一种轮足式巡检机器人及运动控制方法与流程

1.本发明涉及电力巡检机器人技术领域，具体为一种轮足式巡检机器人及运动控制方法。


背景技术：

2.变电站作为电力传输系统的重要环节之一，其可靠性与安全性一直受到关注。而变电站的巡检工作占据了电网变电站工作的40％左右，随着变电站数量的不断增加，巡检的及时性与有效性也难以保证。随着机器人技术的快速发展，越来越多的巡检机器人被用于变电站的电力设备检测，从而降低巡检人员的工作量，减少巡检过程中出现的误差，从根本上提升巡检的质量与效率。
3.巡检机器人能够定时、定点、定轨迹地开展巡检工作。目前巡检机器人主要分为轨道式、地面移动式等。其中地面移动式巡检机器人能过够适用于室内室外两种环境，同时不需要进行环境改造，这也是巡检机器人的发展趋势之一。地面移动式巡检机器人又根据机器人本体的形式分为轮式、履带式和足式三种典型结构，轮式机器人本体具有较高的运动效率，目前在变电站巡检中应用较多，但轮式机器人对于变电站平地、草地、楼梯以及斜坡等复杂环境的适应性较差；足式机器人本体能够适应复杂环境下巡检任务，满足变电站室内室外的多变环境，具有更高的灵活性及便捷性。
4.而轮足式巡检机器人的运动模式一般分为三种，第一种是轮式运动模式，第二种是足式运动模式，第三种是两种模式之间的过渡模式。目前复合运动模式的足式巡检机器人运动控制方法是采用多种独立的控制方法，通过传感器的反馈或者任务规划，调用不同的运动控制程序实现不同的运动模式切换。如何通过统一的运动控制方法实现多运动模式的轮足巡检机器人的运动控制，使得轮足巡检机器人具备更高效的运动模式，也是亟待解决的关键问题之一。
5.为此，提出了一种轮足式巡检机器人及运动控制方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种轮足式巡检机器人及运动控制方法，结构紧凑，具备高效率的轮式运动模式和高适应性的足式运动模式；通过建立中枢模式发生器神经元模型，依据中枢模式发生器神经元运动控制方法，对轮足式巡检机器人进行仿生运动控制，融合了传统轮式机器人和足式机器人的运动形式，实现了轮足式巡检机器人的多运动模式控制及切换，并使得轮足式巡检机器人能够适应复杂的运动环境，解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种轮足式巡检机器人，包括机器人躯干，所述机器人躯干的前端侧壁对称安装有两组足式运动机构一，所述机器人躯干的后端侧壁对称安装有两组足式运动机构二，足式运动机构一和足式运动机构二相互配合使得巡检机器人进行足式运动；所述足式运动机
构一上安装有轮式运动机构一，所述足式运动机二上安装有轮式运动机构二，轮式运动机构一和轮式运动机构二相互配合使得巡检机器人进行轮式运动。
9.优选的，所述足式运动机构一包括左前机械腿和右前机械腿，所述足式运动机构二包括左后机械腿和右后机械腿；所述足式运动机构一和足式运动机构二具有相同结构，均包括偏转髋关节电机，所述偏转髋关节电机通过电机u形连接件活动安装有俯仰髋关节电机，所述俯仰髋关节电机的一端活动安装有膝关节电机，所述膝关节电机上活动安装有大腿连杆，所述大腿连杆的一端活动安装有小腿连杆。
10.优选的，所述膝关节电机的输出轴上安装有同步轮一，所述大腿连杆的一端安装有与同步轮一相互配合的同步轮二，所述同步轮一和同步轮二之间设有同步带，所述同步轮二与小腿连杆转动连接。
11.优选的，所述轮式运动机构一和轮式运动机构二具有相同结构，均包括轮式减速电机，所述轮式减速电机安装在大腿连杆的一端侧壁上，所述大腿连杆的另一端侧壁上转动安装有驱动轮，所述轮式减速电机通过输出轴与驱动轮连接，当轮式减速电机转动时使得驱动轮转动。
12.优选的，所述机器人躯干上安装有三维激光雷达，所述三维激光雷达的上方安装有立体视觉传感器。
13.优选的，所述膝关节电机和大腿连杆上均设有保护壳，以避免同步轮一、同步轮二和同步带受到灰尘影响。
14.优选的，所述小腿连杆末端设有球形足端，球形足端使得巡检机器人能够适应不同的地形。
15.一种轮足式巡检机器人运动控制方法，包括以下步骤：建立中枢模式发生器神经元模型，根据所述中枢模式发生器神经元模型对巡检机器人进行足式运动控制设定；根据所述中枢模式发生器神经元模型对巡检机器人进行轮式运动控制设定；根据所述中枢模式发生器神经元模型对巡检机器人进行从足式运动到轮式运动的转换控制设定；根据所述中枢模式发生器神经元模型对巡检机器人进行从轮式运动到足式运动的转换控制设定。
16.优选的，所述中枢模式发生器神经元模型如下式：
[0017][0018]
式中，θi为中枢模式发生器神经元的状态变量；ωi为中枢模式发生器神经元的频率参数；w
ij
为中枢模式发生器神经元间的耦合权重，通常取为w；为中枢模式发生器神经元的相位差；ai为中枢模式发生器神经元的输出。
[0019]
优选的，所述足式运动控制设定包括以下步骤：步骤s101、设置四个中枢模式发生器神经元，四个中枢模式发生器神经元相互之间双向耦合，保证中枢模式发生器神经元能够快速地收敛同步；
[0020]
步骤s102、设置不同步态的中枢模式发生器神经元运动相位；设置行走步态的中枢模式发生器神经元相位差为π/2，设置对角小跑步态的中枢模式发生器神经元相位差为π；
[0021]
步骤s103、定义巡检机器人的足式运动机构一和足式运动机构二的俯仰髋关节运
动控制轨迹为f1(ai)函数，定义巡检机器人的足式运动机构一和足式运动机构二的膝关节运动控制轨迹为f2(ai)函数；对中枢模式发生器神经元运动相位进行变换，保证巡检机器人的俯仰髋关节、膝关节运动控制轨迹稳定且连续，通过下式描述：
[0022][0023]
式中，x1为当前步态的相位差，x2为目标步态的相位差，t1为步态切换的起始时刻，t2为步态切换的结束时刻；
[0024]
所述轮式运动控制设定包括以下步骤：步骤s201、定义轮式减速电机的控制函数分别为f1(a1)、f2(a2)、f3(a3)、f4(a4)，并建立控制函数，如下式：
[0025]fi
(ai)＝k
iai
，
[0026]
式中，ki为足式运动机构一和足式运动机构二上的轮式减速电机的速度控制系数；步骤s202、判断巡检机器人的运动状态，并调节控制轮式减速电机；当巡检机器人处于前进运动时，ki为相同的值，则通过ki调节速度，保证足式运动机构一和足式运动机构二上的轮式减速电机的速度同步；
[0027]
步骤s203、判断巡检机器人的运动状态，并调节控制轮式减速电机；当巡检机器人处于左转或右转运动时，ki为相同的值，则通过ki调节速度，使得左前机械腿和左后机械腿上的轮式减速电机速度与右前机械腿和右后机械腿上的轮式减速电机速度不同，实现差速转弯；
[0028]
步骤s204、判断巡检机器人的运动状态，并调节控制轮式减速电机；当巡检机器人处于原地转弯时，ki为相同的值，则通过ki调节速度，使得左前机械腿和左后机械腿上的轮式减速电机速度与右前机械腿和右后机械腿上的轮式减速电机速度相同，但转向相反实现巡检机器人左转运动或右转运动；
[0029]
所述足式运动到轮式运动的转换控制设定包括以下步骤：步骤s301、对俯仰髋关节运动控制轨迹函数f1(ai)和膝关节运动控制轨迹函数f2(ai)进行修改，如下式：
[0030][0031]
式中，φ1为当前关节位置，φ2为目标关节位置，t3为步态切换的起始时刻，t4为步态切换的结束时刻；
[0032]
步骤s302、将足式运动机构一和足式运动机构二的中枢模式发生器神经元相位差修改为0，使得中枢模式发生器神经元完全同步；中枢模式发生器神经元完全同步后，触发足式运动机构一和足式运动机构二上的轮式减速电机的控制函数fi(ai)＝k
iai
，实现轮式运动的切换；
[0033]
所述轮式运动到足式运动的转换控制设定包括以下步骤：步骤s401、屏蔽足式运动机构一和足式运动机构二上的轮式减速电机的控制函数fi(ai)＝k
iai
，停止轮式运动；并
将足式运动机构一和足式运动机构二的中枢模式发生器神经元相位差修改为0，使得中枢模式发生器神经元完全同步；
[0034]
步骤s402、对俯仰髋关节运动控制轨迹函数f1(ai)和膝关节运动控制轨迹函数f2(ai)进行修改，实现足式运动的切换，如下式：
[0035][0036]
式中，φ2为当前关节位置，φ1为目标关节位置，t5为步态切换的起始时刻，t6为步态切换的结束时刻。
[0037]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0038]
本发明所述的一种轮足式巡检机器人及运动控制方法，结构紧凑，具备高效率的轮式运动模式和高适应性的足式运动模式；通过建立中枢模式发生器神经元模型，依据中枢模式发生器神经元运动控制方法，对轮足式巡检机器人进行仿生运动控制，融合了传统轮式机器人和足式机器人的运动形式，实现了轮足式巡检机器人的多运动模式控制及切换，并使得轮足式巡检机器人能够适应复杂的运动环境。
附图说明
[0039]
图1为本发明所述的一种轮足式巡检机器人的足式运动状态整体结构示意图；
[0040]
图2为本发明所述的一种轮足式巡检机器人的上视结构示意图；
[0041]
图3为本发明所述的一种轮足式巡检机器人的左前机械腿结构示意图；
[0042]
图4为本发明所述的一种轮足式巡检机器人的左前机械腿内部结构示意图；
[0043]
图5为本发明所述的一种轮足式巡检机器人的轮式运动状态整体结构示意图；
[0044]
图6为本发明所述的一种轮足式巡检机器人运动控制方法的足式运动状态相位图。
[0045]
图中：1、机器人躯干；2、左前机械腿；3、右前机械腿；4、左后机械腿；5、右后机械腿；6、偏转髋关节电机；7、电机u形连接件；8、俯仰髋关节电机；9、膝关节电机；10、大腿连杆；11、小腿连杆；12、同步轮一；13、同步轮二；14、同步带；15、轮式减速电机；16、驱动轮；17、三维激光雷达；18、立体视觉传感器；19、保护壳；20、球形足端。
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至图6，本发明提供一种轮足式巡检机器人，包括：机器人躯干1，机器人躯干1的内部主要用于安装放置工控机、电源以及电机驱动，机器人躯干1的前端侧壁对称安装有两组足式运动机构一，机器人躯干1的后端侧壁对称安装有两组足式运动机构二，足
式运动机构一和足式运动机构二相互配合使得巡检机器人进行足式运动；足式运动机构一上安装有轮式运动机构一，足式运动机二上安装有轮式运动机构二，轮式运动机构一和轮式运动机构二相互配合使得巡检机器人进行轮式运动。
[0048]
足式运动机构一包括左前机械腿2和右前机械腿3，足式运动机构二包括左后机械腿4和右后机械腿5，使得轮足式巡检机器人具有三个可控自由度，分别为偏转髋关节、俯仰髋关节和膝关节；足式运动机构一和足式运动机构二具有相同结构，均包括偏转髋关节电机6，偏转髋关节电机6通过电机u形连接件7活动安装有俯仰髋关节电机8，俯仰髋关节电机8的一端活动安装有膝关节电机9，膝关节电机9上活动安装有大腿连杆10，大腿连杆10的一端活动安装有小腿连杆11；左前机械腿2的偏转髋关节电机6与机器人躯干1连接在一起，通过控制偏转髋关节电机6能够使得左前机械腿2实现侧向偏移；当俯仰髋关节电机8旋转时，将带动膝关节电机9、保护壳19、以及大腿连杆10等部件整体旋转。
[0049]
膝关节电机9的输出轴上安装有同步轮一12，大腿连杆10的一端安装有与同步轮一12相互配合的同步轮二13，同步轮一12和同步轮二13之间设有同步带14，同步轮二13与小腿连杆11转动连接；同步轮一12通过同步带14与同步轮二13实现运动传动，当膝关节电机9旋转，将带动同步轮二13旋转，从而带动小腿连杆11围绕膝关节旋转；小腿连杆11末端设有球形足端20，球形足端20使得巡检机器人能够适应不同的地形。
[0050]
轮式运动机构一和轮式运动机构二具有相同结构，均包括轮式减速电机15，轮式减速电机15安装在大腿连杆10的一端侧壁上，大腿连杆10的另一端侧壁上转动安装有驱动轮16，轮式减速电机15通过输出轴与驱动轮16连接，当轮式减速电机15转动时使得驱动轮16转动。
[0051]
机器人躯干1上安装有三维激光雷达17，三维激光雷达17的上方安装有立体视觉传感器18，主要用于前方障碍物识别和三维建图与导航，从而实现机器人的动态避障和运动规划。
[0052]
膝关节电机9和大腿连杆10上均设有保护壳19，以避免同步轮一12、同步轮二13和同步带14受到灰尘影响。
[0053]
一种轮足式巡检机器人运动控制方法，包括以下步骤：建立中枢模式发生器神经元模型，根据中枢模式发生器神经元模型对巡检机器人进行足式运动控制设定；根据中枢模式发生器神经元模型对巡检机器人进行轮式运动控制设定；根据中枢模式发生器神经元模型对巡检机器人进行从足式运动到轮式运动的转换控制设定；根据中枢模式发生器神经元模型对巡检机器人进行从轮式运动到足式运动的转换控制设定。
[0054]
轮足式巡检机器人主要具备对角小跑和行走两种步态，基于中枢模式发生器神经元模型，采用中枢模式发生器神经元运动控制方法执行，中枢模式发生器神经元模型如下式：
[0055][0056]
式中，θi为中枢模式发生器神经元的状态变量；ωi为中枢模式发生器神经元的频率参数；w
ij
为中枢模式发生器神经元间的耦合权重，通常取为w；为中枢模式发生器神经元的相位差；ai为中枢模式发生器神经元的输出。
[0057]
如图6所示，足式运动控制主要是通过协调控制左前机械腿2、右前机械腿3、左后机械腿4、右后机械腿5的运动相位，以及每个机械腿的三个关节的运动轨迹；足式运动控制设定包括以下步骤：步骤s101、设置四个中枢模式发生器神经元，四个中枢模式发生器神经元相互之间双向耦合，保证中枢模式发生器神经元能够快速地收敛同步；
[0058]
步骤s102、设置不同步态的中枢模式发生器神经元运动相位；设置行走步态的中枢模式发生器神经元相位差为π/2，设置对角小跑步态的中枢模式发生器神经元相位差为π；
[0059]
当轮足式巡检机器人需要根据实际运动环境切换行走步态或者对角小跑步态，需要变换中枢模式发生器神经元的相位差，但相位差的突变，会导致俯仰髋关节、膝关节的运动控制轨迹f1(ai)函数和f2(ai)函数值发生突变，从而导致机器人的运动轨迹不连续，影响智能轮足式巡检机器人的运动稳定性，因此，为实现步态的稳定过渡，进行步骤s103、定义巡检机器人的足式运动机构一和足式运动机构二的俯仰髋关节运动控制轨迹为f1(ai)函数，定义巡检机器人的足式运动机构一和足式运动机构二的膝关节运动控制轨迹为f2(ai)函数；对中枢模式发生器神经元运动相位进行变换，保证巡检机器人的俯仰髋关节、膝关节运动控制轨迹稳定且连续，通过下式描述：
[0060][0061]
式中，x1为当前步态的相位差，x2为目标步态的相位差，t1为步态切换的起始时刻，t2为步态切换的结束时刻；
[0062]
轮足式巡检机器人的轮式运动模式是通过控制左前机械腿2、右前机械腿3、左后机械腿4、右后机械腿5上的轮式减速电机15进行连续的旋转，本发明的中枢模式发生器的神经元输出为0到2π的信号，并且中枢模式发生器的神经元不具有相位差，可以对应轮式减速电机15的单圈旋转控制信号；轮式运动模式需要可以完成前进运动、左转、右转、原地转弯四种运动，因此，轮式运动控制设定包括以下步骤：步骤s201、定义轮式减速电机15的控制函数分别为f1(a1)、f2(a2)、f3(a3)、f4(a4)，并建立控制函数，如下式：
[0063]fi
(ai)＝k
iai
，
[0064]
式中，ki为足式运动机构一和足式运动机构二上的轮式减速电机15的速度控制系数；步骤s202、判断巡检机器人的运动状态，并调节控制轮式减速电机15；当巡检机器人处于前进运动时，ki为相同的值，则通过ki调节速度，保证足式运动机构一和足式运动机构二上的轮式减速电机15的速度同步；
[0065]
步骤s203、判断巡检机器人的运动状态，并调节控制轮式减速电机15；当巡检机器人处于左转或右转运动时，ki为相同的值，则通过ki调节速度，使得左前机械腿2和左后机械腿4上的轮式减速电机15速度与右前机械腿3和右后机械腿5上的轮式减速电机15速度不同，实现差速转弯；
[0066]
步骤s204、判断巡检机器人的运动状态，并调节控制轮式减速电机15；当巡检机器人处于原地转弯时，ki为相同的值，则通过ki调节速度，使得左前机械腿2和左后机械腿4上
的轮式减速电机15速度与右前机械腿3和右后机械腿5上的轮式减速电机速度15相同，但转向相反实现巡检机器人左转运动或右转运动；
[0067]
当轮足式巡检机器人需要在足式运动模式和轮式运动模式之间切换时，不仅需要切换中枢模式发生器的神经元相位差，同时还需要切换相应的控制函数，因此，足式运动到轮式运动的转换控制设定包括以下步骤：步骤s301、对俯仰髋关节运动控制轨迹函数f1(ai)和膝关节运动控制轨迹函数f2(ai)进行修改，如下式：
[0068][0069]
式中，φ1为当前关节位置，φ2为目标关节位置，t3为步态切换的起始时刻，t4为步态切换的结束时刻；俯仰髋关节和膝关节的目标关节位置能够保证智能轮足式巡检机器人的左前机械腿2、右前机械腿3、左后机械腿4、右后5机械腿回收，驱动轮着地；
[0070]
步骤s302、将足式运动机构一和足式运动机构二的中枢模式发生器神经元相位差修改为0，使得中枢模式发生器神经元完全同步；中枢模式发生器神经元完全同步后，触发足式运动机构一和足式运动机构二上的轮式减速电机15的控制函数fi(ai)＝k
iai
，实现轮式运动的切换；
[0071]
轮式运动到足式运动的转换控制设定包括以下步骤：步骤s401、屏蔽足式运动机构一和足式运动机构二上的轮式减速电机15的控制函数fi(ai)＝k
iai
，停止轮式运动；并将足式运动机构一和足式运动机构二的中枢模式发生器神经元相位差修改为0，使得中枢模式发生器神经元完全同步；
[0072]
步骤s402、对俯仰髋关节运动控制轨迹函数f1(ai)和膝关节运动控制轨迹函数f2(ai)进行修改，实现足式运动的切换，如下式：
[0073][0074]
式中，φ2为当前关节位置，φ1为目标关节位置，t5为步态切换的起始时刻，t6为步态切换的结束时刻；俯仰髋关节和膝关节的目标关节位置能够保证智能轮足式巡检机器人的左前机械腿2、右前机械腿3、左后机械腿4、右后机械腿5直立。
[0075]
综上，本发明提供的一种轮足式巡检机器人及运动控制方法，结构紧凑，具备高效率的轮式运动模式和高适应性的足式运动模式；通过建立中枢模式发生器神经元模型，依据中枢模式发生器神经元运动控制方法，对轮足式巡检机器人进行仿生运动控制，融合了传统轮式机器人和足式机器人的运动形式，实现了轮足式巡检机器人的多运动模式控制及切换，并使得轮足式巡检机器人能够适应复杂的运动环境。
[0076]
以上实施例显示和描述了本发明的基本工作原理、本发明的主要技术特征和优点，但本发明所设计的一种轮足式巡检机器人及运动控制方法，不受上述实施例的限制，且还会有各种不同实施例的变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，
本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种轮足式巡检机器人，其特征在于，包括机器人躯干(1)，所述机器人躯干(1)的前端侧壁对称安装有两组足式运动机构一，所述机器人躯干(1)的后端侧壁对称安装有两组足式运动机构二，足式运动机构一和足式运动机构二相互配合使得巡检机器人进行足式运动；所述足式运动机构一上安装有轮式运动机构一，所述足式运动机二上安装有轮式运动机构二，轮式运动机构一和轮式运动机构二相互配合使得巡检机器人进行轮式运动。2.根据权利要求1所述的一种轮足式巡检机器人，其特征在于：所述足式运动机构一包括左前机械腿(2)和右前机械腿(3)，所述足式运动机构二包括左后机械腿(4)和右后机械腿(5)；所述足式运动机构一和足式运动机构二具有相同结构，均包括偏转髋关节电机(6)，所述偏转髋关节电机(6)通过电机u形连接件(7)活动安装有俯仰髋关节电机(8)，所述俯仰髋关节电机(8)的一端活动安装有膝关节电机(9)，所述膝关节电机(9)上活动安装有大腿连杆(10)，所述大腿连杆(10)的一端活动安装有小腿连杆(11)。3.根据权利要求2所述的一种轮足式巡检机器人，其特征在于：所述膝关节电机(9)的输出轴上安装有同步轮一(12)，所述大腿连杆(10)的一端安装有与同步轮一(12)相互配合的同步轮二(13)，所述同步轮一(12)和同步轮二(13)之间设有同步带(14)，所述同步轮二(13)与小腿连杆(11)转动连接。4.根据权利要求1所述的一种轮足式巡检机器人，其特征在于：所述轮式运动机构一和轮式运动机构二具有相同结构，均包括轮式减速电机(15)，所述轮式减速电机(15)安装在大腿连杆(10)的一端侧壁上，所述大腿连杆(10)的另一端侧壁上转动安装有驱动轮(16)，所述轮式减速电机(15)通过输出轴与驱动轮(16)连接，当轮式减速电机(15)转动时使得驱动轮(16)转动。5.根据权利要求1所述的一种轮足式巡检机器人，其特征在于：所述机器人躯干(1)上安装有三维激光雷达(17)，所述三维激光雷达(17)的上方安装有立体视觉传感器(18)。6.根据权利要求1所述的一种轮足式巡检机器人，其特征在于：所述膝关节电机(9)和大腿连杆(10)上均设有保护壳(19)，以避免同步轮一(12)、同步轮二(13)和同步带(14)受到灰尘影响。7.根据权利要求1所述的一种轮足式巡检机器人，其特征在于：所述小腿连杆(11)末端设有球形足端(20)，球形足端(20)使得巡检机器人能够适应不同的地形。8.一种轮足式巡检机器人运动控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-7任一所述的一种轮足式巡检机器人，包括以下步骤：建立中枢模式发生器神经元模型，根据所述中枢模式发生器神经元模型对巡检机器人进行足式运动控制设定；根据所述中枢模式发生器神经元模型对巡检机器人进行轮式运动控制设定；根据所述中枢模式发生器神经元模型对巡检机器人进行从足式运动到轮式运动的转换控制设定；根据所述中枢模式发生器神经元模型对巡检机器人进行从轮式运动到足式运动的转换控制设定。9.根据权利要求8所述的一种轮足式巡检机器人运动控制方法，其特征在于：所述中枢模式发生器神经元模型如下式：式中，θ
i
为中枢模式发生器神经元的状态变量；ω
i
为中枢模式发生器神经元的频率参
数；w
ij
为中枢模式发生器神经元间的耦合权重，通常取为w；为中枢模式发生器神经元的相位差；a
i
为中枢模式发生器神经元的输出。10.根据权利要求9所述的一种轮足式巡检机器人运动控制方法，其特征在于：所述足式运动控制设定包括以下步骤：步骤s101、设置四个中枢模式发生器神经元，四个中枢模式发生器神经元相互之间双向耦合，保证中枢模式发生器神经元能够快速地收敛同步；步骤s102、设置不同步态的中枢模式发生器神经元运动相位；设置行走步态的中枢模式发生器神经元相位差为π/2，设置对角小跑步态的中枢模式发生器神经元相位差为π；步骤s103、定义巡检机器人的足式运动机构一和足式运动机构二的俯仰髋关节运动控制轨迹为f1(a
i
)函数，定义巡检机器人的足式运动机构一和足式运动机构二的膝关节运动控制轨迹为f2(a
i
)函数；对中枢模式发生器神经元运动相位进行变换，保证巡检机器人的俯仰髋关节、膝关节运动控制轨迹稳定且连续，通过下式描述：式中，x1为当前步态的相位差，x2为目标步态的相位差，t1为步态切换的起始时刻，t2为步态切换的结束时刻；所述轮式运动控制设定包括以下步骤：步骤s201、定义轮式减速电机(15)的控制函数分别为f1(a1)、f2(a2)、f3(a3)、f4(a4)，并建立控制函数，如下式：f
i
(a
i
)＝k
i
a
i
，式中，k
i
为足式运动机构一和足式运动机构二上的轮式减速电机(15)的速度控制系数；步骤s202、判断巡检机器人的运动状态，并调节控制轮式减速电机(15)；当巡检机器人处于前进运动时，k
i
为相同的值，则通过k
i
调节速度，保证足式运动机构一和足式运动机构二上的轮式减速电机(15)的速度同步；步骤s203、判断巡检机器人的运动状态，并调节控制轮式减速电机(15)；当巡检机器人处于左转或右转运动时，k
i
为相同的值，则通过k
i
调节速度，使得左前机械腿(2)和左后机械腿(4)上的轮式减速电机(15)速度与右前机械腿(3)和右后机械腿(5)上的轮式减速电机(15)速度不同，实现差速转弯；步骤s204、判断巡检机器人的运动状态，并调节控制轮式减速电机(15)；当巡检机器人处于原地转弯时，k
i
为相同的值，则通过k
i
调节速度，使得左前机械腿(2)和左后机械腿(4)上的轮式减速电机速度与右前机械腿(3)和右后机械腿(5)上的轮式减速电机速度(15)相同，但转向相反，实现巡检机器人左转运动或右转运动；所述足式运动到轮式运动的转换控制设定包括以下步骤：步骤s301、对俯仰髋关节运动控制轨迹函数f1(a
i
)和膝关节运动控制轨迹函数f2(a
i
)进行修改，如下式：
式中，φ1为当前关节位置，φ2为目标关节位置，t3为步态切换的起始时刻，t4为步态切换的结束时刻；步骤s302、将足式运动机构一和足式运动机构二的中枢模式发生器神经元相位差修改为0，使得中枢模式发生器神经元完全同步；中枢模式发生器神经元完全同步后，触发足式运动机构一和足式运动机构二上的轮式减速电机(15)的控制函数f
i
(a
i
)＝k
i
a
i
，实现轮式运动的切换；所述轮式运动到足式运动的转换控制设定包括以下步骤：步骤s401、屏蔽足式运动机构一和足式运动机构二上的轮式减速电机(15)的控制函数f
i
(a
i
)＝k
i
a
i
，停止轮式运动；并将足式运动机构一和足式运动机构二的中枢模式发生器神经元相位差修改为0，使得中枢模式发生器神经元完全同步；步骤s402、对俯仰髋关节运动控制轨迹函数f1(a
i
)和膝关节运动控制轨迹函数f2(a
i
)进行修改，实现足式运动的切换，如下式：式中，φ2为当前关节位置，φ1为目标关节位置，t5为步态切换的起始时刻，t6为步态切换的结束时刻。

技术总结
本发明公开了一种轮足式巡检机器人及运动控制方法，包括机器人躯干，所述机器人躯干的前端侧壁对称安装有两组足式运动机构一，所述机器人躯干的后端侧壁对称安装有两组足式运动机构二，足式运动机构一和足式运动机构二相互配合使得巡检机器人进行足式运动；所述足式运动机构一上安装有轮式运动机构一，所述足式运动机二上安装有轮式运动机构二，轮式运动机构一和轮式运动机构二相互配合使得巡检机器人进行轮式运动。本发明过建立中枢模式发生器神经元模型，依据中枢模式发生器神经元运动控制方法，对轮足式巡检机器人进行仿生运动控制，实现了轮足式巡检机器人的多运动模式控制及切换，并使得轮足式巡检机器人能够适应复杂的运动环境。的运动环境。的运动环境。


技术研发人员：李斐 张文良 洪刚 梁毅 李硕 庞龙 何博 叶偲 韩光新 戴堂标 覃剑
受保护的技术使用者：广西电网有限责任公司北海供电局
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/9/22