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。

本发明提供了一种含有平衡装置的轮足机器人，如图1所示，轮足机器人包括：机身1、平衡装置2和两个对称安装于所述机身1两侧的腿部。

如图6所示，平衡装置2包括多个骨式结构21、钢绳组22、多个连接关节23和如图7所示的电机组24和如图8所示的机械手25，其中机械手25为可选择结构，当需要抓取的时候可以连接机械手25，当有其他需要的时候，可以根据实际情况连接满足其他需要的其他结构。

如图6所示，骨式结构21与连接关节23交替设置且转动连接，钢绳组22的一端依次穿过连接关节23，用于将连接关节23和骨式结构21串联连接。如图7所示，钢绳组22的另一端缠绕连接于电机组24。

如图10所示，钢绳组22包括两条水平钢绳33和两条竖直钢绳32，水平钢绳33和竖直钢绳32穿过连接通孔，实现钢绳组22与连接关节23连接。水平钢绳在电机组24上缠绕，实现控制平衡装置2在水平方向上的运动；竖直钢绳在电机组24上缠绕，实现控制平衡装置2在竖直方向上的运动。

如图7所示，钢绳组22在水平方向运动状态，当平衡装置2向水平方向左端运动时，电机组24牵引左边的水平钢绳33收紧，右边的水平钢绳33的收紧程度低于左边，实现平衡装置2向左边摆动。同理，平衡装置2需要在竖直方向上，朝着上方移动时，电机组24牵引上边的竖直钢绳32收紧，下方的竖直钢绳32的收紧程度低于上边，实现平衡装置2向上摆动。

位于平衡装置2的两端的连接关节23设置有连接结构，连接结构可以分别与机身1的后端和机械手25连接。在一具体实施例中，该连接结构可以是螺纹结构。

平衡装置2的工作模式包括平衡模式和抓取模式；

当平衡装置2处于平衡模式时，电机组24牵引水平钢绳和竖直钢绳，带动连接关节23、骨式结构21运动，改变平衡装置2的姿态，从而实现机器人的质心调整，达到平衡状态。平衡模式主要作用于机器人将要倾倒的状态下，通过摆动平衡装置2使机器人保持稳定，其运作方式如下：首先位于机器人机身1的陀螺仪检测机器人发生倾倒，将相关姿态信息传递至控制算法。之后控制算法通过机身动力学模型获得尾部质心的摆动轨迹及速度，控制尾部摆角的电机组24运动，牵引水平钢绳和竖直钢绳依次带动骨式结构21、连接关节23和机械手25运动，实现机器人质心的调整。

当平衡装置2处于抓取模式时，电机组24牵引水平钢绳和竖直钢绳，带动平衡装置2运动，实现机械手25的位置调整，进而抓取物体。该实施方式用于机器人抓取某个物品时，通过平衡结构运动控制末端机械手抓取物体，其运作方式如下：首先感知模块获取待抓取目标的位置信息，并将其位置和姿态信息传递至控制算法，之后位于机身的控制尾部摆角的电机组24运动，牵引水平钢绳和竖直钢绳依次带动骨式结构21、连接关节23和机械手25运动，实现机械臂末端位置的调整，最后尾部末端机械臂通过末端的夹取装置夹取目标物体，从而完成物品的抓取。

如图6所示，骨式结构21为球形连杆结构，包括两端的球体和固定连接于两个球体之间的连杆。在一优选实施例中，连接关节23的形状为圆台形，连接关节23两端面均设有半圆形凹槽，凹槽的直径与球体的直径相匹配。连接关节23的底部外侧均匀分布有4个连接块，连接块的顶部设置有连接通孔，连接通孔用于容纳钢绳组的钢绳。

如图2所示，机身1设置有动力轮伞齿轮5、驱动电机6、腿部纵向电机7和腿部前向电机8，驱动电机6的输出轴与动力轮伞齿轮5固定连接。与传统的机器人将电机置于膝关节的位置相比，本发明通过调节电机的位置，将电机设置于双足机器人的机身上，能够允许更大功率和更低能耗的电机对轮式部件进行驱动，在提升速度的同时有效降低了能量的消耗。

如图3所示，腿部包括大腿部、小腿部3以及轮式部件4。大腿部铰接于所述机身1与所述小腿部3之间，

轮式部件4包括同轴且固定连接的主动轮19和轮接伞齿轮20，主动轮19转动安装于大腿部与小腿部3的铰接轴。

如图4所示，小腿部3包括支撑内筒12、齿轮传动机构和足端套件13。齿轮传动机构相对转动地套设于支撑内筒12，支撑内筒12的顶端与大腿部铰接，底端固定安装有足端套件13。在图4所示的实施例中，齿轮传动机构包括小腿输出伞齿轮14、小腿传动套筒15和小腿输入伞齿轮16。小腿传动套筒15相对转动地套设于支撑内筒12的外周侧，小腿传动套筒15在朝向大腿部的一端固定连接有小腿输出伞齿轮14，在远离大腿部的一端固定连接有小腿输入伞齿轮16。支撑内筒12的两端部设置有限位凸缘，小腿传动套筒15的内周侧设置有限位凹槽，限位凸缘形状配合地容置于限位凹槽内，从而保证在有效传输动力的同时，支撑内筒和小腿传动套筒不会发生相对滑动，有利于双足机器人的稳定行进。

如图4所示，小腿部3还包括轴承一17和轴承二18。支撑内筒12与小腿传动套筒15通过轴承一17和轴承二18连接，轴承一17位于支撑内筒12靠近轮式部件4的一端，轴承二18位于支撑内筒12靠近足端套件13的一端。足端套件13采用点状脚(Point-foot)结构，与传统的板状足端的支撑结构相比，能够减轻足端质量。

本发明的一种含有平衡装置的轮足机器人的运动状态包括足式运动状态和轮式运动状态。

本发明中，轮足机器人处于足式运动状态时，腿部纵向电机7和腿部前向电机8提供驱动力，通过连杆系统驱动足端套件13运动。具体控制机器人运动的实施步骤如下：1)通过轨迹规划算法根据机器人质心状态和动力学模型对足端轨迹进行规划；2)通过关节解算算法将笛卡尔坐标系下的足端轨迹转化为机身1与大腿连杆9的角度，和大腿连杆9与小腿部3的角度；3)将大腿连杆9与小腿部3的角度通过连杆系统解算为腿部纵向电机7的角度；4)驱动电机6驱动算法，腿部纵向电机7和腿部前向电机8提供前进动力，通过连杆系统传动，驱动足端套件13运动。

当足端套件13受到冲击时，冲击力延杆向传递至大腿连杆9，部分杆向冲击力通过大腿减震弹簧10得以吸收。

当机器人感知周围环境多为结构化地形时，机器人由足式运动状态切换为轮式运动状态。当轮足机器人处于轮式运动状态时，动力轮伞齿轮5与小腿输入伞齿轮16啮合主动轮19接触地面；行进时，驱动电机6驱动动力轮伞齿轮5转动，动力轮伞齿轮5通过齿轮传动机构带动轮接伞齿轮20转动，轮接伞齿轮20带动主动轮19转动，实现机器人的运动。具体为，动力轮伞齿轮5转动依次带动小腿输入伞齿轮16、小腿传动套筒15、小腿输出伞齿轮14、轮接伞齿轮20、主动轮19转动，通过控制算法实现动态平衡。

在大腿部设置有两个大腿连杆9、大腿减震弹簧10、阻尼杆。两个大腿连杆9相对设置，其中，一个大腿连杆9与机身铰接，另一个大腿连杆9与小腿部3铰接。大腿减震弹簧10套设于阻尼杆，并固定连接于两个大腿连杆9之间。大腿减震弹簧10、阻尼杆组成了弹簧阻尼元件，该元件在足式运动状态和轮式运动状态均可以发挥缓震和吸收存储能量的作用。

当机器人的运动状态为轮式运动状态时，大腿部、小腿部3和机身1呈直角三角形结构，大腿部和机身1形成直角三角形的两个直角边，小腿部3形成直角三角形的斜边，如图9所示。此时弹簧阻尼元件可以实现同汽车相似的减震效果，减少冲击对机身和电机的危害。在足式运动状态的阶段，弹簧阻尼元件对吸收转化大腿部的杆向冲击力起良好作用。综上所述，该弹簧阻尼元件的设计可以实现在机器人“落腿”阶段压缩储存能量，同时消耗部分能量减轻电机峰值力矩；在机器人“抬腿”阶段，舒张释放能量，进而提高能量利用率。

如图2所示，本发明的机器人的连杆系统包括连杆一26、连杆二27、髋关节板28和小腿传动连杆11。

连杆一26的一端铰接于腿部纵向电机7的输出轴，另一端与连杆二27的一端铰接。连杆二27的另一端与髋关节板28铰接，髋关节板28与腿部前向电机8铰接。小腿传动连杆11与大腿连杆9平行设置，且小腿传动连杆11与大腿连杆9均与支撑内筒12铰接，并且大腿连杆9与支撑内筒12形成第一铰接点，小腿传动连杆11和支撑内筒12之间形成第二铰接点，第一铰接点位于足端套件13和第二铰接点之间。

如图5所示，展示的是本发明的连杆系统动力传动原理，其中包括了大腿连杆组29、中继连杆组30和小腿连杆组31，在具体的实施例中，这些连杆组并不全是简单的连杆组合，实际是通过把机器人的部分腿部和机身结构简化成了连杆的形式，从而便于本领域的技术人员更好地理解本发明的机器人的动力传输原理。例如，大腿连杆组29包括连杆一26、连杆二27，但实际实施的过程中，腿部纵向电机7和腿部前向电机8之间也是可以有连杆存在的，只是图5中没有展示出来。而中继连杆组30则是有髋关节板28简化而来，小腿连杆组31则是简化了包括大腿部的大腿连杆9和小腿传动连杆11的结构。图5所展示的连杆系统原理图，只是一种举例的方式，用于说明本发明的动力传输过程和传输方式，并用于限定具体的特征，在具体实施过程中，可以根据实际情况对连杆系统进行调整。

在一优选实施例中，机身1的材料为铝合金，连杆系统的材料为碳纤维。采用铝合金和碳纤维来制作机器人的腿部结构件，类似于人类的骨骼，从而支撑机器人的整体。用轻型、有一定强度的铝合金材料来制作机器人的机身和髋关节板，模拟人类的髋关节从而支持机器人的行走与稳定。

以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。