CN220996566U - 可灵活动作的轮腿式移动单元 - Google Patents

Abstract

可灵活动作的轮腿式移动单元，包括机架、四连杆腿部机构和全方向滚轮机构；机架包括底板和固连在底板两侧的侧板；两组四连杆腿部机构分别连接在机架两侧；四连杆腿部机构包括电机A、上连杆、下连杆和驱动杆；两组全方向滚轮机构分别连接在两组四连杆腿部机构的下连杆下端。本实用新型提供了一种足式结构与轮式结构相结合的移动式机器人，其中，足式结构为基于四连杆机构的双足结构，相比多足结构具有结构简单、机构稳定和控制策略简单的优势，其中，轮式结构设在足式结构的下端，其通过电机B驱动滚轮做圆周转动，通过电机C驱动滚轮做水平转动，从而极大拓展了移动单元的移动灵活性。

Description

可灵活动作的轮腿式移动单元

技术领域

本实用新型涉及机器人移动/行进结构技术领域，特别是一种可灵活动作的轮腿式移动单元。

背景技术

随着机器人行业的迅猛发展，各式各样的机器人不断涌现，其中，移动式机器人是应用最为广泛的一类，在物流仓储、军事探查、抢险救灾、户外运输、家庭服务等领域都能看见其身影。

移动式机器人按照驱动方式可分为足式、轮式和履带式，这三种各有优缺点和适用场景。其中，足式机器人具有地形适应性好，动作灵活(能实现复杂的动作姿态)的特点，但控制难度较高，适用于崎岖路面或障碍物较多的路面。其中，轮式机器人具有平地速度快，易于控制的特点，但对路面条件有一定要求，适用于无障碍物或少障碍物和较为平坦的路面。

随着移动式机器人应用领域的不断拓展，人们对移动式机器人运动性能的要求也越来越高，单纯的轮式或足式或履带式机器人在某些特定场合并不能很好的发挥作用。因此，为了拓宽移动式机器人的应用场景和工作领域，研发两种驱动方式相结合的移动式机器人(例如：公开号为CN112078678A的发明专利“核应急机器人可变形复合底盘及其应用方法”公开了一种履带式与轮式相结合的移动式机器人)，以期将不同驱动方式优点相结合，成为国内外机器人研究学者的重点研究方向。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，而提供一种可灵活动作的轮腿式移动单元，它应用于移动式机器人，结合了轮式结构与足式结构的优点，为拓宽移动式机器人的应用场景和工作领域提供了先决基础。

本实用新型的技术方案是：可灵活动作的轮腿式移动单元，包括机架、四连杆腿部机构和全方向滚轮机构；

机架包括底板和固连在底板两侧的侧板；

两组四连杆腿部机构分别连接在机架两侧；四连杆腿部机构包括电机A、上连杆、下连杆和驱动杆；电机A安装在底板一侧，并与两块侧板中的其中一块相邻布置，其机轴平行于底板并向底板外侧伸出；上连杆的上端铰接在与电机A相邻的一块侧板上，上连杆的下端与下连杆的上端相互铰接；驱动杆一端固定安装在电机A的机轴上，另一端铰接在下连杆上，驱动杆在电机A的驱动下转动，进而带动上连杆和下连杆联动，使上连杆与下连杆之间的夹角变化；

两组全方向滚轮机构分别连接在两组四连杆腿部机构的下连杆下端。

本实用新型进一步的技术方案是：全方向滚轮机构包括基板、铰接轴、旋转轴、滚轮座、滚轮、滚轮轴、电机B、电机C和齿轮副；基板上端两侧固设有用于安装铰接轴的耳部，耳部上设有供铰接轴穿过的轴孔；铰接轴转动安装在两个耳部的轴孔中并被轴向限位，铰接轴的一端与下连杆的下端连接；旋转轴垂直于基板布置并转动安装在基板上并被轴向定位，其两端分别位于基板上端和基板下端；滚轮座固定连接在旋转轴下端；滚轮通过滚轮轴转动安装在滚轮座上；电机B固定安装在滚轮座上，其机轴通过联轴器与滚轮轴连接；电机C固定安装在基板上端，其机轴垂直于基板伸出；齿轮副包括主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮固定安装在电机C的机轴上，从动齿轮固定安装在旋转轴上端并与主动齿轮啮合。

本实用新型进一步的技术方案是：底板上端固定连接有附件安装架；附件安装架上端设有定位孔A和定位孔B，底板在定位孔A和定位孔B的正下方分别设有卡口A和卡口B；

其还包括电池模块、视觉模块、姿态传感器、编码器和单片机；电池模块通过附件安装架上的定位孔A插装在底板的卡口A中，并与各需电部件电连接；视觉模块包括摄像头和图像处理芯片，摄像头通过附件安装架上的定位孔B插装在底板的卡口B中，其用于获取周围环境信息，图像处理芯片与摄像头电连接，其用于提供与机器人视觉算法相关的图像处理操作；姿态传感器固定安装在底板上，其用于获取机架的姿态信息数据；多个编码器分别以一一对应的方式与电机A、电机B和电机C电连接，每个编码器控制一个电机的运行；单片机固定安装在底板上，其信号输入端口分别与图像处理芯片和姿态传感器电连接，其信号输出端口与编码器电连接。

本实用新型再进一步的技术方案是：四连杆腿部机构还包括减震组件。减震组件包括套管、端盖、连接杆和弹簧；套管内部设有一端封闭另一端敞口的内孔，两根套管在封闭端分别铰接在上连杆和驱动杆上，两根套管的敞口相对布置；两个端盖分别固定安装在两个套管的敞口处，端盖中心处设有穿杆孔；连接杆包括小径段和固定连接在小径段两端的大径段，连接杆两端的大径段分别与两个套管的内孔滑动配合，连接杆的小径段的两端分别穿过两个端盖上的穿杆孔；当连接杆的大径段移动至与端盖的端面相抵或与套管的内孔封闭端相抵时，连接杆达到极限位置；弹簧套装在连接杆的小径段上，弹簧的两端分别抵住两个端盖的端面。

本实用新型更进一步的技术方案是：电池模块选择航模电池，摄像头选择双目摄像头，图像处理芯片选择Jetson Nano边缘计算开发板，姿态传感器选择MPU-6050陀螺仪，编码器选择AS5147P磁性旋转位置传感器，单片机选择ESP32微控制器。

本实用新型更进一步的技术方案是：其还包括无线传输模块和无线遥控器；无线传输模块与单片机电连接，无线传输模块与无线遥控器以无线通信方式连接。

本实用新型更进一步的技术方案是：无线传输模块为无线串口模块，无线遥控器为大疆无线遥控器。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

1、其提供了一种足式结构与轮式结构相结合的移动式机器人，其中，足式结构为基于四连杆机构的双足结构，相比多足结构(四足、六足、八足)具有结构简单、机构稳定和控制策略简单的优势，其中，轮式结构设在足式结构的下端，其通过电机B驱动滚轮做圆周转动，通过电机C驱动滚轮做水平转动，从而极大拓展了移动单元的移动灵活性。

2、足式结构与轮式结构相结合具有以下优点：

Ⅰ、四连杆腿部机构可以做主动隔振，即躯干(机架)运动轨迹与足端(滚轮)轨迹解耦，从而使移动单元在起伏路面仍可保持躯干平稳；当遇到地面障碍物时，机架一侧或两侧的四连杆腿部机构可做适应性变形，使机架保持平稳和水平，提高了对崎岖路面的适应性；

Ⅱ、双轮移动形式可实现零半径转弯，提高了移动单元整体的运动灵活性；轮式结构可实现平坦地面低功耗快速移动,也可适应崎岖度较小的地形。

以下结合图和实施例对本实用新型作进一步描述。

附图说明

图1为本实用新型在第一种视角下的结构示意图；

图2为本实用新型在第二种视角下的结构示意图；

图3为本实用新型在单侧滚轮经过障碍物时的状态(视角1)；

图4为本实用新型在单侧滚轮经过障碍物时的状态(视角2)；

图5为四连杆腿部机构中的减震组件的装配关系示意简图；

图6为全方向滚轮机构中的部分零件的装配关系示意简图；

图7为本实用新型中各需电部件的电连接关系示意图。

图例说明：底板11；卡口A111；卡口B112；侧板12；附件安装架13；定位孔A131；定位孔B132；电机A21；上连杆22；下连杆23；驱动杆24；套管25；端盖26；连接杆27；弹簧28；基板31；耳部311；铰接轴32；旋转轴33；滚轮座34；滚轮35；滚轮轴36；电机B37；电机C38；主动齿轮391；从动齿轮392；电池模块4；摄像头51；图像处理芯片52；姿态传感器6；编码器7；单片机8；无线传输模块91；无线遥控器92。

具体实施方式

实施例1：

如图1-7所示，可灵活动作的轮腿式移动单元，包括机架、四连杆腿部机构和全方向滚轮机构。

机架包括底板11和固连在底板11两侧的侧板12。

两组四连杆腿部机构分别连接在机架两侧。四连杆腿部机构包括电机A21、上连杆22、下连杆23和驱动杆24。电机A21安装在底板11一侧，并与两块侧板12中的其中一块相邻布置，其机轴平行于底板11并向底板11外侧伸出。上连杆22的上端铰接在与电机A21相邻的一块侧板12上，上连杆22的下端与下连杆23的上端相互铰接。驱动杆24一端固定安装在电机A21的机轴上，另一端铰接在下连杆23上，驱动杆24在电机A21的驱动下转动，进而带动上连杆22和下连杆23联动，使上连杆22与下连杆23之间的夹角变化。

两组全方向滚轮机构分别连接在两组四连杆腿部机构的下连杆23下端。全方向滚轮机构包括基板31、铰接轴32、旋转轴33、滚轮座34、滚轮35、滚轮轴36、电机B37、电机C38和齿轮副。基板31上端两侧固设有用于安装铰接轴32的耳部311，耳部311上设有供铰接轴穿过的轴孔。铰接轴32转动安装在两个耳部311的轴孔中并被轴向限位，铰接轴32的一端与下连杆23的下端连接。旋转轴33垂直于基板31布置并转动安装在基板31上并被轴向定位，其两端分别位于基板31上端和基板31下端。滚轮座34固定连接在旋转轴33下端。滚轮35通过滚轮轴36转动安装在滚轮座34上。电机B37固定安装在滚轮座34上，其机轴通过联轴器与滚轮轴36连接。电机C38固定安装在基板31上端，其机轴垂直于基板31伸出。齿轮副包括主动齿轮391和从动齿轮392，主动齿轮391固定安装在电机C38的机轴上，从动齿轮392固定安装在旋转轴33上端并与主动齿轮391啮合。

优选，底板11上端固定连接有附件安装架13。附件安装架13上端设有定位孔A131和定位孔B132，底板11在定位孔A131和定位孔B132的正下方分别设有卡口A111和卡口B112。

优选，四连杆腿部机构还包括减震组件。减震组件包括套管25、端盖26、连接杆27和弹簧28；套管25内部设有一端封闭另一端敞口的内孔，两根套管25在封闭端分别铰接在上连杆22和驱动杆24上，两根套管25的敞口相对布置；两个端盖26分别固定安装在两个套管的敞口处，端盖26中心处设有穿杆孔；连接杆27包括小径段271和固定连接在小径段两端的大径段272，连接杆27两端的大径段272分别与两个套管25的内孔滑动配合，连接杆27的小径段271的两端分别穿过两个端盖26上的穿杆孔；当连接杆27的大径段272移动至与端盖26的端面相抵或与套管25的内孔封闭端相抵时，连接杆27达到极限位置；弹簧28套装在连接杆27的小径段271上，弹簧28的两端分别抵住两个端盖26的端面。基于减震组件的设置，一方面用于减震，缓冲因路面不平整引发的震动，有利于维持机架平稳，保护机架上的元器件，另一方面在一定程度上限制了上连杆和下连杆的转动角度，避免过大或过小的转动角度导致四连杆腿部机构卡死。

优选，可灵活动作的轮腿式移动单元还包括电池模块4、视觉模块、姿态传感器6、编码器7和单片机8。电池模块4通过附件安装架13上的定位孔A131插装在底板11的卡口A111中，并与各需电部件电连接。视觉模块包括摄像头51和图像处理芯片52，摄像头51通过附件安装架13上的定位孔B132插装在底板11的卡口B112中，其用于获取周围环境信息，图像处理芯片52与摄像头电连接，其用于提供与机器人视觉算法相关的图像处理操作。姿态传感器6固定安装在底板11上，其用于获取机架的姿态信息数据。多个编码器7分别以一一对应的方式与电机A21、电机B37和电机C38电连接，每个编码器7控制一个电机(所述电机为电机A21、电机B37和电机C38的统称)的运行。单片机8固定安装在底板11上，其信号输入端口分别与图像处理芯片52和姿态传感器6电连接，其信号输出端口与编码器7电连接。

优选，电池模块4选择航模电池，摄像头51选择双目摄像头，图像处理芯片52选择Jetson Nano边缘计算开发板，姿态传感器6选择MPU-6050陀螺仪，编码器7选择AS5147P磁性旋转位置传感器，单片机8选择ESP32微控制器。

优选，可灵活动作的轮腿式移动单元还包括无线传输模块91和无线遥控器92。无线传输模块91与单片机8电连接，无线传输模块91与无线遥控器92以无线通信方式连接，无线传输模块91为无线串口模块，无线遥控器92为大疆无线遥控器。

简述本实用新型的使用：

可灵活动作的轮腿式移动单元应用于移动式机器人，结合了足式结构与轮式结构的优点。

参看图1-2，在全方向滚轮机构(足式结构)中，电机B37用于驱动滚轮35转动，提供了轮腿式移动单元行进的动力，电机B37的数量为两个，一个电机B37用于控制一个滚轮35的转动，进而可通过两个滚轮35不同的转速实现差速转向，电机C38通过齿轮副的动力传递驱动滚轮座34和滚轮35做水平转动，进而可实现原地零半径转向或掉头。

参看图3-4，在四连杆腿部机构中，两组四连杆腿部机构分别通过各自包含的电机A21控制其伸缩变形，当上连杆22与下连杆23之间的夹角变大时，四连杆腿部机构沿竖直方向长度拉长，当上连杆22与下连杆23之间的夹角变小时，四连杆腿部机构沿竖直方向长度缩短，当遇到地面障碍物时，机架一侧或两侧的四连杆腿部机构可做适应性变形，使机架保持平稳和水平。

关于单片机的选择与论证：

若想使轮腿式移动单元完成一系列功能与任务，首先要确定“大脑”的选择，因此，将单片机的选型放到第一位，以下是当前比较主流的一些MCU，下面将会根据设计需要及性价比来选择。

方案一：采用树莓派作为控制器。树莓派的外形小巧，但内部功能却很强大，CPU性能好、速度快、分辨率高、数据传输快、内存选择多，树莓派不但可以实现更复杂的任务管理，还能提供IO引脚，直接控制别的最底层的硬件。但树莓派价格相对昂贵，出于经济考虑，放弃此方案。

方案二：采用STC公司的STC12C5A60S2单片机作为控制器，STC12C5A60S2单片机功耗低，运行速度快，抵抗外界干扰能力强，它的指令能完全与古老的8051相融，并且速度也加快了8-12倍(相比于8051)，能够满足本设计要求。但考虑到此芯片资料较少，开发生态相比于其他芯片没有十分完善故放弃此方案。

方案三：采用STC公司的STC89C52微处理器作为控制器，STC89C52微处理器配备了8K可编程Flash内存，并保留了灵活的8位CPU以及可编程Flash，使其能够提供高灵活性和高效率的各种嵌入式应用。但考虑到轮腿式移动单元的动作及姿态控制稍显复杂，担心STC89C52微处理器的性能极有可能无法完美完成各项功能，故放弃此方案。

方案四：基于ST公司的STM32,STM32是以ARM7为核心的32位微处理器，支持任意时间的仿真与追踪。采用的是ARM核心架构，它的实时性能极好，功耗控制这部分十分出挑，可搭配的外部设备种类较多，开发方便，可使产品迅速投入市场中。

方案五：基于中国乐鑫科技公司的ESP32，ESP32是一种低成本、低功耗、高性能的微控制器，它是ESP8266的升级版本，具有更多的GPIO引脚、更快的处理速度、更好的Wi-Fi和蓝牙连接能力，以及更多的内存。ESP32拥有两个处理器内核，一个主核和一个辅助核，可以使系统在多任务处理时更加高效。ESP32具有优秀的省电特性，可以在不需要高性能时进入深度睡眠状态，以降低功耗。

综上所述，MCU的选型则只剩下了STM32与ESP32，两芯片各有优缺点，使用场景也有所不同，一时间无法取舍，但由于考虑到需要驱动无刷电机，发现ESP32有着良好的开发环境与完善的SimpleFOC库文件可，以很方便的制作无刷电机的驱动，因此最终选择ESP32作为轮腿式移动单元的主控芯片(即上述的单片机8)，而STM32仅作为无线遥控器92的主控芯片。

关于电机的选择与论证：

由于轮腿式移动单元的基本功能全部建立在直立平衡的标准上，则第二部便是确定电机的选型，以下是市面上主流的的一些电机，下面会根据设计需要及性价比来选择。

方案一：采用微型直流电机，微型直流电机通常是机器人和玩具车等小型应用的首选电机，因为它们体积小、重量轻，功率适中，成本也相对较低。微型直流电机具有响应速度快、转速高、易于控制等优点。但是微型直流电机转速波动较大，容易出现失速现象，因此在本设计中放弃选用。

方案二：采用步进电机，步进电机具有控制精度高、转速低、运行平稳等优点，通常用于需要精确定位和控制角度的应用。与微型直流电机相比，步进电机转速稳定，但是功率较小，体积重量较大，成本也较高。因此在本设计中放弃使用步进电机。

方案三：采用无刷电机，无刷直流电机具有高效率、低噪音、长寿命等优点，通常用于需要高速和高功率的应用。与微型直流电机和步进电机相比，无刷直流电机转速更高，但是成本也更高。

综上所述，使用无刷电机驱动轮腿式移动单元有较为明显的优点，例如它们的转速和功率都相对较高，可以提供更高的速度和加速度，从而实现更灵活的机器人运动控制。同时，由于无刷电机结构简单、不易损坏，也具有较长的使用寿命。因此最终采用无刷直流电机(电机A、电机B、电机C均采用无刷直流电机)为轮腿式移动单元提供动力。

关于磁编码器芯片的选择与论证：

在确定驱动电机之后必须要考虑如何精确的控制电机，若想要精确的控制电机就必须要选择编码器芯片，以下是市面上主流的一些编码器芯片，下面将会根据设计需要及性价比进行选择。

方案一：AS5600：具有高分辨率和低功耗的12位磁性旋转位置传感器，可以实现360度无死角的角度测量。该芯片的优点是成本低、功耗小、解析度高，适用于一些小型的低功耗应用。相比于比他类型的磁编码器芯片，该芯片分辨率相比之下精度较低，在轮腿式移动单元的直立控制中，对电机位置的精度要求较高，故放弃此方案。

方案二：AS5048A：具有14位分辨率的磁性旋转位置传感器，支持多种接口，如PWM、SSI和BiSS-C。该芯片的优点是分辨率高、精度高、可靠性高，适用于需要高精度和高稳定性的应用。该芯片精度较高，价格昂贵性价比不高，故放弃此方案。

方案三：M72472：可提供12位分辨率的测量值的三轴磁性传感器。该芯片的优点是高分辨率、抗干扰性强、可靠性高，适用于需要高精度和高可靠性的应用。相比于比他类型的磁编码器芯片，该芯片分辨率相比之下精度较低，在轮腿式移动单元的直立控制中，对电机位置的精度要求较高，故放弃此方案。

方案四：AS5147P：具有高分辨率和低功耗的14位磁性旋转位置传感器，支持SPI接口。该芯片的优点是分辨率高、功耗低、响应速度快，适用于需要高分辨率和高响应速度的应用。

综上所述，AS5147P最适合轮腿式移动单元的设计，一方面，支持SPI通信，可以很好的与MCU结合，以获取电机的位置信息，另一方面，精度较高响应较快。因此最终采用AS5147P作为磁编码器芯片(即上述的编码器7)。

关于姿态传感器的选择与论证：

轮腿式移动单元想要保持平衡，首先得先确定自身的姿态，根据姿态信息计算如何调整，那么一款合适的姿态传感器便显得尤为重要，以下是市面上一些主流的姿态传感器，下面将会根据设计需要及性价比选择。

方案一：MPU-6050：是一款经典的6自由度IMU，由三轴陀螺仪和三轴加速度计组成，可通过I2C接口与微控制器通信。优点是价格低廉，性能稳定，广泛应用于DIY机器人和嵌入式系统中。缺点是精度相对较低，不适合高精度应用。

方案二：MPU-9250：是一款集成了9自由度(9-DoF)传感器的IMU，包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计，可通过SPI或I2C接口与微控制器通信。优点是功能全面，精度较高，适合一些对姿态测量精度要求较高的应用。缺点是价格相对较高。

方案三：BNO055：是一款集成了9自由度(9-DoF)传感器和传感器融合算法的IMU，包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计和温度传感器，可通过I2C或SPI接口与微控制器通信。优点是集成度高，姿态解算精度较高，适合一些对姿态精度要求较高的应用。缺点是价格相对较高。

方案四：LSM9DS1：是一款集成了9自由度传感器的IMU，包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计，可通过SPI或I2C接口与微控制器通信。优点是价格适中，精度较高，适合一些对姿态测量精度要求较高的应用。缺点是集成度相对较低，需要进行传感器融合算法处理。

综上所述，在轮腿式移动单元的设计中，对姿态传感器的姿态没有非常高的要求，在考虑性价比的情况下，MPU-6050和LSM9DS1都是不错的选择，优考虑到使用的方便性最终选择MPU6050作为姿态传感器6。

关于无线传输模块的选择与论证：

在轮腿式移动单元的设计方案中，需要利用无线遥控器来控制其各项功能,那么选取一个合适的无线通信方案是必不可少的,以下是市面上一些主流的无线传输模块,下面将会根据需要及性价比选择。

方案一：蓝牙，是一种广泛应用的无线通信技术，适用于移动设备、消费类电子产品、医疗设备等领域。蓝牙通信距离较远，可以在10 -100米范围内实现通信，支持多设备连接。蓝牙通信速率较慢，通常在1Mbps以下，不适合高速数据传输。

方案二：Wi-Fi，是一种高速、大带宽的无线通信技术，适用于家庭、企业、公共场所等领域。Wi-Fi通信速度快，可以达到几十Mbps或上百Mbps，支持多设备连接。但Wi-Fi的功耗较高，需要较高的硬件成本和复杂度，不适合低成本应用。

方案三：射频，是一种适用于长距离通信的无线技术，主要用于电信、无线电、远程控制等领域。射频通信距离较远，可以在数十千米至数百千米的范围内实现通信，支持大数据传输。但受干扰影响较大，通信不稳定，易被窃听和干扰。

方案四：无线串口，是一种适用于短距离通信的无线技术，主要用于单片机、传感器等嵌入式设备的无线通信。无线串口的通信距离一般在数十米以内，通信速率较快，可以达到几百Kbps至数Mbps的范围，支持多设备连接。但无线串口通信安全性较差，易被窃听和干扰。其优点为通信距离适中、通信速率较快、支持多设备连接。

综上所述，在轮腿式移动单元的设计中，考虑到操作及设计的简洁性和稳定性，故选择无线串口模块作为无线传输模块91。

关于供电方案的选择与论证：

供电方式的确定对轮腿式移动单元的性能影响比较大,以下是几种常见的供电方案,下面将会根据设计需求选择。

方案一：电池供电，这是最简单的供电方案，直接将电池连接到机器人的电源输入端，例如通过JST或XT30等插头进行连接。可以选择不同类型、容量和电压的电池，比如锂电池、镍氢电池、铅酸电池等。优点在于方案简单、易于操作，适用于小型机器人。缺点在于电池容量有限，需要经常更换或充电。

方案二：航模电池供电，航模电池通常采用锂电池技术，具有高容量、高放电率、轻便等特点。它们通常使用标准的XT-60插头连接器，可以直接连接到机器人的电源输入端。其优点为：具有高容量、高放电率、轻便等优点，可以提供稳定的电源，适用于需要较长工作时间的应用场景。

综上所述，考虑到轮腿式移动单元的外设所需驱动电流较大，需要选择放电能力较强的供电方案，最终选择使用航模电池供电。

关于摄像头的分析与选择：

双目视觉摄像头相比单目视觉摄像头具有更好的景深感和三维测量能力，可以提供更为准确的深度信息，从而相对更容易进行避障算法的实现，双目视觉摄像头的多视角的图像信息也有助于提高物体的识别率，并能够提高图像实时回传和实时处理的效率。在具体摄像头的选择上，使用Jetson Nano平台下可用的双目相机Realsense D435i。

关于图像处理芯片的分析与选择：

Jetson Nano边缘计算开发板配备了四核ARM“Cortex-A57”CPU和128个NVIDIA“Maxwell”GPU核心，拥有强大的计算能力，可以快速处理图像数据，加速机器人视觉算法的运行。Jetson Nano边缘计算开发板的硬件和软件都支持多种AI算法和框架，如TensorRT、Caffe、PyTorch、OpenCV等，方便开发者进行物体识别、目标跟踪、自动避障等视觉和语音任务。

Jetson Nano边缘计算开发板的尺寸只有69.6mm×45mm，非常小巧便携，适合嵌入式和机器人应用，可以连接各种外设，如摄像头、蜂鸣器、传感器等，并提供多种接口如USB3.0、HDMI、Ethernet，非常方便开发者进行调试和部署。Jetson Nano边缘计算开发板的功耗只有5瓦，非常适合低功耗嵌入式系统和需要长时间工作的机器人应用场景。因此，选用Jetson Nano边缘计算开发板作为图像处理芯片52。

本实用新型关于软件方案的选择如下：

1、单片机数据处理方案

对于单片机8(ESP32)从姿态传感器6(MPU6050)读取的姿态信息数据，通常需要进行滤波处理以去除噪声和不稳定性，以提高控制系统的稳定性和精度。常用的姿态滤波算法包括卡尔曼滤波、互补滤波和移动平均滤波等，对比后，选用卡尔曼滤波对MPU6050的数据进行处理，卡尔曼滤波的优点是对于含有噪声和不确定性的信号可以有效地滤波和估计。

2、机架平衡保持方案

双轮足机器人保持平衡直立的控制算法一般使用PID控制算法。PID控制器根据偏差(即期望输出与实际输出之间的差异)、积分和导数，计算出控制量。在平衡直立的情况下，期望输出为零，偏差为当前姿态角度与目标姿态角度之间的差异。控制器通过调整电机转速的方式来控制机器人的姿态，以达到平衡直立的目的。

但单环PID控制对于双轮足机器人的平衡控制可以实现基本的直立控制，但是在实际应用中可能存在一些问题，例如机器人的移动速度可能并不为0。这是因为单环PID控制只能通过调节控制器的PID参数来控制系统的响应速度和稳定性，而无法解决系统中存在的非线性、时变和耦合等问题。

因此，选用串级PID，串级PID是一种PID控制器的控制结构，它由24两个或多个PID控制器组成，其中一个控制器的输出被连接到另一个控制器的输入。在双轮足机器人的控制中，串级PID可以用于更好地控制车体的姿态和速度。具体而言，串级PID可以分为外环PID和内环PID。外环PID通常控制系统的姿态，例如双轮足机器人的倾斜角度。内环PID通常控制系统的速度，例如双轮足机器人的转动速度。外环PID控制器输出的值作为内环PID控制器的输入，内环PID控制器的输出值被用来控制实际的系统动作。这种结构的好处是外环PID控制器可以更好地控制系统的姿态，使得内环PID控制器的输入更加稳定，从而提高整个系统的性能。在双轮足机器人控制中，串级PID可以使系统更稳定，更准确地控制车体的倾斜角度和速度，从而实现更好的平衡直立效果。

3、无刷直流电机控制方案：

采用ESP32(上文选择的单片机8型号)+SimpleFOC的矢量控制，矢量控制(VectorControl)是一种电机控制算法，也称为磁场定向控制(Field Oriented Control，FOC)，它可以控制无刷电机的磁场方向和大小，从而实现对电机的精确控制。

矢量控制算法可以将三相无刷电机的转子转动变换为二相定子上的磁场定向控制，从而可以实现高效、精确的电机转速和转矩控制。这种算法需要测量电机的位置和速度信息，一般采用编码器、霍尔传感器或反电动势(Back EMF)等方式进行测量。矢量控制算法可以与多种硬件平台配合使用，包括Arduino、ESP32、STM32等，并且提供了简单易用的API接口和示例程序。用户可以通过修改配置文件来实现对电机的不同控制方案，例如速度控制、位置控制等。同时，SimpleFOC还提供了多种滤波算法、PID控制器等功能，方便用户进行进一步的优化和控制。

因此，使用单片机8(ESP32)和SimpleFOC实现轮腿式移动单元的无刷直流电机矢量控制，只需要选择合适的硬件和电机，同时对SimpleFOC的API接口和配置文件进行学习和调试便可以实现。

4、视觉识别方案

YOLO是一种实时目标检测算法，可以在几十毫秒内检测出输入图像中的物体，因此适用于实时回传、物体识别和自动避障等场景。YOLO算法具有较高的检测准确率，可以对多个物体进行同时识别和定位，甚至可以检测非常小的物体。在实际应用中，使用YOLO进行物体检测时具有较低的漏检率和误检率。相比其他深度学习算法，YOLO算法的训练速度快，可以快速地对大量的物体数据进行训练，提高算法的准确率和泛化能力，其模型相对较小，参数量较少，在嵌入式设备中具有较低的资源占用优势。因此，选择YOLO算法作为视觉识别方案。

Claims (7)

1.可灵活动作的轮腿式移动单元，其特征是：包括机架、四连杆腿部机构和全方向滚轮机构；

机架包括底板和固连在底板两侧的侧板；

两组四连杆腿部机构分别连接在机架两侧；四连杆腿部机构包括电机A、上连杆、下连杆和驱动杆；电机A安装在底板一侧，并与两块侧板中的其中一块相邻布置，其机轴平行于底板并向底板外侧伸出；上连杆的上端铰接在与电机A相邻的一块侧板上，上连杆的下端与下连杆的上端相互铰接；驱动杆一端固定安装在电机A的机轴上，另一端铰接在下连杆上，驱动杆在电机A的驱动下转动，进而带动上连杆和下连杆联动，使上连杆与下连杆之间的夹角变化；

两组全方向滚轮机构分别连接在两组四连杆腿部机构的下连杆下端。

2.如权利要求1所述的可灵活动作的轮腿式移动单元，其特征是：全方向滚轮机构包括基板、铰接轴、旋转轴、滚轮座、滚轮、滚轮轴、电机B、电机C和齿轮副；基板上端两侧固设有用于安装铰接轴的耳部，耳部上设有供铰接轴穿过的轴孔；铰接轴转动安装在两个耳部的轴孔中并被轴向限位，铰接轴的一端与下连杆的下端连接；旋转轴垂直于基板布置并转动安装在基板上并被轴向定位，其两端分别位于基板上端和基板下端；滚轮座固定连接在旋转轴下端；滚轮通过滚轮轴转动安装在滚轮座上；电机B固定安装在滚轮座上，其机轴通过联轴器与滚轮轴连接；电机C固定安装在基板上端，其机轴垂直于基板伸出；齿轮副包括主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮固定安装在电机C的机轴上，从动齿轮固定安装在旋转轴上端并与主动齿轮啮合。

3.如权利要求2所述的可灵活动作的轮腿式移动单元，其特征是：底板上端固定连接有附件安装架；附件安装架上端设有定位孔A和定位孔B，底板在定位孔A和定位孔B的正下方分别设有卡口A和卡口B；

其还包括电池模块、视觉模块、姿态传感器、编码器和单片机；电池模块通过附件安装架上的定位孔A插装在底板的卡口A中，并与各需电部件电连接；视觉模块包括摄像头和图像处理芯片，摄像头通过附件安装架上的定位孔B插装在底板的卡口B中，其用于获取周围环境信息，图像处理芯片与摄像头电连接，其用于提供与机器人视觉算法相关的图像处理操作；姿态传感器固定安装在底板上，其用于获取机架的姿态信息数据；多个编码器分别以一一对应的方式与电机A、电机B和电机C电连接，每个编码器控制一个电机的运行；单片机固定安装在底板上，其信号输入端口分别与图像处理芯片和姿态传感器电连接，其信号输出端口与编码器电连接。

4.如权利要求3所述的可灵活动作的轮腿式移动单元，其特征是：四连杆腿部机构还包括减震组件，减震组件包括套管、端盖、连接杆和弹簧；套管内部设有一端封闭另一端敞口的内孔，两根套管在封闭端分别铰接在上连杆和驱动杆上，两根套管的敞口相对布置；两个端盖分别固定安装在两个套管的敞口处，端盖中心处设有穿杆孔；连接杆包括小径段和固定连接在小径段两端的大径段，连接杆两端的大径段分别与两个套管的内孔滑动配合，连接杆的小径段的两端分别穿过两个端盖上的穿杆孔；当连接杆的大径段移动至与端盖的端面相抵或与套管的内孔封闭端相抵时，连接杆达到极限位置；弹簧套装在连接杆的小径段上，弹簧的两端分别抵住两个端盖的端面。

5.如权利要求4所述的可灵活动作的轮腿式移动单元，其特征是：电池模块选择航模电池，摄像头选择双目摄像头，图像处理芯片选择Jetson Nano边缘计算开发板，姿态传感器选择MPU-6050陀螺仪，编码器选择AS5147P磁性旋转位置传感器，单片机选择ESP32微控制器。

6.如权利要求5所述的可灵活动作的轮腿式移动单元，其特征是：其还包括无线传输模块和无线遥控器；无线传输模块与单片机电连接，无线传输模块与无线遥控器以无线通信方式连接。

7.如权利要求6所述的可灵活动作的轮腿式移动单元，其特征是：无线传输模块为无线串口模块，无线遥控器为大疆无线遥控器。