多足旋转平衡机器人及控制方法与流程

1.本发明涉及机器人领域，尤其涉及多足旋转平衡机器人及控制方法。


背景技术：

2.目前面对复杂地形并没有一种较好的方法方式解决，虽然随着城市的发展平整的路面不断覆盖，但是面对胡同巷落、山脊硅谷、灾区，运输条件总是过于苛刻，以至于一般交通工具无法顺利通过而飞行交通工具也没有很好的起降点。现有的一些机器人，如六足机器人、二组机器人、机械狗、履带具有一定的越过或通过障碍物、台阶、阶梯、山坡、崎岖道路的能力，但是无法实现平稳的载物的能力，不能很好地在凹凸复杂的环境中运输载物。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提出多足旋转平衡机器人及控制方法，以解决上述问题。
4.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
5.多足旋转平衡机器人，包括行走机构、载物机构和传感机构；
6.所述行走机构包括四个支架和控制核，四个所述支架呈米字结构设置，相邻所述支架之间的夹角为45
°
，所述控制核设置在四个所述支架的中心，用于驱动各个所述支架沿其各自的长度方向伸出和缩回；
7.所述载物机构包括载物平台和升降组件，所述升降组件的升降端与所述载物平台传动连接；
8.所述传感机构包括第一控制芯片、第二控制芯片、姿态传感器、第一测距传感器、第二测距传感器和限位开关；
9.所述第一测距传感器设置在各个所述支架的端部，用于检测出支架端部到所述控制核的距离；
10.所述姿态传感器设置在所述控制核，用于检测出所述行走机构的姿态信息；
11.所述限位开关的触点设置在各所述支架的端部，用于检测所述支架的端部是否触底；
12.所述第二测距传感器设置在所述载物平台，用于检测出所述载物平台与所述控制核之间的相对高度；
13.所述第一控制芯片用于实时采集所述行走机构的姿态信息，并根据所述姿态信息控制所述控制核驱动各个所述支架沿其各自的长度方向伸出和缩回；
14.所述第一控制芯片用于实时采集触底的支架端部到所述控制核的距离，计算出所述控制核到地面的高度；
15.所述第二控制芯片与所述第一控制芯片信号连接，所述第二控制芯片用于实时采集所述控制核到地面的高度和所述载物平台与所述控制核之间的相对高度；
16.所述第二控制芯片还用于根据当前帧与上一帧控制核到地面的距离之间的差值得到载物平台的调整量，控制所述升降组件升降所述载物平台，以调整所述载物平台到所
述控制核的相对高度，使载物平台到地面的绝对高度保持不变。
17.进一步，各个所述支架分别具有第一齿条，所述第一齿条的两端分别与所述支架的两端连接，所述第一齿条的延伸方向与所述支架的伸缩方向一致，所述控制核具有第一驱动电机，所述第一驱动电机与所述第一控制芯片信号连接，所述第一驱动电机通过齿轮与所述第一齿条传动连接。
18.进一步，所述升降组件包括第二驱动电机和第二齿条，所述第二齿条竖直设置，所述第二齿条的顶端与所述载物平台连接，所述第二驱动电机通过齿轮与所述第二齿条传动连接。
19.本发明还提供一种多足旋转平衡机器人的控制方法，应用在上述的多足旋转平衡机器人，包括以下步骤：
20.所述第一控制芯片根据所述限位开关识别出当前触底的第一支架和第二支架；
21.所述第一控制芯片根据所述姿态传感器识别出即将要触底的第三支架；
22.所述第一控制芯片控制所述控制核驱动第一支架向下伸出，并控制所述控制核驱动第二支架向上缩回，直到所述限位开关检测到所述第三支架的端部触底；
23.当所述第三支架的端部触底后，所述第一控制芯片控制所述控制核驱动第一支架向上缩回复位；所述第一控制芯片控制所述控制核驱动第二支架向下伸出复位；
24.所述第一控制芯片重新识别第一支架、第二支架和第三支架，循环上述过程完成移动；
25.所述第一控制芯片在移动过程中，实时采集触底的支架端部到所述控制核的距离，并计算出所述控制核到地面的高度；
26.所述第二控制芯片根据当前帧与上一帧控制核到地面的距离之间的差值得到载物平台的调整量，控制所述升降组件升降所述载物平台，以调整所述载物平台到所述控制核的相对高度，使载物平台到地面的绝对高度保持不变。
27.进一步，当所述行走机构在平面行走过程中，所述第一控制芯片根据公式一、公式二和公式三计算出所述控制核到地面的高度；
[0028][0029][0030][0031]
公式一到三中，x为第一支架触底的端部到控制核的距离、y为第二支架触底的端部到控制核的距离，a为第一支架触底的端部与第二支架触底的端部之间的长度，s为控制核、第一支架触底的端部与第二支架触底的端部所构成的三角形的面积，h为核心的高度。
[0032]
进一步，当所述行走机构上台阶的过程中，所述第一控制芯片根据下面公式四、公式五、公式六、公式七、公式八、公式九和公式十计算出所述控制核到地面的高度；
[0033]
d＝ysin45
°ꢀꢀ
公式四；
[0034]
e＝x
‑
ycos45
°ꢀꢀ
公式五；
[0035][0036]
b＝z
‑
s公式七；
[0037][0038][0039][0040]
公式四到十中，x为第一支架触底的端部到控制核的距离、y为第二支架触底的端部到控制核的距离，s为第三支架触底的端部到控制核的距离，d为第二支架触底的端部到第一支架的距离，z为第三支架延伸到地面的端点到控制核的长度，b为第三支架触底的端部延伸至地面的长度，a为第一辅助直角三角形的一条直角边，所述第一辅助直角三角形的另一条直角板为第三支架触底的端部延伸到地面的延伸边，所述第一辅助直角三角形的斜边为地面，e为第二辅助直角三角形的一条直角边，所述第二辅助直角三角形的另一条直角边为第二支架触底的端部到第一支架的垂直线，所述第二辅助直角三角形的斜边为地面，h1为台阶的高度，h为核心的高度。
[0041]
在本发明中，行走机构通过改变重心位置实现行走机构整体翻转向前，相对于履带、机械狗，具有更好的机动性，利于在凹凸不平的地形前行，有效避免行走机构陷在地面。由于行走机构在行走过程中控制核到地面的距离是会变化的。为此，通过第一控制芯片实时计算出控制核到地面的距离，第二控制芯片根据当前帧与上一帧控制核到地面的距离之间的差值得到载物平台的调整量，并根据载物平台的调整量控制升降组件升降载物平台，使控制核到地面的高度和载物平台到控制核的相对高度之和为定值，即使载物平台到地面的绝对高度保持不变，实现载物机构能平稳载物。
附图说明
[0042]
附图对本发明做进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
[0043]
图1是本发明其中一个实施例的结构示意图；
[0044]
图2是本发明其中一个实施例的行走机构在平面移动的示意图；
[0045]
图3是本发明其中一个实施例的行走机构上台阶的移动示意图；
[0046]
图4是本发明其中一个实施例的行走机构在平面移动过程中，计算控制核到地面的分析示意图；
[0047]
图5是本发明其中一个实施例的行走机构上台阶的过程中，计算控制核到地面的分析示意图。
[0048]
附图中：100
‑
行走机构、110
‑
支架、110a
‑
第一支架、110b
‑
第二支架、110c
‑
第三支架、111
‑
第一齿条、120
‑
控制核、200
‑
载物机构、210
‑
载物平台、220
‑
升降组件。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
[0050]
本实施例的多足旋转平衡机器人，包括行走机构100、载物机构200和传感机构；
[0051]
所述行走机构100包括四个支架110和控制核120，四个所述支架110呈米字结构设置，相邻所述支架110之间的夹角为45
°
，所述控制核120设置在四个所述支架110的中心，用于驱动各个所述支架110沿其各自的长度方向伸出和缩回；
[0052]
所述载物机构200包括载物平台210和升降组件220，所述升降组件220的升降端与所述载物平台210传动连接；
[0053]
所述传感机构包括第一控制芯片、第二控制芯片、姿态传感器、第一测距传感器、第二测距传感器和限位开关；
[0054]
所述第一测距传感器设置在各个所述支架110的端部，用于检测出支架端部到所述控制核120的距离；
[0055]
所述姿态传感器设置在所述控制核120，用于检测出所述行走机构100的姿态信息；
[0056]
所述限位开关的触点设置在各所述支架110的端部，用于检测所述支架110的端部是否触底；
[0057]
所述第二测距传感器设置在所述载物平台210，用于检测出所述载物平台210与所述控制核120之间的相对高度；
[0058]
所述第一控制芯片用于实时采集所述行走机构100的姿态信息，并根据所述姿态信息控制所述控制核120驱动各个所述支架110沿其各自的长度方向伸出和缩回；
[0059]
所述第一控制芯片用于实时采集触底的支架端部到所述控制核120的距离，计算出所述控制核120到地面的高度；
[0060]
所述第二控制芯片与所述第一控制芯片信号连接，所述第二控制芯片用于实时采集所述控制核120到地面的高度和所述载物平台210与所述控制核120之间的相对高度；
[0061]
所述第二控制芯片还用于根据当前帧与上一帧控制核120到地面的距离之间的差值得到载物平台210的调整量，控制所述升降组件220升降所述载物平台210，以调整所述载物平台210到所述控制核120的相对高度，使载物平台210到地面的绝对高度保持不变。具体地，若当前帧与上一帧控制核120到地面的距离之间的差值大于零，则第二控制芯片控制升降组件220下降载物平台210，使载物平台210到控制核120的相对高度减小，减小量为当前帧与上一帧控制核120到地面的距离之间的差值的绝对值；若当前帧与上一帧控制核120到地面的距离之间的差值小于零，则第二控制芯片控制升降组件220上升载物平台210，使载物平台210到控制核120的相对高度增大，增大量为当前帧与上一帧控制核120到地面的距离之间的差值的绝对值。
[0062]
在本发明中，行走机构100的行走方法为：首先通过第一控制芯片根据限位开关识别出当前触底的第一支架110a和第二支架110b；第一控制芯片根据姿态传感器识别出即将要触底的第三支架110c。接着，第一控制芯片控制控制核120驱动第一支架110a向下伸出，并控制控制核120驱动第二支架110b向上缩回，使行走机构100的重心向前变化并实现翻转，直到限位开关检测到第三支架110c的端部触底。当第三支架110c的端部触底后，第一控制芯片控制控制核120驱动第一支架110a向上缩回复位；第一控制芯片控制控制核120驱动
第二支架110b向下伸出复位。最后第一控制芯片重新识别出第一支架110a、第二支架110b和第三支架110c，循环上述过程完成翻转移动。行走机构100通过改变重心位置实现行走机构100整体翻转向前，相对于履带、机械狗，具有更好的机动性，利于在凹凸不平的地形前行，有效避免行走机构陷在地面。
[0063]
进一步，由于行走机构100在行走过程中控制核120到地面的距离是会变化的。为此，通过第一控制芯片实时计算出控制核120到地面的距离，第二控制芯片根据当前帧与上一帧控制核120到地面的距离之间的差值得到载物平台210的调整量，并根据载物平台210的调整量控制升降组件220升降载物平台210，使控制核120到地面的高度和载物平台210到控制核120的相对高度之和为定值，即使载物平台210到地面的绝对高度保持不变，实现载物机构200能平稳载物。
[0064]
一些实施例中，各个所述支架110分别具有第一齿条111，所述第一齿条111的两端分别与所述支架110的两端连接，所述第一齿条111的延伸方向与所述支架110的伸缩方向一致，所述控制核120具有第一驱动电机，所述第一驱动电机与所述第一控制芯片信号连接，所述第一驱动电机通过齿轮与所述第一齿条111传动连接。如图1所示，控制核120通过第一驱动电机驱动第一齿条111相对伸出和缩回，从而带动支架110伸出和缩回，实现控制核120驱动各个所述支架110沿其各自的长度方向伸出和缩回。具有结构简单，传动稳定的优点。
[0065]
优选地，所述升降组件220包括第二驱动电机和第二齿条，所述第二齿条竖直设置，所述第二齿条的顶端与所述载物平台210连接，所述第二驱动电机通过齿轮与所述第二齿条传动连接。如图1所示，通过第二驱动电机驱动第二齿条在竖直方向上下升降，从而带动载物平台210上下移动，实现改载物平台210到控制核120之间的相对高度。具有结构简单，传动稳定的优点，利于提高载物机构200载物的稳定性。当然，升降组件220还可以是气缸或液压缸。
[0066]
本发明还提供一种多足旋转平衡机器人的控制方法，应用在上述的多足旋转平衡机器人的任一实施例中，包括以下步骤：
[0067]
所述第一控制芯片根据所述限位开关识别出当前触底的第一支架110a和第二支架110b。具体地，在本实施例中，定义行走机构100行走方向为前方，后脚为第一支架110a，前脚为第二支架110b。
[0068]
所述第一控制芯片根据所述姿态传感器识别出即将要触底的第三支架110c。
[0069]
所述第一控制芯片控制所述控制核120驱动第一支架110a向下伸出，并控制所述控制核120驱动第二支架110b向上缩回，直到所述限位开关检测到所述第三支架110c的端部触底。
[0070]
当所述第三支架110c的端部触底后，所述第一控制芯片控制所述控制核120驱动第一支架110a向上缩回复位；所述第一控制芯片控制所述控制核120驱动第二支架110b向下伸出复位。
[0071]
所述第一控制芯片重新识别第一支架110a、第二支架110b和第三支架110c，循环上述过程完成移动。
[0072]
所述第一控制芯片在移动过程中，实时采集触底的支架端部到所述控制核120的距离，并计算出所述控制核120到地面的高度。
[0073]
所述第二控制芯片根据当前帧与上一帧控制核120到地面的距离之间的差值得到载物平台210的调整量，控制所述升降组件220升降所述载物平台210，以调整所述载物平台210到所述控制核120的相对高度，使载物平台210到地面的绝对高度保持不变。
[0074]
如此，通过行走机构100通过改变重心位置实现行走机构100整体翻转向前，具有良好的机动性，利于在凹凸不平的地形前行。由于行走机构100在行走过程中控制核120到地面的距离是会变化的。为此，通过第一控制芯片实时计算出控制核120到地面的距离，第二控制芯片根据当前帧与上一帧控制核120到地面的距离之间的差值得到载物平台210的调整量，并根据所述载物平台210的调整量控制所述升降组件220升降所述载物平台210，使控制核120到地面的高度和载物平台210到所述控制核120的相对高度之和为定值，即使载物平台210到地面的绝对高度保持不变，实现载物机构200能平稳载物。
[0075]
值得说明的是，参照图2和图4，当所述行走机构100在平面行走过程中，所述第一控制芯片根据公式一、公式二和公式三计算出所述控制核120到地面的高度；
[0076][0077][0078][0079]
公式一到三中，x为第一支架110a触底的端部到控制核120的距离、y为第二支架110b触底的端部到控制核120的距离，a为第一支架110a触底的端部与第二支架110b触底的端部之间的长度，s为控制核120、第一支架110a触底的端部与第二支架110b触底的端部所构成的三角形的面积，h为核心的高度。
[0080]
先根据勾股定理算出第一支架110a触底的端部与第二支架110b触底的端部之间的长度，再根据控制核120、第一支架110a触底的端部与第二支架110b触底的端部所构成的三角形的面积计算出控制核120到地面的距离，实现实时计算出行走机构100在平面行走过程中控制核120到地面的高度。
[0081]
进一步值得说明的是，参照图3和图5，当所述行走机构100上台阶的过程中，所述第一控制芯片根据下面公式四、公式五、公式六、公式七、公式八、公式九和公式十计算出所述控制核120到地面的高度；
[0082]
d＝ysin45
°ꢀꢀ
公式四；
[0083]
e＝x
‑
ycos45
°ꢀꢀ
公式五；
[0084][0085]
b＝z
‑
s公式七；
[0086]
[0087][0088][0089]
公式四到十中，x为第一支架110a触底的端部到控制核120的距离、y为第二支架110b触底的端部到控制核120的距离，s为第三支架110c触底的端部到控制核120的距离，d为第二支架110b触底的端部到第一支架110a的距离，z为第三支架110c延伸到地面的端点到控制核120的长度，b为第三支架110c触底的端部延伸至地面的长度，a为第一辅助直角三角形的一条直角边，所述第一辅助直角三角形的另一条直角板为第三支架110c触底的端部的延伸边，所述第一辅助直角三角形的斜边为地面，e为第二辅助直角三角形的一条直角边，所述第二辅助直角三角形的另一条直角边为第二支架110b触底的端部到第一支架110a的垂直线，所述第二辅助直角三角形的斜边为地面，h1为台阶的高度，h为核心的高度。依据相似三角形定理和勾股定理，实时计算出行走机构100上台阶过程中控制核120到地面的高度，以实现行走机构100上台阶时仍能保证载物机构200载物的稳定性。同理，本实施例的计算过程还适用于行走机构100在凹凸底面行走过程中，实时计算出控制核120到地面的高度。
[0090]
根据本发明实施例的多足旋转平衡机器人及控制方法的其他构成等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
[0091]
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0092]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.多足旋转平衡机器人，其特征在于：包括行走机构、载物机构和传感机构；所述行走机构包括四个支架和控制核，四个所述支架呈米字结构设置，相邻所述支架之间的夹角为45
°
，所述控制核设置在四个所述支架的中心，用于驱动各个所述支架沿其各自的长度方向伸出和缩回；所述载物机构包括载物平台和升降组件，所述升降组件的升降端与所述载物平台传动连接；所述传感机构包括第一控制芯片、第二控制芯片、姿态传感器、第一测距传感器、第二测距传感器和限位开关；所述第一测距传感器设置在各个所述支架的端部，用于检测出支架端部到所述控制核的距离；所述姿态传感器设置在所述控制核，用于检测出所述行走机构的姿态信息；所述限位开关的触点设置在各所述支架的端部，用于检测所述支架的端部是否触底；所述第二测距传感器设置在所述载物平台，用于检测出所述载物平台与所述控制核之间的相对高度；所述第一控制芯片用于实时采集所述行走机构的姿态信息，并根据所述姿态信息控制所述控制核驱动各个所述支架沿其各自的长度方向伸出和缩回；所述第一控制芯片用于实时采集触底的支架端部到所述控制核的距离，计算出所述控制核到地面的高度；所述第二控制芯片与所述第一控制芯片信号连接，所述第二控制芯片用于实时采集所述控制核到地面的高度和所述载物平台与所述控制核之间的相对高度；所述第二控制芯片还用于根据当前帧与上一帧控制核到地面的距离之间的差值得到载物平台的调整量，控制所述升降组件升降所述载物平台，以调整所述载物平台到所述控制核的相对高度，使载物平台到地面的绝对高度保持不变。2.根据权利要求1所述的一种多足旋转平衡机器人，其特征在于：各个所述支架分别具有第一齿条，所述第一齿条的两端分别与所述支架的两端连接，所述第一齿条的延伸方向与所述支架的伸缩方向一致，所述控制核具有第一驱动电机，所述第一驱动电机与所述第一控制芯片信号连接，所述第一驱动电机通过齿轮与所述第一齿条传动连接。3.根据权利要求1所述的一种多足旋转平衡机器人，其特征在于：所述升降组件包括第二驱动电机和第二齿条，所述第二齿条竖直设置，所述第二齿条的顶端与所述载物平台连接，所述第二驱动电机通过齿轮与所述第二齿条传动连接。4.一种多足旋转平衡机器人的控制方法，应用在如权利要求1
‑
3任一项所述的多足旋转平衡机器人，其特征在于：包括以下步骤：所述第一控制芯片根据所述限位开关识别出当前触底的第一支架和第二支架；所述第一控制芯片根据所述姿态传感器识别出即将要触底的第三支架；所述第一控制芯片控制所述控制核驱动第一支架向下伸出，并控制所述控制核驱动第二支架向上缩回，直到所述限位开关检测到所述第三支架的端部触底；当所述第三支架的端部触底后，所述第一控制芯片控制所述控制核驱动第一支架向上缩回复位；所述第一控制芯片控制所述控制核驱动第二支架向下伸出复位；所述第一控制芯片重新识别第一支架、第二支架和第三支架，循环上述过程完成移动；
所述第一控制芯片在移动过程中，实时采集触底的支架端部到所述控制核的距离，并计算出所述控制核到地面的高度；所述第二控制芯片根据当前帧与上一帧控制核到地面的距离之间的差值得到载物平台的调整量，控制所述升降组件升降所述载物平台，以调整所述载物平台到所述控制核的相对高度，使载物平台到地面的绝对高度保持不变。5.根据权利要求4所述的一种多足旋转平衡机器人的控制方法，其特征在于：当所述行走机构在平面行走过程中，所述第一控制芯片根据公式一、公式二和公式三计算出所述控制核到地面的高度；制核到地面的高度；制核到地面的高度；公式一到三中，x为第一支架触底的端部到控制核的距离、y为第二支架触底的端部到控制核的距离，a为第一支架触底的端部与第二支架触底的端部之间的长度，s为控制核、第一支架触底的端部与第二支架触底的端部所构成的三角形的面积，h为核心的高度。6.根据权利要求4所述的一种多足旋转平衡机器人的控制方法，其特征在于：当所述行走机构上台阶的过程中，所述第一控制芯片根据下面公式四、公式五、公式六、公式七、公式八、公式九和公式十计算出所述控制核到地面的高度；d＝ysin45
°ꢀꢀꢀꢀꢀ
公式四；e＝x
‑
ycos45
°ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式五；b＝z
‑
s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式七；公式七；公式七；公式四到十中，x为第一支架触底的端部到控制核的距离、y为第二支架触底的端部到控制核的距离，s为第三支架触底的端部到控制核的距离，d为第二支架触底的端部到第一支架的距离，z为第三支架延伸到地面的端点到控制核的长度，b为第三支架触底的端部延伸至地面的长度，a为第一辅助直角三角形的一条直角边，所述第一辅助直角三角形的另一条直角板为第三支架触底的端部延伸到地面的延伸边，所述第一辅助直角三角形的斜边为地面，e为第二辅助直角三角形的一条直角边，所述第二辅助直角三角形的另一条直角边为
第二支架触底的端部到第一支架的垂直线，所述第二辅助直角三角形的斜边为地面，h1为台阶的高度，h为核心的高度。
技术总结
本发明公开了多足旋转平衡机器人及控制方法，涉及机器人领域。在本发明中，行走机构通过改变重心位置实现行走机构整体翻转向前，相对于履带、机械狗，具有更好的机动性，利于在凹凸不平的地形前行，有效避免行走机构陷在地面。由于行走机构在行走过程中控制核到地面的距离是会变化的。为此，通过第一控制芯片实时计算出控制核到地面的距离，第二控制芯片根据当前帧与上一帧控制核到地面的距离之间的差值得到载物平台的调整量，并根据载物平台的调整量控制升降组件升降载物平台，使控制核到地面的高度和载物平台到控制核的相对高度之和为定值，即使载物平台到地面的绝对高度保持不变，实现载物机构能平稳载物。实现载物机构能平稳载物。实现载物机构能平稳载物。


技术研发人员：缪文南 朱俊杰 万晓曦 周政 傅凯铨 程燕玲
受保护的技术使用者：华南理工大学广州学院
技术研发日：2021.03.25
技术公布日：2021/6/29