多功能六足侦察机器人及其控制方法

1.本发明涉及机器人领域，尤其涉及多功能六足侦察机器人及其控制方法。


背景技术：

2.在不规则的战场(如布满障碍物、存在较多凹陷、凸起的地形)中进行长时间探测的问题，目前的侦察手段有使用无人机探测，普通地面机器人探测或使用人员、军犬探测，均存在很多不足。共性问题为：
3.1.隐蔽性差，无法长时间隐蔽自身
4.2.功能较为单一，携带能力差。
5.3.工作时间短，续航能力不足。
6.此外，无人机可适用的场景少。对于平原等环境可以高效完成侦察任务，但在复杂环境如森林或废墟中则无法工作。
7.对于人员或军犬侦察，还存在以下问题：
8.1.可能造成我方有生力量的伤亡，且需要定期补给。
9.2.运输困难，需要考虑人员或军犬的投送及返回。
10.对于普通的地面机器人，如轮式机器人或履带式机器人侦察，还存在以下问题：无法兼顾越障能力和行动能力。轮式机器人移动较快，但越障能力弱。履带式机器人在越障能力上有提升，但对于台阶等短距离内有较大高度落差的地形还是较难翻越，且行动能力不足。
11.较难做到全封闭，可靠性差。一般不能够实现高可靠性、高移动运载能力的多功能六足侦察机器人，以能够更好地适应战场环境，执行侦察或定向爆破任务。因此提出多功能六足侦察机器人及其控制方法。


技术实现要素：

12.本发明的目的在于提供多功能六足侦察机器人及其控制方法，解决了现有的无人机、普通机器人和人员军犬侦察手段不具有高可靠性、高移动运载能力，以更好地适应战场环境，执行侦察或定向爆破任务的问题。
13.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：多功能六足侦察机器人，包括机器人主体、舱体，且主体内安装有主控板，所述主体周围通过舵机安装有主关节，每个所述主关节上均通过舵机转动安装有主足，且主足的上端通过舵机安装有铲装执行器，而另一端固定安装有橡胶块，所述铲装执行器的另一端还固定连接有副足，所述主关节安装有主动轮，所述铲装执行器铺装有太阳能板，所述舱体的外侧面阵列设置有多个孔位，且舱体的上端安装有天线。
14.优选的，所述主关节一端通过舵机与主体水平的转动安装，且另一端安装有主足。
15.优选的，所述主足为弯折型，且在弯折点处通过舵机与主关节远离主体的一端转动安装。
16.优选的，所述铲装执行器通过舵机与主足的上端转动安装，且铲装执行器在其的下端固定连接有副足，并延伸在主足的外侧。
17.优选的，每个所述孔位内均容纳有一个机器人主体，且机器人主体上还安装有度可伸缩摄像头，所述机器人主体内还设置有弹药舱。
18.多功能六足侦察机器人的控制方法，包括以下步骤：
19.s1：机器人每条腿按照一定的顺序和轨迹完成抬腿和放腿的运动过程为步态，机器人完成一个步态所需要的时间，即所有腿都完成一次从抬腿到放腿的过程所消耗的时间为步态周期，用t进行表示，在整个过程中机器人完成了机体的过渡；
20.s2：机器人的支撑腿从离开地面开始，在空中进行摆动，还未落地的状态为摆动相，机器人腿部落地后，支撑机器人机体时的状态为支撑相；
21.s3：机器人每个步态周期内支撑相所占时间ts与步态周期t的比值为占地系数，即：
[0022][0023]
s4：经过整个步态周期，机器人在行走过程中机体的质心以地面为参考物行走的长度为步距，用s进行表示，机器人在行进过程中，足端在支撑相内相对于机体前进或后退的水平距离为足行程，用r表示。足行程r与步距s之间的关系为：
[0024]
r＝βsꢀꢀ
(2)
[0025]
s5：步距s与支撑时间ts的比值为移动速度，用v表示，可得关系式：
[0026][0027]
s6：机器人的重心在支撑面的垂直投影到由支撑足与支撑面接触点形成的支撑多边形的最短距离为稳定裕度。
[0028]
优选的，所述控制步态可以为二步态、三步态、六步态。
[0029]
与相关技术相比较，本发明提供的多功能六足侦察机器人及其控制方法具有如下有益效果：
[0030]
1、在六只足的基础上添加了六只长副足，也就意味着该机器人可以至多同时拥有12个触地点，增加了站立及翻越障碍物时的稳定性。
[0031]
2、在足上装配了轮子，可以根据不同地形状况由机器人自主选择短足触地，长足触地或轮子触地行进，加快行进速度，提高越障能力。
[0032]
3、各足的末端装配了铲状执行器，机身全部密封，可通过掘土、掘沙来隐藏自身，达到在战场中长期探测的能力。
[0033]
4、搭载了360度旋转可伸缩双目摄像头和天线，便于侦察和回传数据。
[0034]
5、搭载弹药舱，便于自毁或杀伤敌方单位。
[0035]
6、搭载大面积太阳能板，保证长时间续航能力。
[0036]
7、搭配母舱，利用电磁弹射技术发射机器人，便于深入敌后。
附图说明
[0037]
图1为本发明的多功能六足侦察机器人的结构示意图。
[0038]
图2为本发明的多功能六足侦察机器人的仰视结构示意图。
[0039]
图3为本发明的多功能六足侦察机器人的舱体结构示意图。
[0040]
图4为本发明的多功能六足侦察机器人及其控制方法的二步态示意图与相图。
[0041]
图5为本发明的多功能六足侦察机器人及其控制方法的二步态实图。
[0042]
图6为本发明的多功能六足侦察机器人及其控制方法的三步态示意图与相图。
[0043]
图7为本发明的多功能六足侦察机器人及其控制方法的六步态示意图与相图。
[0044]
图8为本发明的多功能六足侦察机器人的舱体四周弹射渲染图。
[0045]
图中：1、机器人主体；2、主关节；3、主足；4、橡胶块；5、主动轮；6、铲装执行器；7、副足；8、太阳能板；9、舱体；10、孔位；11、天线。
具体实施方式
[0046]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：多功能六足侦察机器人，包括机器人主体1、舱体9，且主体1内安装有主控板，主体1周围通过舵机安装有主关节2，每个主关节2上均通过舵机转动安装有主足3，且主足3的上端通过舵机安装有铲装执行器6，而另一端固定安装有橡胶块4，铲装执行器6的另一端还固定连接有副足7，主关节2安装有主动轮5，铲装执行器6铺装有太阳能板8，舱体9的外侧面阵列设置有多个孔位10，且舱体9的上端安装有天线11。
[0048]
主关节2一端通过舵机与主体1水平的转动安装，且另一端安装有主足3。
[0049]
主足3为弯折型，且在弯折点处通过舵机与主关节2远离主体1的一端转动安装。
[0050]
铲装执行器6通过舵机与主足3的上端转动安装，且铲装执行器6在其的下端固定连接有副足7，并延伸在主足3的外侧。
[0051]
每个孔位10内均容纳有一个机器人主体1，且机器人主体1上还安装有360度可伸缩摄像头，机器人主体1内还设置有弹药舱。
[0052]
多功能六足侦察机器人的控制方法，包括以下步骤：
[0053]
s1：机器人每条腿按照一定的顺序和轨迹完成抬腿和放腿的运动过程为步态，机器人完成一个步态所需要的时间，即所有腿都完成一次从抬腿到放腿的过程所消耗的时间为步态周期，用t进行表示，在整个过程中机器人完成了机体的过渡；
[0054]
s2：机器人的支撑腿从离开地面开始，在空中进行摆动，还未落地的状态为摆动相，机器人腿部落地后，支撑机器人机体时的状态为支撑相；
[0055]
s3：机器人每个步态周期内支撑相所占时间ts与步态周期t的比值为占地系数，即：
[0056][0057]
s4：经过整个步态周期，机器人在行走过程中机体的质心以地面为参考物行走的长度为步距，用s进行表示，机器人在行进过程中，足端在支撑相内相对于机体前进或后退
的水平距离为足行程，用r表示。足行程r与步距s之间的关系为：
[0058]
r＝βsꢀꢀ
(2)
[0059]
s5：步距s与支撑时间ts的比值为移动速度，用v表示，可得关系式：
[0060][0061]
s6：机器人的重心在支撑面的垂直投影到由支撑足与支撑面接触点形成的支撑多边形的最短距离为稳定裕度。
[0062]
控制步态可以为二步态、三步态、六步态
[0063]
本实施方式中：
[0064]
机器人的行进系统由六只足、六只副足以及配备的六对轮子组成，静置宽度约为37cm，静置高度约为30cm，质量约为3kg，驱动部分包括24个舵机及一个主控板，装有电池，在极限扭矩状态下也有较高的安全系数。机身被外壳完全包裹，在被土壤或沙子完全包裹的情况下也可正常工作，稳定性佳。
[0065]
舵机之间使用钣金连接，触地处使用橡胶块进行防护，防止零件磨损，封装外壳使用3d打印技术打印，保证作品的美观。同时钣金、舵机、封装之间有足够的空隙走线，确保关节活动不受导线干扰。
[0066]
副足较长，在行进中可以伸出较长的距离支撑、爬行，同时在路况较好的地方也可以切换成轮子行进。多自由度的铲状末端执行器可挖掘土壤或沙子把自己掩埋在地下。
[0067]
与大多数六足机器人一致，本作品可根据地形选择采取二、三、六步态行进，在较为光滑平整的路面上可切换为轮子行进。得利于六只较长副足的优点，本作品有更多的落点的选择，同一只腿可以有同时两个触地点，在翻越较为坎坷的地形时更不容易发生侧翻；较长的副足也能确保在面对较高台阶时能够轻松翻越。
[0068]
1.二步态
[0069]
二步态也叫三足步态、三角步态。支撑状态为l1、l3、l5和l2、l4、l6腿交替支撑。行走示意图和步态相图如图所示，示意图中红色连杆表示支撑腿，步态相图中黑色实心部分表示支撑相，如说明书附图4所述。
[0070]
对应的实物行进步态如说明书附图5所示：
[0071]
2.三步态
[0072]
三步态情况下始终有四条腿作为支撑相。通常将l1、l5分为一组，l2、l4分为一组，l3、l6分为一组，也可按照其它方式两两分组。移动时每组腿依次抬起摆动。因支撑平面为四边形，因而又称之为四足步态或四角步态。其行走示意图如说明书附图6所示。
[0073]
3.六步态
[0074]
六步态情况下每条腿各自为一个分组，依次抬起进行摆动。其抬起顺序变化相比于三步态更多，可以为l1-l6-l2-l5-l3-l4也可以是l1-l4-l2-l6-l3-l5不同的迈步方式使得机器人在整个运动周期内的支撑平面以不同的方式变化，以便适应不同的越障或爬坡需求。其行走示意图如说明书附图7所示。
[0075]
4.步态规划
[0076]
(1)有坡度地形
[0077]
当斜坡的角度较小时，机体俯仰角较小，重心稳定，落足点平稳且连续，行走速度
快，选用二步态；当斜坡的角度适中时，机体俯仰角中等，重心稳定，落足点平稳且连续，行走速度较快，选用三步态；当斜坡的角度较大时，机体俯仰角较大，行走速度慢，选用六步态。
[0078]
(2)凹陷型地形
[0079]
凹型障碍物(沟壑或者凹坑)为凹陷型地形，沟壑或凹坑宽度小，机器人腿部在踏空后，不能直接触地，应继续向前运动，寻找到可以落足的地方，选用三步态；沟壑或凹坑宽度中等，机器人腿部在踏空后，不能直接触地，应继续向前运动，寻找可以落足的地方，在达到运动极限时或达到运动极限之前能找到可以落足的地方，选用六步态；沟壑或凹坑宽度大，机器人腿部在踏空后，继续向前运动，在达到运动极限时仍未找到落足点，重心波动大，此时机器人应停止前进。
[0080]
(3)凸起型地形
[0081]
凸型障碍物为凸起型地形。障碍高度较低时，腿部通过各关节角度的调节，可跨越障碍，此时机器人可选用二步态、三步态；障碍高度中等时，腿部通过各关节角度的调节，可跨越障碍，此时机器人选用六步态；当障碍高度大于最大越障高度时，机器人避开障碍物后继续前进。
[0082]
(一)步态分析
[0083]
对于步态的研究，定义以下术语：
[0084]
步态：机器人每条腿按照一定的顺序和轨迹完成抬腿和放腿的运动过程。
[0085]
步态周期：机器人完成一个步态所需要的时间，即所有腿都完成一次从抬腿
[0086]
到放腿的过程所消耗的时间，用t进行表示，在整个过程中机器人完成了机体的过渡。
[0087]
摆动相：机器人的支撑腿从离开地面开始，在空中进行摆动，还未落地的状态。
[0088]
支撑相：机器人腿部落地后，支撑机器人机体时的状态。
[0089]
占地系数：机器人每个步态周期内支撑相所占时间ts与步态周期t的比值，即：
[0090][0091]
步距：经过整个步态周期，机器人在行走过程中机体的质心以地面为参考物行走的长度，用s进行表示。
[0092]
足行程：机器人在行进过程中，足端在支撑相内相对于机体前进或后退的水平距离，用r表示。足行程r与步距s之间的关系为：
[0093]
r＝βsꢀꢀ
(2)
[0094]
移动速度：步距s与支撑时间ts的比值，用v表示，可得关系式：
[0095][0096]
稳定裕度：机器人的重心在支撑面的垂直投影到由支撑足与支撑面接触点形成的支撑多边形的最短距离。
[0097]
首先分析各步态运动速度。假设机器人在移动过程中的速度v保持不变，速度v可根据式(3)求得。由式(3)可知，速度v与步距s成正比，与机器人每个步态周期内支撑相所占时间ts成反比，因为在典型步态中，各种步态的步距s和步态周期t均相同，所以速度v的大
小只和机器人每个步态周期内支撑相所占时间ts有关，且成反比关系。由图5、7、8可知，二步态、三步态、六步态的占地系数依次为1/2、2/3、5/6，相对应的支撑相所占时间ts为t/2、2t/3、5t/6。根据式(3)可求解出二步态、三步态、六步态的移动速度依次为2s/t、3s/2t、6s/5t。因此二步态的移动速度＞三步态的移动速度＞六步态的移动速度。
[0098]
其次分析各步态的稳定性。根据稳定裕度理论，当机器人采用二步态、三步态和六步态时，机器人重心都在各支撑腿足端点形成的多边形内，所以这三种典型步态都是稳定的。机器人三角步态时支撑腿足端点形成的多边形面积最小，机器人重心离多边形各边的距离最近，所以稳定性最差。以此类推，机器人三步态时支撑腿足端点形成的多边形面积大于二步态所形成的面积，机器人重心离多边形各边的距离更远，稳定性更高。机器人六步态时支撑腿足端点形成的多边形面积最大，机器人重心离多边形各边的距离最远，稳定性最高。因此六步态的稳定性＞三步态的稳定性＞二步态的稳定性。
[0099]
(二)爆破分析
[0100]
机器人红色弹药仓上表面边长35mm，下表面边长70mm，高50mm，容积为400cm3。以tnt炸药(三硝基甲苯)为例，其密度为1.65克每立方厘米。考虑起爆装置、引信等，本机器人至少可携带500gtnt炸药。对比杀伤半径大于6m的仅装有62gtnt炸药的我军现役82式手榴弹，配合外壳的尖刺与破片，本机器人可轻松完成自毁或定点爆破功能。
[0101]
(三)侦察与自毁
[0102]
机器人的上盖内搭载360度可伸缩摄像头，可对周围环境进行目标检测与识别，或者slam建图等，可满足监测敌军动向，探明敌军装备部署情况等要求。同时摄像头可作为发射天线将数据回传。在待机或缺电的情况下，摄像头可自动收回，并合上上盖使用太阳能补充电量。
[0103]
同时上盖内含六边形红色弹药仓，可完成自毁与定点爆破功能。
[0104]
(四)舱体设计
[0105]
舱体为水滴形军绿色炮弹，可以由陆基发射平台发射或使用飞机进行投掷。其长度约4.4m，直径约1.8m，包含五排八列共四十个孔位，每个孔位可容纳一个六足机器人。孔位深0.5米，含线圈，可以对机器人进行电磁弹射。
[0106]
机器人可选择在舱体飞行过程中即弹射出舱，也可等落地后向四周弹射。同时舱体包含天线，便于通讯和定位。待机器人全部释放完毕后可启动自毁程序。

技术特征：
1.多功能六足侦察机器人，包括机器人主体(1)、舱体(9)，且主体(1)内安装有主控板，其特征在于，所述主体(1)周围通过舵机安装有主关节(2)，每个所述主关节(2)上均通过舵机转动安装有主足(3)，且主足(3)的上端通过舵机安装有铲装执行器(6)，而另一端固定安装有橡胶块(4)，所述铲装执行器(6)的另一端还固定连接有副足(7)，所述主关节(2)安装有主动轮(5)，所述铲装执行器(6)铺装有太阳能板(8)，所述舱体(9)的外侧面阵列设置有多个孔位(10)，且舱体(9)的上端安装有天线(11)。2.根据权利要求1所述的多功能六足侦察机器人，其特征在于，所述主关节(2)一端通过舵机与主体(1)水平的转动安装，且另一端安装有主足(3)。3.根据权利要求1所述的多功能六足侦察机器人，其特征在于，所述主足(3)为弯折型，且在弯折点处通过舵机与主关节(2)远离主体(1)的一端转动安装。4.根据权利要求1所述的多功能六足侦察机器人，其特征在于，所述铲装执行器(6)通过舵机与主足(3)的上端转动安装，且铲装执行器(6)在其的下端固定连接有副足(7)，并延伸在主足(3)的外侧。5.根据权利要求1所述的多功能六足侦察机器人，其特征在于，每个所述孔位(10)内均容纳有一个机器人主体(1)，且机器人主体(1)上还安装有360度可伸缩摄像头，所述机器人主体(1)内还设置有弹药舱。6.多功能六足侦察机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：机器人每条腿按照一定的顺序和轨迹完成抬腿和放腿的运动过程为步态，机器人完成一个步态所需要的时间，即所有腿都完成一次从抬腿到放腿的过程所消耗的时间为步态周期，用t进行表示，在整个过程中机器人完成了机体的过渡；s2：机器人的支撑腿从离开地面开始，在空中进行摆动，还未落地的状态为摆动相，机器人腿部落地后，支撑机器人机体时的状态为支撑相；s3：机器人每个步态周期内支撑相所占时间t
s
与步态周期t的比值为占地系数，即：s4：经过整个步态周期，机器人在行走过程中机体的质心以地面为参考物行走的长度为步距，用s进行表示，机器人在行进过程中，足端在支撑相内相对于机体前进或后退的水平距离为足行程，用r表示。足行程r与步距s之间的关系为：r＝βs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)s5：步距s与支撑时间t
s
的比值为移动速度，用v表示，可得关系式：s6：机器人的重心在支撑面的垂直投影到由支撑足与支撑面接触点形成的支撑多边形的最短距离为稳定裕度。7.根据权利要求6所述的多功能六足侦察机器人的控制方法，其特征在于，所述控制步态可以为二步态、三步态、六步态。

技术总结
本发明公开了多功能六足侦察机器人及其控制方法，涉及机器人领域，解决了现有的无人机、普通机器人和人员军犬侦察手段不具有高可靠性、高移动运载能力，以更好地适应战场环境，执行侦察或定向爆破任务的问题，现提出如下方案，其包括包括机器人主体、舱体、主控板、主关节、主足，且主足的上端通过舵机安装有铲装执行器，而另一端固定安装有橡胶块，所述铲装执行器的另一端还固定连接有副足，所述主关节安装有主动轮，所述铲装执行器铺装有太阳能板，所述舱体的外侧面阵列设置有多个孔位，且舱体的上端安装有天线。本装置具有高可靠性、高移动运载能力的多功能六足侦察机器人，能够更好地适应战场环境，执行侦察或定向爆破任务。执行侦察或定向爆破任务。执行侦察或定向爆破任务。


技术研发人员：张镇韬 李楠 袁景辉 林思远 赵世豪 李子豪
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.01.03
技术公布日：2023/10/8