发明内容

针对上述提出的进一步优化机器人运动过程中的状态稳定性，对机器人的运用和发展具有积极的促进意义的技术问题，本发明提供了一种多源动力机器人行走方法。采用本行走方法，可使得机器人在越障时能可靠触地。

针对上述问题，本发明提供的一种多源动力机器人行走方法通过以下技术要点来解决问题：一种多源动力机器人行走方法，该行走方法用于如下结构的机器人：所述机器人包括机架及行走装置，所述行走装置安装在机架上，行走装置包括可伸缩的支腿以及安装在支腿上的行走轮，所述行走轮包括同轴设置、分布于机架不同侧的两个第一滚轮，还包括固定于机架或行走装置上的第二滚轮，所述第二滚轮位于第一滚轮的前方；在高度方向上，第二滚轮与第一滚轮的相对位置在支腿伸缩过程中线性可调；所述行走方法基于感知系统实现路况识别，在识别出行走路径上包括需要跳跃越障的障碍物或壕沟时，通过执行跳跃方法控制机器人进行跳跃越障，所述跳跃方法包括机器人姿态控制步骤，所述姿态控制步骤为：

在执行起跳动作之前，通过控制机器人的姿态，使得机器人的重心落在第一滚轮与第二滚轮之间，腾空触发时机器人由第一滚轮和第二滚轮共同支撑；

在腾空阶段，通过控制机器人的姿态，使得机器人的重心落在第一滚轮与第二滚轮之间，且第一滚轮位于第二滚轮的下方或同高位置；

在触地阶段，行走轮对机器人的支撑方式为以下方式中的任意一种：

方式一：第一滚轮首先触地，且后续通过支腿收缩进行落地缓冲；在落地缓冲阶段，随着机架的高度下降第二滚轮触地；

方式二：第一滚轮和第二滚轮同步着地。

现有技术中，如申请号为CN201810866476.1的专利申请提供的技术方案，其在多足机器人跳跃越障系统中，通过引入姿态检测子系统，且姿态检测子系统通过对机器人返回的姿态与关节信号进行处理，最后计算其预期的位移、速度、加速度值，可实现机器人在面对较大障碍物或者较高台阶时能够跳跃穿过障碍物、登上台阶。申请号为CN201810135603.0的专利申请提供的技术方案中，提供了一种将躯干姿态作为运动约束中的目标，最终达到实现起跳位姿准确、机构鲁棒性好目的的技术方案。其他的，申请号为CN201911203547.0、CN201910677901.7等专利申请提供的技术方案中，均将姿态作为机器人结构设计或控制策略设计的考虑因素。而以上方案均未涉及包括可弹跳支撑，且采用多个行走轮能够提供面支撑的技术方案。

现有技术中，以申请号为CN202010806731.0的专利申请提供的技术方案为例，其包括伸缩件、安装在伸缩件上的车轮，通过辅助腿安装在机架上的辅助轮，采用该方案，可实现在平坦的地面上多轮面支撑行走，在越障时，通过伸缩件提供弹跳动力实现跳跃越障，达到提升移动设备行走能力的目的。且区别于现有技术，其在完成弹跳，落地后与地面的直接接触零件为其下方的轮系。基于现有设计构思，提供一种适用于轮系触地，且利用能够形成面支撑的轮系，为移动设备提供越障防倾倒防护的技术方案，对行业的发展和移动设备的运用具有重要意义。

针对以上问题，本方案提供了一种多源动力机器人行走方法，该行走方法包括关于机器人姿态控制步骤的跳跃方法。在该方法中，设定为包括两个第一滚轮及位于第一滚轮前方的第二滚轮，这样，以上行走轮为机器人提供了可实现面支撑的轮系；同时限定为第二滚轮与第一滚轮的相对位置在支腿伸缩过程中线性可调，即用于实现：本机器人能够根据具体需要，利用第一滚轮和第二滚轮，为机器人提供不同的支撑状态：通过支腿伸缩，改变第一滚轮和第二滚轮在高度方向的相对位置，实现仅第一滚轮支撑、第二滚轮与第一滚轮支撑之间的切换。

具体姿态控制步骤中，设置为机器人的重心落在第一滚轮与第二滚轮之间，腾空触发时机器人由第一滚轮和第二滚轮共同支撑，旨在实现：在腾空触发时，通过行走轮为机器人提供面支撑(第一滚轮提供两个支撑点，第二滚轮提供位于第一滚轮支撑点前侧的支撑点，这样，通过以上多个支撑点形成所述面支撑)，实现利用支腿伸缩程度调节，获得准确的重心高度和重心相对于第一滚轮的位置，获得准确的第一滚轮相对于障碍物或壕沟的位置，这样，可使得机器人的起跳位置参数可准确并唯一的被确定；后续的，在腾空阶段，通过机器人姿态控制，通过对机器人重心位置的限定、第一滚轮与第二滚轮相对位置的限定，可约束触地阶段触地时刻第一滚轮和第二滚轮的相对位置和机器人后续的倾转方式，获得所述触地阶段的两种方式。以上方式一用于实现：在第一滚轮首先触地后，在第二滚轮触地之前，通过第一滚轮滚动，机器人绕第一滚轮翻转，利用支腿收缩实现落地缓冲，而后，第二滚轮触地后，即获得了机器人面支撑支撑状态。以上方式二用于实现，在机器人触地时刻，即利用第一滚轮和第二滚轮为机器人形成稳定的面支撑状态。

相对于现有技术，本方案考虑到基于滚轮行走的机器人完成跳跃后，具有向前的动能且可绕滚轮翻转的特点，通过对重心相对于滚轮位置的限定以及触地方式的限定，充分利用行走轮进行平衡约束，达到使得机器人在越障时能可靠触地的目的。

在具体运用时，优选采用方式一的方式，以利用第二滚轮未触地之前的非平衡期，以通过支腿在此过程中的作用消耗机器人的能量，以在第二滚轮触地后，减小如出现后续反弹的可能性和程度，以对使得机器人在越障时能可靠触地起进一步的触地作用。

作为本领域技术人员，以上限定的多源动力机器人，可理解为具有多个动力源的机器人。如在第一滚轮上分别安装为驱动电机的驱动装置，通过差速转动实现机器人转向，即以上限定的多远动力机器人本身可为现有技术；以上限定的多源动力机器人也可为以下提供的技术方案：针对以上提出的可伸缩的支腿，采用关节电机作为驱转装置，驱动为连杆机构的支腿转动实现行走轮状态调节和为机器人跳跃越障提供动力、采用如下提出的利用气缸实现为连杆机构的支腿伸缩实现行走轮状态调节和为机器人跳跃越障提供动力。

更进一步的技术方案为：

作为所述走方法更为完整的技术方案，设置为：所述跳跃方法还包括跳跃判定步骤，所述跳跃判定步骤为：

S1、通过所述感知系统，确定障碍物或壕沟的尺寸；

S2、根据S1的结果，确定机器人的起跳位置；

S3、结合S1和S2的结果，根据机器人的动力学模型，确定机器人需要的姿态和力矩；

当机器人的性能满足所述姿态和力矩需求时，判定为可执行起跳；

当机器人的性能不满足所述姿态和力矩需求时，执行以下行走方法步骤中的一种或几种：转向绕行、发送不可越过信号。本方案中，采用以上提出的跳跃判断步骤执行步骤，可获得准确的判定结果决定是否进行跳跃越障，利于机器人行走的安全性。在具体运用时，如基于包括状态观察器和传感器的感知系统，状态观察器如为图像识别装置、传感器为距离探测装置，通过路况与状态识别，获得平坦路面、障碍物、壕沟判断结果。在平坦路面判断结果下，通过行走轮完成行走，在判断为障碍物、壕沟结果时，机器人切换为基于支腿的腿式行走模式，通过是否可跃过判断，决定采用跳跃模式、转向绕行模式或就地报警模式等。

作为一种在第一滚轮和第二滚轮均触地后，能够基于同一支腿收缩完成落地缓冲，且可实现利于机器人结构简单化设计和轻量化设计的技术方案，采用方式一时，第二滚轮与第一滚轮均安装在支腿上，且第二滚轮与第一滚轮的相对位置固定，当第二滚轮触地后，支腿继续通过收缩进行落地缓冲，而后通过锁定支腿的状态，对机器人形成刚性支撑；

采用方式二时，第二滚轮与第一滚轮均安装在支腿上，且第二滚轮与第一滚轮的相对位置固定，当机器人触地后，支腿通过收缩进行落地缓冲，而后通过锁定支腿的状态，对机器人形成刚性支撑。本方案在具体实施时，如需要利用第二滚轮处于机器人支撑状态下时对机器人进行进一步的落地缓冲，通过支腿继续变形周期内对机器人进行进一步的能量消耗即可。

如上提供的技术方案中，相应的机器人实际上为一种基于轮腿复合式轮系系统的机器人，现有技术中虽然公开了相应的轮腿复合式设计理念，但现有技术中行走轮一般采用多个支腿完成支撑，较为典型的，轮系的各滚轮均采用一个单独的支腿完成与机架的连接。同时考虑到面支撑支撑形式，以上单独的支腿一般多点分布且为不同线分布，这样，如在机器人的宽度方向和长度方向上均依次排列有位于不同位置的支腿，以上支腿的排布形式亦在机器人面临障碍物越长跳跃时产生了阻碍。针对以上问题，本方案进一步的方案设计为：

所述支腿包括可伸缩的连杆机构，所述连杆机构包括设置在连杆机构底侧、在连杆机构伸缩变形时为摇臂的第三连杆，所述第二滚轮与第一滚轮均安装在第三连杆上；在第三连杆摆动时，第一滚轮与第二滚轮的相对位置可转换为：第二滚轮的支撑轮面位于第一滚轮支撑轮面的上方；

采用方式一时，通过连杆机构的变形控制支腿的落地和落地缓冲姿态或状态；

采用方式二时，通过连杆机构的变形控制支腿的落地和落地缓冲姿态或状态；

所述锁定支腿为维持连杆机构的状态。所述连杆机构作为所述支腿的腿臂，所述行走轮作为轮系系统的滚轮，即以上连杆机构及行走轮为本系统提供了轮腿复合式运动结构基础：通过连杆机构伸缩，即可实现对被支撑对象的高度调节；通过连杆机构伸缩，即可实现被支撑对象跳跃越障。

本方案在具体选型时，设置为连杆机构包括第三连杆，且在连杆机构变形时第三连杆为摇臂，同时设置为所述行走轮安装在第三连杆上，这样，在具体使用时，采用驱转装置驱动连杆机构变形，此时第三连杆摆动，由于第一滚轮安装在第三连杆的底侧，故第一滚轮始终能够为本轮系系统提供支撑；当第三连杆摆动至第二滚轮脱离支撑面时，即仅为第一滚轮支撑轮系系统的状态；当第三连杆摆动至第二滚轮支撑于支撑面时，由第一滚轮和第二滚轮共同为轮系系统提供支撑。同时，第二滚轮由与支撑面接触的状态转换为脱离支撑面的状态为第三连杆以第一滚轮为支点，上端向上翻转的过程，这样，轮系系统抬高过程中伴随轮系系统重心的提高，轮系系统降低过程中伴随轮系系统重心下降，故仅第一滚轮支撑可使得相应机器人具有较强的障碍通过能力，第一滚轮和第二滚轮共同支撑机器人可使得机器人具有理想的支撑稳定性，此状态下利于提升机器人的行走速度。这样，本方案可根据具体运行场所，实现多种状态运动模式切换。在跳跃落地阶段，当机器人倾斜至第一滚轮与第二滚轮均与地面接触时，在连杆机构进一步变形的过程中，机架相对于地面的姿态进一步同步变化即可。

本方案中，通过将第一滚轮和第二滚轮均集成安装于第三连杆上，通过第三连杆摆动即可实现不同行走轮支撑模式切换，故区别于现有技术，在达到相通支撑功能切换的基础上，本方案并不需要为第二滚轮设置单独的辅助腿，故本方案结构更为简单，整体质量可设置得更为轻便，便于提升机器人的续航能力、弹跳能力和响应速度。

本方案中，通过将第一滚轮和第二滚轮均集成安装于第三连杆上，如设置为第一滚轮和第二滚轮的行走方向即为第三连杆在支撑面上投影线的长度方向(作为本领域技术人员，此状态仅仅为轮系系统可能的一种运行模式，同时本领域技术人员也可根据具体需求，设定为轮系系统为以上运动模式，如以下文字部分和说明书附图部分提供的通过机架、第一连杆、第二连杆和第三连杆构成的四连杆机构)或所述行走方向和长度方向之间具有一定角度，从轮式行走的越障能力上，由于轮系系统的设计特点为机器人造成前进障碍的区域仅需要考虑支腿的宽度，如采用两个支腿实现机器人左、右支撑，即仅需要考虑量支腿前方是否有障碍造成机器人不能通过，将现有技术中三支腿式支撑模式转换成了门型架式两支腿支撑模式，可有效提升机器人基于轮式运行时的环境适应能力。

基于以上包括连杆机构的支腿形式，关于以上提出的方式一和方式二，如如上论述的，通过连杆机构的姿态控制即可控制各滚轮的相对位置、通过机器人倾转，亦可维持和获得所需的行走轮对机器人的支撑方式。锁定支腿后，即将连杆机构约束为刚性的支腿，此时，可用于维持机器人的最终状态。具体锁定方式可采用驱转装置锁定第三连杆、亦可通过气缸锁定连杆机构状态、亦可通过驱转装置和气缸共同约束连杆机构的状态。

作为一种在具体使用时伸缩连杆机构配合机架，可作为四连杆机构，实现在结构简单的基础上，仅需要采用一个驱转装置约束和驱动如以下所述的第一连杆和第二连杆，既能实现连杆机构姿态控制和伸缩控制，以改变轮系系统高度和实现轮系系统起跳的技术方案，设置为：所述连杆机构还包括第二连杆及第一连杆，所述第一连杆及第二连杆均通过转轴铰接连接于第三连杆长度方向的不同位置；

第一连杆、第二连杆各自与第三连杆的转轴相互平行；

所述第一连杆通过驱转装置连接在机架上，且驱转装置作为连杆机构伸缩变形的动力源；

第二连杆铰接连接在机架上；

执行起跳动作过程中，驱转装置作为连杆机构的伸长动力源。本方案中，驱转装置发挥连杆机构伸缩调节动力输出和起跳动力输出，便于机器人结构简化设计和轻量化设计。在具体运用时，设置为第一连杆、第二连杆、第三连杆三者共面，且连杆机构立式设置时，第一滚轮和第二滚轮位于第三连杆的正下方或侧面，以减小轮系系统在其前方、与轮系系统垂直的里面上的投影宽度，提升论系统的通行能力。更优的，设置为第一滚轮的轮径大于第二滚轮的轮径，第一滚轮设置在第三连杆的侧面，第二滚轮设置在第三连杆的正下方，以实现：利用第一滚轮较大的轮径匹配与之连接的驱转装置，为提升轮系系统的行走能力提供结构基础；第三连杆的设置高度可更低，以获得重心更低的机器人姿态提升机器人的行走速度、稳定性、低姿态通过能力。所述驱转装置采用伺服电机即可。

还包括气缸，所述气缸的缸体部分与活塞杆部分两者中，其中一者与第三连杆固定连接，另一者上固定有连接件，所述连接件连接所述另一者与机架；

所述连接件上设置有转轴，气缸及机架均可绕所述转轴转动；

所述连接件上的转轴与第三连杆摆动时摆动轴的轴线相平行；

所述连接件上还设置有锁定件，所述锁定件用于实现气缸相对于机架转动锁定；

所述落地缓冲均通过气缸的状态控制：连杆机构的变形由气缸的状态控制。现有技术中，考虑到现有电机驱动能力、具体结构设计等，现有腿式行走机构采用的伸缩驱动件一般配备弹性机构，以匹配移动设备的承载能力和自身轻量化设计：具体如申请号为CN201610206266.0、CN202010751681.0等发明专利申请所提供的技术方案。本方案针对现有设计，提供一种不仅能够实现行走速度和行走稳定性兼得，同时结构简单、承载能力强、升降调节响应速度快的技术方案。本方案在具体运用时，与如上提供的具体轮系系统结构，作为机器人的行走系统，且具体安装为：气缸通过连接件可转动连接于机器人的机架上，且连接件上的转轴作为气缸相对于机架旋转的旋转轴；以上驱转装置固定安装于机架上，在第三连杆上设置轮架，轮架上安装连接匹配有驱动装置的行走轮，驱动装置连接在第一滚轮上。这样，驱转装置通过驱动连杆机构上对应的连杆旋转，即可实现连杆机构的长度调节，以上连杆机构长度变化过程中，由于气缸连接于轮架与机架之间，故连接件上设置的转轴旨在使得此时气缸能够转动以同步于连杆机构长度变化。同时设置所述锁定件，使得气缸相对于机架的旋转能够被锁定，这样，可使得气缸本身具有对机架进行支撑的能力。

以上提供的行走系统的结构基础，可实现：所述气缸及支腿作为机架的支撑部件，且通过气缸及连杆机构的伸缩实现机架的高度升降以及起跳；其中，对机架提供支撑的方式为：在机器人行走的整个过程中或部分过程中，移除驱转装置对连杆机构的状态约束，使得连杆机构可自由伸缩，通过气缸实现对机架的支撑；对机架实现高度升降时：移除气缸对连杆机构伸缩的约束，利用驱转装置驱动连杆机构伸缩完成机架高度调节；实现机架起跳时，利用连杆机构为气缸内的气体进行压缩实现气缸蓄力。

以上高度升降用于适应机架的通行需求：当地面平坦时，可通过连杆机构收缩，使得机器人的重心降低，以提升行走速度；当行走于坑洼地面时，可通过连杆机构伸长，使得机架被高位支撑，以牺牲重心高度的方式，避免机架接触地面，提升机器人的通行能力。以上起跳用于机器人越障，使得机器人具有全地形适应能力。且在进行机架支撑时，根据需要，移除驱转装置对连杆机构伸缩的约束，仅利用气缸对机架进行支撑，这样，可利用气缸缸体内气体可压缩的特点，使得机架的支撑结构能够吸收冲击，实现减震功能，以适应颠簸的路况；同时仅气缸支撑机架的方式也可用于落地缓冲。这样不仅可实现减震，同时如针对双轮足行走模式，可降低对机器人上所搭载的平衡部件的平衡能力需求。同时，以上方案还特别适用于机器人自身减重设计需求：现有技术中，如通过电机实现足式弹跳，需要考虑电机本身的惯量，如一般采用低惯量的电机，实现弹跳的方式一般为：设置复杂的蓄力装置，如采用蓄力弹簧，这样通过增加电机工作时间，同时以牺牲响应速度的方式，获得瞬发的弹跳能量，该方案还具有结构相对复杂、控制策略相对复杂的特点。而采用本方案，气缸本身可作为蓄能元件和作为弹跳时的动力元件，使得本行走系统上单一部件能够多用途，便于实现机器人减重设计和结构简单化设计。同时采用本方案，在完成蓄力后，可进一步通过驱转装置和气缸为连杆机构做功，通过多部件共同作用，提升机器人跳跃障碍的能力。同时采用本方案，由于气缸一般具有大惯量、低响应的特点，区别于一般为电机的驱转装置，在体积更小、重量更轻的前提下具有更大的承载能力，而本领域电机的选型一般为低惯量、高响应的电机，故本方案在进行机架高度调节控制时，可采用：移除气缸对连杆机构的约束(移除锁定件对气缸的锁定和移除气路系统对气缸活塞运动的约束)，仅利用驱转装置工作，实现机架高度高精度和高效率调节，而后再利用气缸对机架进行辅助支撑或转换为仅气缸支撑机架的模式，这样不仅可提升机架高度控制精度，同时可保证机器人在整个任务过程中的承载能力和可靠性。

针对连接件的设计，在具体运用时，可设置为连接件包括用于固定连接机架的第一箍体和用于固定连接气缸的第二箍体，第一箍体和第二箍体通过转轴连接。相应锁定件采用转轴锁定装置即可。同时作为本领域技术人员，以上轮架可为连杆机构本身，也可为安装在连杆机构上单独的部件。

作为利用以上提出的利用驱转装置为机器人起跳蓄力的具体技术方案：还包括气缸，所述气缸的缸体部分与活塞杆部分两者中，其中一者与第三连杆固定连接，另一者上固定有连接件，所述连接件连接所述另一者与机架；

所述连接件上设置有转轴，气缸及机架均可绕所述转轴转动；

所述连接件上的转轴与第三连杆摆动时摆动轴的轴线相平行；

所述连接件上还设置有锁定件，所述锁定件用于实现气缸相对于机架转动锁定；

所述连杆机构还包括第二连杆及第一连杆，所述第一连杆及第二连杆均通过转轴铰接连接于第三连杆长度方向的不同位置；

第一连杆、第二连杆各自与第三连杆的转轴相互平行；

所述第一连杆通过驱转电机连接在机架上，且驱转电机作为连杆机构伸缩变形的动力源；

第二连杆铰接连接在机架上；

执行起跳动作过程中，通过气缸及驱转电机共同提供起跳动力。

所述起跳动作过程中还包括起跳蓄力阶段；

所述起跳蓄力阶段为：通过驱转电机工作，利用连杆机构为气缸内的气体进行压缩实现蓄力。与以上相同的，本方案亦为了实现驱转装置多用途，以在结构尽可能简单的情况下，实现机器人可靠越障。

作为一种气缸动力源本身重量较轻，且能够在短时间内为气缸注入较大气压的压缩气体的技术方案，采用：执行起跳动作过程中，气缸的压缩气体来源为来自压缩气瓶或发动机排气。

为使得第二滚轮作为机器人前方导轮时，能够根据地面情况自动转向的技术方案，设置为：所述第二滚轮为万向轮；第一滚轮上还连接有用于驱动其滚动的驱动装置。在具体运用时，优选设置为还包括用于约束第二滚轮行进方向的约束装置，以使得第二滚轮在地面约束下自动转向仅发生在需要的时刻，在其他时间段内，能够有效的按照需求执行如预设的机器人行进路线。以上约束装置可采用能够夹紧或卡紧第二滚轮转向轴的夹具。

本发明具有以下有益效果：

本方案提供了一种多源动力机器人行走方法，该行走方法包括关于机器人姿态控制步骤的跳跃方法。在该方法中，设定为包括两个第一滚轮及位于第一滚轮前方的第二滚轮，这样，以上行走轮为机器人提供了可实现面支撑的轮系；同时限定为第二滚轮与第一滚轮的相对位置在支腿伸缩过程中线性可调，即用于实现本机器人能够根据具体需要，利用第一滚轮和第二滚轮，为机器人提供不同的支撑状态：通过支腿伸缩，改变第一滚轮和第二滚轮在高度方向的相对位置，实现仅第一滚轮支撑、第二滚轮与第一滚轮支撑之间的切换。

具体姿态控制步骤中，设置为机器人的重心落在第一滚轮与第二滚轮之间，腾空触发时机器人由第一滚轮和第二滚轮共同支撑，旨在实现：在腾空触发时，通过行走轮为机器人提供面支撑(第一滚轮提供两个支撑点，第二滚轮提供位于第一滚轮支撑点前侧的支撑点，这样，通过以上多个支撑点形成所述面支撑)，实现利用支腿伸缩程度调节，获得准确的重心高度和重心相对于第一滚轮的位置，获得准确的第一滚轮相对于障碍物或壕沟的位置，这样，可使得机器人的起跳位置参数可准确并唯一的被确定；后续的，在腾空阶段，通过机器人姿态控制，通过对机器人重心位置的限定、第一滚轮与第二滚轮相对位置的限定，可约束触地阶段触地时刻第一滚轮和第二滚轮的相对位置和机器人后续的倾转方式，获得所述触地阶段的两种方式。以上方式一用于实现：在第一滚轮首先触地后，在第二滚轮触地之前，通过第一滚轮滚动，机器人绕第一滚轮翻转，利用支腿收缩实现落地缓冲，而后，第二滚轮触地后，即获得了机器人面支撑支撑状态。以上方式二用于实现，在机器人触地时刻，即利用第一滚轮和第二滚轮为机器人形成稳定的面支撑状态。

相对于现有技术，本方案考虑到基于滚轮行走的机器人完成跳跃后，具有向前的动能且可绕滚轮翻转的特点，通过对重心相对于滚轮位置的限定以及触地方式的限定，充分利用行走轮进行平衡约束，达到使得机器人在越障时能可靠触地的目的。