流程图；

图6为本发明所述辅助支撑结构收起的工作流程图；

图中：1-第一传动杆，2-第二传动杆，3-第三传动杆，4-滑块，5-连接杆，6-支撑架，7-圆柱轴，8-滑槽，9-三角形结构A，10-三角形结构B，11-轴孔A，12-轴孔B。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明的轮足复合仿人机器人是指将仿人机器人的足部结构替换为驱动轮的一类机器人，轮足复合仿人机器人的腿部能够完成屈腿和伸腿动作，并且依靠驱动轮实现高速灵活的行进和转向。

如图1、2、3所示，本发明轮足复合仿人机器人的辅助支撑结构包括传动杆系(第一传动杆1、第二传动杆2和第三传动杆3)、滑块4、两连接杆5和两支撑架6。第一传动杆1一端与第二传动杆2一端转动连接，第一传动杆1另一端与轮足复合仿人机器人的大腿转动连接，第二传动杆2另一端与轮足复合仿人机器人的小腿转动连接。第二传动杆2上均匀设有多个轴孔A11，用于转动连接第三传动杆3的一端，由于轴孔A11设置多个，在使用过程中，根据实际需要，能够调整第三传动杆3一端的连接位置，从而改变两支撑架6的张开角度，具体为：当第三传动杆3一端的连接位置靠近轮足复合仿人机器人的小腿时，两支撑架6的张开角度变小，当第三传动杆3一端的连接位置远离轮足复合仿人机器人的小腿时，两支撑架6的张开角度变大；第三传动杆3另一端与滑块4转动连接，滑块4滑动连接在轮足复合仿人机器人小腿末端的滑槽8内(参见图4)；滑块4转动连接在连接杆5的一端，连接杆5另一端转动连接支撑架6的一端，且支撑架6通过轴孔B12铰接在轮足复合仿人机器人小腿末端的圆柱轴7(参见图4)上，且支撑架6能够绕圆柱轴7转动。

如图5所示，本发明轮足复合仿人机器人的辅助支撑结构完成辅助支撑的过程为：轮足复合仿人机器人到达作业位置，工控机发出支撑指令，读取膝关节电机处的码盘值，进而获取膝关节角度(大腿和小腿之间的角度值)，判断腿部是否为屈腿状态，若为伸直状态，则保持膝关节角度不变，若为屈腿状态，则膝关节电机执行伸腿指令，腿部的伸腿运动带动辅助支撑结构的第一传动杆1一端绕仿人机器人大腿转动，第一传动杆1另一端带动第二传动杆2一端绕仿人机器人小腿转动，第一传动杆1和第二传动杆2之间的夹角变大，第二传动杆2另一端带动第三传动杆3一端转动，第三传动杆3带动另一端的滑块4沿滑槽8上移，两连接杆5一端绕滑块4向内转动，进而带动两支撑架6绕圆柱轴7向内转动，进行向内收起；直到膝关节电机处的码盘返回值显示膝关节角度为180°，则伸腿运动结束；辅助支撑结构完成对轮足复合仿人机器人的支撑，使其具备了站立作业的要求。如图6所示，当轮足复合仿人机器人不需要支撑时(工控机不再发出支撑指令)，读取膝关节电机处的码盘值，进而获取大腿和小腿之间的角度值，判断腿部是否为伸腿状态，若为屈腿状态，则保持膝关节角度不变，若为伸腿状态，则膝关节电机执行屈腿指令，腿部的屈腿运动带动第一传动杆1、第二传动杆2分别绕仿人机器人大腿、小腿，沿反向转动，第一传动杆1和第二传动杆2之间的夹角变小，第三传动杆3带动另一端的滑块4沿滑槽8下移，两连接杆5一端绕滑块4向外转动，进而带动两支撑架6展开并抬高；直到膝关节角度达到目标角度，完成收起支撑。

本发明利用传动杆系将轮足复合仿人机器人腿部的屈伸运动利用起来，并将轮足复合仿人机器人腿部的屈伸运动转化为用于驱动滑块4的直线运动，从而进一步完成支撑架6的展开和收起运动；在轮足复合仿人机器人腿部完全伸直时，保证支撑架完全展开，实现机器人足部的完全支撑。本发明的传动杆系采用二级连杆的结构形式，避免了在机器人腿部弯曲时造成的连杆死点现象，能够更好的完成动力的传送任务，且传动杆系在仿人机器人伸腿状态时，构成了两个三角形结构(如图3中的三角形结构A9、三角形结构B10)，结构特性更加稳定牢固，保证了支撑架6工作时的稳定性。

本发明首先将传动杆系的旋转运动转化为滑块4的直线运动，之后又将滑块4的直线运动转化为支撑架6绕小腿末端圆柱轴7的旋转运动，进而展开或收起足部的支撑架6。

本发明采用类曲柄滑块运动的机理，滑块4将传动杆系的旋转运动转化为直线运动，进而带动连接杆5转动，连接杆5带动支撑架6转动，支撑架6运动范围正好可以满足轮足复合仿人机器人的支撑需求：向内收起，使支撑架6底部平行于地面，实现轮足复合仿人机器人的稳定支撑，向外撑开，收起支撑架6，不妨碍轮足复合仿人机器人轮部的前进转向运动。本发明的支撑结构既能够将膝关节的屈伸运动转化成驱动支撑架6展开和收起的驱动力，实现机器人的稳定支撑，又能够确保机器人支撑架6收起后，不妨碍机器人的正常运动，具有很强的灵活性。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种轮足复合仿人机器人的辅助支撑结构，其特征在于，包括：传动杆系、滑块（4）、两连接杆（5）和两支撑架（6），传动杆系与仿人机器人腿部转动连接，且传动杆系在靠近仿人机器人小腿末端处与滑块（4）转动连接，滑块（4）滑动连接于仿人机器人小腿末端的滑槽（8）内，滑块（4）与连接杆（5）转动连接，支撑架（6）一端与连接杆（5）转动连接，另一端与小腿末端铰接；所述传动杆系跟随仿人机器人腿部的屈伸运动；

所述传动杆系包括第一传动杆（1）、第二传动杆（2）和第三传动杆（3），第一传动杆（1）一端与第二传动杆（2）一端转动连接，第一传动杆（1）另一端与仿人机器人的大腿转动连接，第二传动杆（2）另一端与仿人机器人的小腿转动连接，第三传动杆（3）一端转动连接在第二传动杆（2）上，第三传动杆（3）另一端与滑块（4）转动连接。

2.根据权利要求1所述的轮足复合仿人机器人的辅助支撑结构，其特征在于，所述第二传动杆（2）连接第三传动杆（3）的位置设置多个轴孔A（11），第三传动杆（3）能够分别与每个轴孔A（11）配合。

3.根据权利要求1所述的轮足复合仿人机器人的辅助支撑结构，其特征在于，所述滑块（4）通过连接杆（5）转动连接支撑架（6），滑块（4）转动连接连接杆（5）的一端，连接杆（5）另一端转动连接支撑架（6）的一端。

4.根据权利要求3所述的轮足复合仿人机器人的辅助支撑结构，其特征在于，所述支撑架（6）通过轴孔B（12）铰接在仿人机器人小腿末端的圆柱轴（7）上，且支撑架（6）能够绕圆柱轴（7）转动。

5.一种根据权利要求1-4任一项所述的轮足复合仿人机器人的辅助支撑结构的控制方法，其特征在于：仿人机器人到达作业位置，当仿人机器人为屈腿状态，膝关节电机执行伸腿指令，带动传动杆系进行转动，使得第一传动杆（1）和第二传动杆（2）之间的夹角变大，第三传动杆（3）末端处的滑块（4）沿滑槽（8）上移，两连接杆（5）一端绕滑块（4）向内转动，进而带动两支撑架（6）收起，支撑轮足复合仿人机器人。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，当仿人机器人作业完成后，膝关节电机执行屈腿指令，带动传动杆系进行转动，使得第一传动杆（1）和第二传动杆（2）之间的夹角变小，第三传动杆（3）末端处的滑块（4）沿滑槽下移，两连接杆（5）一端绕滑块（4）向外转动，进而带动两支撑架（6）撑开向上收起。

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