轮腿机器人及轮腿的智能切换方法

摘要

本发明涉及轮腿机器人及轮腿的智能切换方法，机器人检测并计算要行走路况前后、左右倾斜情况，并与对应的设定倾斜范围进行比较，以判断是否进行行走方式的切换，若是需要进行切换，则通过舵机控制器控制各舵机动作进行轮腿切换，若是无需切换，则继续先前的行走方式继续行进；本发明无需操作者手眼高度精准的配合，也无需实时跟踪进行操作，且若是机器人在行进过程中遇到路况的改变能够自动进行轮腿的切换，顺利到达既定目标，提高了机器人的智能化。

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种轮腿机器人及轮腿机器人的轮腿智能切换方法。

背景技术

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，但是腿式机器人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。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。但是轮式机器人与腿式机器人相比，其对地形的适应性较差，很少可以跨越高度或爬楼梯。

随着社会的不断发展，为解决复杂的路面行走问题，中国专利ZL201110089738.6公开了一种轮腿机器人，该机器人包括单片机及由其输出连接的舵机控制器，该舵机控制器控制连接四条结构相同的具有轮、足两用功能的腿上的各路舵机，这种轮腿机器人同时具备腿式机器人地形适应性强和轮式机器人机动速度高的优点，但是该机器人的轮腿切换全是操作者通过对路况的判断来手动完成，即操作者控制机器人在平坦的路面上轮式走动，若是遇到障碍或者路况改变，通过操作者的手动操作将轮式滑动模式切换为腿式行走模式，若是没有操作者的操作，那么机器人将直接被障碍阻隔无法继续行进或者不能快速到达既定目标，这种人工手动的切换模式对操作者的操作精准度要求较高，且需操作者很清楚机器人行走的路况，但是对所有行走路况的了解尤其是对机器人执行突发任务是不现实的，这就急需解决机器人行走过程中根据路况自动切换行走模式的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种轮腿机器人的轮腿智能切换方法，以解决轮腿机器人在行进过程中必须有操作者实时参与，否则机器人无法到达既定目标的问题。

本发明的另一目的是提供一种轮腿机器人，以实现机器人根据路况自动进行行走模式的切换。

为实现发明目的，本发明的轮腿机器人包括单片机及由其输出连接的舵机控制器，该舵机控制器控制连接四条结构相同的具有轮、足两用功能的腿上的各路舵机，还包括用于检测机器人底板前、后、左、右向离地距离的超声波测距系统。

进一步的，所述超声波测距系统包括并排设于机器人底板前方的至少两个前超声波发生器和设于机器人底板后方的至少一个后超声波发生器，且后超声波发生器中的至少一个位于所述前超声波发生器中的一个的正后方。

进一步的，所述超声波测距系统包括设于机器人底板左侧的至少一个左超声波发生器和设于机器人底板上右侧的至少一个右超声波发生器，且右超声波发生器中的至少一个位于所述左超声波发生器中的一个的正右方。

进一步的，所述超声波测距系统包括设于机器人底板左侧的至少一个左超声波发生器和设于机器人底板上右侧的至少一个右超声波发生器。

进一步的，还包括单片机输出连接的显示屏。

为实现发明目的，本发明的轮腿机器人的轮腿智能切换方法技术方案如下：机器人检测并计算要行走路况前后、左右倾斜情况，并与对应的设定倾斜范围进行比较，以判断是否进行行走方式的切换，若是需要进行切换，则通过舵机控制器控制各舵机动作进行轮腿切换，若是无需切换，则继续先前的行走方式继续行进。

进一步的，所述机器人检测是通过超声波测距系统测得机器人的底板前、后、左、右向距离地面的距离。

进一步的，所述机器人根据测得的底板前、后、左、右向离地的距离，分别进行前后向距离差值计算、左右向距离差值计算，得到前后、左右倾斜情况。

进一步的，机器人当前行走状况或静止状态为轮式行走方式时，将计算得到的当前前后、左右距离差值分别与设定的轮式前后、左右设定倾斜范围进行比较，若是当前前后、左右距离差值均在对应的轮式前后、左右设定倾斜范围内，则继续以轮式行走方式行进；若是当前前后、左右距离差值中的任一个不在对应的轮式前后、左右设定倾斜范围内，则通过舵机控制器控制各舵机动作切换为腿式行走方式行进。

进一步的，机器人当前行走状况或静止状态为腿式行走方式时，将计算得到的当前前后、左右距离差值分别与设定的腿式前后、左右设定倾斜范围进行比较，若是当前前后、左右距离差值均在对应的腿式前后、左右设定倾斜范围内，则继续以腿式行走方式行进；若是当前前后、左右距离差值中的任一个不在对应的腿式前后、左右设定倾斜范围内，则通过舵机控制器控制各舵机动作切换为轮式行走方式行进。

本发明的轮腿机器人利用超声波测距系统测得底板到地面的距离上传给单片机，单片机依据上传的距离进行处理、分析，若是需要切换就向舵机控制器发出轮腿切换指令，舵机控制器根据指令控制各对应舵机动作实现轮式、腿式行走方式的切换，由此，机器人通过对路况的自行检测及分析判断，自动进行轮腿切换，实现智能轮腿切换功能。

本发明的轮腿机器人的轮腿智能切换方法，机器人自动检测并计算要行走路况前后、左右倾斜情况，并与对应的设定倾斜范围进行比较，以判断是否进行行走方式的切换，若是需要进行切换，则通过舵机控制器控制各舵机动作进行轮腿切换，若是无需切换，则继续先前的行走方式继续行进。这种切换方法无需操作者手眼高度精准的配合，也无需实时跟踪进行操作，且若是机器人在行进过程中遇到路况的改变能够自动进行轮腿的切换，顺利到达既定目标，提高了机器人的智能化。

附图说明

图1是轮腿机器人实施例的控制原理图；

图2是轮腿机器人实施例的侧视图；

图3是轮腿机器人实施例的立体图；

图4是轮腿机器人实施例的俯视图；

图5是轮腿切换方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示的轮腿机器人，该轮腿机器人的底板分为上底板和下底板，两底板固定连接，下底板上设置有四条结构相同的具有轮、腿两用功能的腿，且腿上设置有多个舵机控制实现轮腿的切换，该轮腿机器人上设置有STC89C52单片机及由单片机输出连接的LCD1602显示屏和32路舵机控制器，该舵机控制器控制连接四条腿上的各路舵机，该轮腿机器人上设有超声波测距系统，用于检测机器人底板前、后、左、右向离地距离，本超声波测距系统包括并排设于机器人底板前方的第一、第二超声波发生器和设于机器人底板后方的第三、第四超声波发生器，且第一、第三超声波发生器正对应设置，第二、第四超声波发生器正对应设置，所谓正对应设置即是第三超声波发生器位于第一超声波发生器的正后方，第四超声波发生器位于第二超声波发生器的正后方，可差值第一、第二超声波发生器的离地距离得到左右距离差，可差值第一、第三超声波发生器的离地距离或差值第二、第四超声波发生器的离地距离得到前后距离差。关于超声波发生器的设置也可设于底板的左右侧，只要能够通过差值计算得到机器人的左右、前后距离差即可。

这种智能切换轮腿机器人，在复位状态下处于轮式静止状态，此时，超声波测距系统13随着STC89C52单片机时钟脉冲，循环地每隔一段时间进行测距，并不断进入定时中断，分别求得前后、左右距离差，并在LCD1602液晶显示器上显示出来，STC89C52单片机依据这个差值可以大概估出地面的状况，若差值在设定倾斜范围内，机器人就通过串口通讯把指令传输给32路舵机控制器，再控制各路舵机进行轮式滑行；若差值超出这个设定倾斜范围,则再由32路舵机控制器控制各路舵机进行腿式走动。由此，通过对路况的自行检测，自动控制机器人进行轮腿切换，实现轮腿切换转换功能。

具体切换过程中各种变化如图2-4所示进行详细说明。

机器人当前行走状况或静止状态为腿式行走方式时，将计算得到的当前前后、左右距离差值分别与设定的腿式前后、左右设定倾斜范围进行比较，若是当前前后、左右距离差值均在对应的腿式前后、左右设定倾斜范围内，则继续以腿式行走方式行进；若是当前前后、左右距离差值中的任一个不在对应的腿式前后、左右设定倾斜范围内，则通过舵机控制器控制各舵机动作切换为轮式行走方式行进。

轮腿机器人轮式动作切换为腿式的过程如下：单片机将各个舵机的PWM信号通过串口通讯传给32路舵机控制器，32路舵机控制器接收到PWM信号后，第二舵机2向外翻转90°，使得第一舵机1、第二舵机2所在直线与第二舵机2、第三舵机3所在直线相互垂直，同时使第一舵机1以一定转速转动，由于第一舵机1与轮轴过盈配合，则轮子也会跟着转动，四条腿同时按照上述方式控制，机器人可以在很短时间内由腿式转化成轮式，并达到平衡状态，然后顺利前行。控制四条腿的第一舵机1的PWM信号可以实现机器人的前进和后退，再调整舵机间的相互位置，则可以实现机器人的左右转向。

机器人当前行走状况或静止状态为轮式行走方式时，将计算得到的当前前后、左右距离差值分别与设定的轮式前后、左右设定倾斜范围进行比较，若是当前前后、左右距离差值均在对应的轮式前后、左右设定倾斜范围内，则继续以轮式行走方式行进；若是当前前后、左右距离差值中的任一个不在对应的轮式前后、左右设定倾斜范围内，则通过舵机控制器控制各舵机动作切换为腿式行走方式行进。

轮腿机器人腿式动作过程如下：各舵机状态如图2-4所示，机器人处于复位状态，进行腿式前行时，单片机将各个舵机的PWM信号通过串口通讯传给32路舵机控制器，32路舵机控制器接收到PWM信号后，首先，指令一控制第六舵机6逆时针转动一定角度，同时控制第五舵机5、第九舵机9、第十舵机10也转动少量角度，此时机器人的第一条腿被抬起，另外三条腿大致呈三角形分布，稳定的支撑整个身重，保持整体平衡；指令二控制第七舵机7顺时针转动一定角度，从而使机器人的第一条腿向前迈了一步；指令三控制第八舵机8逆时针转动一定角度，同时控制第五舵机5、第七舵机7、第十舵机10也转动少量角度，此时机器人的第二条腿被抬起，另外三条腿呈三角形分布，稳定的支撑整个身重，保持整体平衡；指令四控制第九舵机9顺时针转动一定角度，从而使机器人的第二条腿向前迈了一步；指令五控制第四舵机4顺时针转动一定角度，同时第七舵机7、第九舵机9、第十舵机10也些许转动少量角度，此时机器人的第三条腿被抬起，另外三条腿呈三角形分布，稳定的支撑整个身重，保持整体平衡；指令六控制第五舵机5逆时针转动一定角度，从而使机器人的第三条腿向前迈了一步；指令七控制第十一舵机11顺时针转动一定角度，同时第五舵机5、第七舵机7、第九舵机9也些许转动少量角度，此时机器人的第四条腿被抬起，另外三条腿呈三角形分布，稳定的支撑整个身重，保持整体平衡；指令八控制第十舵机10逆时针转动一定角度，从而使机器人的第四条腿向前迈了一步；指令九同时控制第七舵机7、第九舵机9逆时针转动到复位状态的角度，第五舵机5、第十舵机10顺时针转动复位状态的角度，则底板12随着整身向前移动并完成复位动作。最后，以上九条指令构成该机器人腿式运动的一个循环。