本發(fā)明為提供一種機(jī)器人，尤其是可在各種條件運(yùn)行時(shí)具有穩(wěn)定的機(jī)身，且在三個(gè)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人的頸部能夠有角度穩(wěn)定性的機(jī)器人。

背景技術(shù)：

安防監(jiān)控用機(jī)器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、反恐、防爆、空間探測等各個(gè)領(lǐng)域領(lǐng)域，有著非常廣闊的應(yīng)用。傳統(tǒng)上的安防監(jiān)控用機(jī)器人的硬件云臺(tái)包括了三輪底盤及四輪底盤。三輪底盤及四輪底盤包括不同的傳動(dòng)系統(tǒng)，可使用兩主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)、三主動(dòng)或是四主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。輪體部份可配合使用全向輪(Omni wheel)或是麥克納姆輪(Mecanum wheel)搭配而實(shí)現(xiàn)萬向移動(dòng)的功能。

麥克納姆輪是一種可以實(shí)現(xiàn)前行、斜行、橫移及旋轉(zhuǎn)或是其組合等運(yùn)動(dòng)方式，可全方位移動(dòng)的輪子，該輪的特點(diǎn)是以傳統(tǒng)車輪的基礎(chǔ)上，在輪緣上再沿與軸線成45°方向安裝若干可以自由旋轉(zhuǎn)的小滾筒，于車輪滾動(dòng)時(shí)，小滾軸就會(huì)產(chǎn)生側(cè)向運(yùn)動(dòng)而形成不同方向的組合力。通過麥克納姆輪將力組合使用和控制，可以使車體產(chǎn)生任意方向移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。但此輪僅能適用在卡車或是大型車輛上，且此輪行走速度較慢，故用于機(jī)器人上會(huì)有移動(dòng)困難的問題。

中國發(fā)明專利第CN 104714550A號(hào)揭示一種用于防控之機(jī)器人。其使用麥克納姆輪構(gòu)成之四輪底盤，加上可移動(dòng)的頸部裝置及頂部攝像頭構(gòu)成可在定點(diǎn)范圍內(nèi)進(jìn)行電力設(shè)備的巡檢各種物理量的防控機(jī)器人。但是此裝置移動(dòng)時(shí)需要配合磁道進(jìn)行，僅能單向行走，且頂部攝像頭僅能進(jìn)行小角度移動(dòng)，故增加在拍攝時(shí)的困難度，且需增加防控之機(jī)器人操作云臺(tái)的數(shù)量，相對不便。

另外，美國公告專利第US 8644991B2號(hào)揭示一種用于軍事安防之機(jī)器人。其不需要安裝磁道機(jī)身即可移動(dòng)，并具有爬樓梯和爬坡功能，另配合有頂部之?dāng)z像頭及頸部的折迭伸縮功能，可在機(jī)體行進(jìn)間調(diào)整整個(gè)機(jī)身的質(zhì)心并調(diào)整攝像高度及位置，讓移動(dòng)時(shí)機(jī)身保持穩(wěn)定不翻倒。且使用六輪傳動(dòng)增強(qiáng)移動(dòng)性及地形適應(yīng)性。但是此發(fā)明具有以下缺點(diǎn)：1.爬坡能力低于40度，爬坡能力較差。2.雖然配具六輪，但是輪子的移動(dòng)受限于履帶及底盤的控制，故旋轉(zhuǎn)能力較無履帶限制的一般六輪傳動(dòng)車差。3.僅能進(jìn)行折迭式伸縮攝像頭，但折迭式伸縮器使用時(shí)占據(jù)體積，且遇到障礙物時(shí)伸展困難，且伸縮器較為笨重，收藏不易。

綜上所述，現(xiàn)有機(jī)器人的平臺(tái)在設(shè)計(jì)上主要存在行動(dòng)能力問題，比如爬坡能力差，越障能力差，無法高速行走等。除了底盤因素外，質(zhì)心過高無法在傾斜等狀態(tài)下運(yùn)作亦為機(jī)器人行動(dòng)緩慢的原因。若無法保持機(jī)器人的機(jī)身穩(wěn)定，則保證機(jī)器人工作順暢。比如獲取影像是現(xiàn)在大部分機(jī)器人的主要任務(wù)之一，因?yàn)楝F(xiàn)有機(jī)器人在減震和通過性以及因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)造成的身體不夠平穩(wěn)的缺陷而無法持續(xù)穩(wěn)定獲取圖像。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種機(jī)器人，機(jī)器人包括頭部、頸部、主體部及輪體部，頸部藉由第一樞接軸與頸部樞接、頸部與主體部樞接，以及主體部設(shè)置于輪體部上，其特征在于，包含：頸部具有第一樞接軸，第一樞接軸控制頸部在三個(gè)軸方向上移動(dòng)以幫助機(jī)器人達(dá)到平衡；頸部具有第二樞接軸，利用第二樞接軸控制頸部升降或是前后伸展以改變機(jī)器人的質(zhì)心位置；主體部與頸部以第三樞接軸樞接，控制第三樞接軸及主體部以改變機(jī)器人質(zhì)心高度；以及輪體部具有多個(gè)輪胎裝置，每一個(gè)輪胎裝置是獨(dú)立的轉(zhuǎn)向輪，且每一個(gè)輪胎裝置的狀態(tài)都能被輪胎裝置內(nèi)部或外部的輪胎感測模塊所感知。機(jī)器人還具有控制系統(tǒng)，類似人的大腦，用于控制各部件的運(yùn)作。當(dāng)機(jī)器人在移動(dòng)時(shí)，藉由輪胎感測模塊測得每一個(gè)輪胎裝置的信息，包括輪胎裝置與移動(dòng)路面之間的受力情況以及與路面之間的角度，轉(zhuǎn)速，壓強(qiáng)，與主體部的相對位置，等，并可將所述輪胎裝置的信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，控制系統(tǒng)可以藉由所感知的每一個(gè)輪胎裝置的信息以調(diào)整第一樞接軸、第二樞接軸及第三樞接軸的三軸方向，使得機(jī)器人在移動(dòng)時(shí)可以保持機(jī)身的平衡。

優(yōu)選的，機(jī)器人的控制系統(tǒng)具有感知模塊，可以接受并感測外界信息，包括聲波、光波、電磁波、壓強(qiáng)、速度、角速度、磁場、溫度等，用以監(jiān)控所在環(huán)境，并可藉由所接收的外界信息的運(yùn)算結(jié)果，發(fā)出指令以調(diào)整機(jī)器人的第一轉(zhuǎn)向軸、第二轉(zhuǎn)向軸及第三轉(zhuǎn)向軸的三維座標(biāo)。

優(yōu)選的，頸部的移動(dòng)量可為角度量、長度量、速度量或是角速度量。

優(yōu)選的，頸部更包括：伸縮裝置，用以改變頸部的坐標(biāo)及升降裝置，用以改變頸部的高度。

優(yōu)選的，輪體部更包括具有獨(dú)立式主動(dòng)懸吊器及控制器的底盤裝置。所述主動(dòng)懸掛器可以在控制器的控制下實(shí)現(xiàn)位移、伸縮、改變角度等相對運(yùn)動(dòng)，起到平衡各個(gè)輪足所受壓力、主動(dòng)抬高以躲避障礙，爬越樓梯等障礙物等作用。

優(yōu)選的，其中輪體部中，該輪胎裝置為360度轉(zhuǎn)向輪。

優(yōu)選的，其中輪體部中的該輪胎裝置的數(shù)量為六個(gè)。

優(yōu)選的，其中機(jī)器人可爬行的坡度為±45度。

本發(fā)明另外提供一種機(jī)器人的控制方法，包括了：使用機(jī)器人的各部件操作。機(jī)器人的控制系統(tǒng)接受并感測外界信息后，發(fā)出第一操作指令至頸部操作裝置及主體部的驅(qū)動(dòng)裝置；頸部操作裝置產(chǎn)生第一頸部控制訊號(hào)讓頸部處理；頸部處理第一頸部控制訊號(hào)以讓機(jī)器人的頸部進(jìn)行伸縮、升降或是旋轉(zhuǎn)活動(dòng)；主體部中的驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生第二頸部控制訊號(hào)予頸部處理，及產(chǎn)生第一驅(qū)動(dòng)訊號(hào)至致動(dòng)裝置處理；致動(dòng)裝置處理后，生成第一致動(dòng)訊號(hào)予輪體部，并操控輪胎裝置作動(dòng)。

優(yōu)選的，機(jī)器人的頸部進(jìn)行伸縮或是旋轉(zhuǎn)活動(dòng)的方式包括藉由頸部中的伸縮裝置進(jìn)行伸縮及旋轉(zhuǎn)，藉由頸部中的升降裝置進(jìn)行升降。

優(yōu)選的，操控輪胎裝置作動(dòng)的方式包括輪體部接收第一致動(dòng)訊號(hào)后，藉由底盤裝置內(nèi)的懸吊器產(chǎn)生絕對位置給予輪胎裝置。

優(yōu)選的，第二操作指令訊號(hào)包含質(zhì)心位置訊號(hào)。

本發(fā)明的有益效果為：靈活的運(yùn)動(dòng)性，不但可以像一般車輛行駛，還可以原地旋轉(zhuǎn)及全向行走，在行走間轉(zhuǎn)向也有最小的轉(zhuǎn)彎半徑，不占空間；具有優(yōu)秀的爬坡、越障及爬樓能力，可以越過±45度的陡坡或爬越樓梯；及靈活的頸部像云臺(tái)一樣保證頭部在三個(gè)軸向上的角度穩(wěn)定性并減緩高速行駛中地面不平穩(wěn)造成頭部的震動(dòng)，在爬坡、越障及爬樓過程中機(jī)器人的機(jī)身質(zhì)心穩(wěn)定，平衡性較好。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明所揭露的技術(shù)，表示機(jī)器人各部件的架構(gòu)圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明所揭露的技術(shù)，表示機(jī)器人的頸部運(yùn)作流程的簡易流程圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明所揭露的技術(shù)，表示機(jī)器人的輪體部的架構(gòu)圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明所揭露的技術(shù)，表示機(jī)器人輪體部作動(dòng)時(shí)示意圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明所揭露的技術(shù)，表示機(jī)器人的輪體部爬坡時(shí)或爬階梯時(shí)的示意圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明所揭露的技術(shù)，表示機(jī)器人的頸部及頸部簡化之架構(gòu)圖；

圖7是根據(jù)本發(fā)明所揭露的技術(shù)，顯示機(jī)器人行進(jìn)時(shí)在不同狀況，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的上視圖；

圖8是動(dòng)力輪的示意圖。

圖9是根據(jù)本發(fā)明所揭露的技術(shù)，表示機(jī)器人的運(yùn)作方式流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)特征及優(yōu)點(diǎn)，能更為相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域人員所了解，并得以實(shí)施本發(fā)明，在此配合所附的圖式、具體闡明本發(fā)明的技術(shù)特征與實(shí)施方式，并列舉較佳實(shí)施例進(jìn)一步說明。以下文中所對照的圖式，為表達(dá)與本發(fā)明特征有關(guān)的示意，并未亦不需要依據(jù)實(shí)際情形完整繪制。而關(guān)于本案實(shí)施方式的說明中涉及本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的技術(shù)內(nèi)容，亦不再加以陳述。

請參照圖1，圖1為機(jī)器人各部件的架構(gòu)圖。包括頭部1、頸部2、主體及輪體部。頭部1，包括頸部操作裝置12?？刂葡到y(tǒng)11(圖中未顯示)可接受外界信息，并加以處理，轉(zhuǎn)換為操作指令。

頸部操作裝置12為控制頸部2動(dòng)作的部件，接收控制系統(tǒng)11(圖中未顯示)的所輸出的一連串第一操作指令，轉(zhuǎn)換成位置坐標(biāo)以控制頸部2作動(dòng)，頸部操作裝置12更包含伺服動(dòng)力裝置，所述伺服動(dòng)力裝置可為單獨(dú)一顆可在進(jìn)行三方向控制的三向馬達(dá)或是三顆僅能控制單軸的單向馬達(dá)，以實(shí)現(xiàn)頭部1或是頸部2在三個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)，活動(dòng)類似人類關(guān)節(jié)。頸部操作裝置12另包含傳感器，所述傳感器可以是慣性測量單元(IMU)和磁強(qiáng)計(jì)，以測量頭部1在慣性空間的姿態(tài)變化，并通過控制伺服動(dòng)力裝置，以實(shí)現(xiàn)頭部1水平和直向上姿態(tài)穩(wěn)定。另外，在向上抬頭、向下低頭及左右轉(zhuǎn)頭時(shí)均可以使頭部1實(shí)現(xiàn)水平姿態(tài)的穩(wěn)定，左右轉(zhuǎn)頭時(shí)可實(shí)現(xiàn)直向的穩(wěn)定。該機(jī)器人的頭部1可在穩(wěn)定狀態(tài)下執(zhí)行欲進(jìn)行的工作，亦可以指令追蹤狀態(tài)下執(zhí)行。機(jī)器人的能源供應(yīng)一般為電能，可為發(fā)電機(jī)、充電電池或一次性電池，在節(jié)能低碳的考慮下，以充電電池(未標(biāo)示在圖1)為較優(yōu)選的方式。

頭部1的運(yùn)作方式可為下列敘述：控制系統(tǒng)11具有同步接收人類訊號(hào)的功能，可根據(jù)人類的指揮動(dòng)作，例如揮手或是跳動(dòng)等身體語言，輸出操作指令給頸部操作裝置12，再由頸部操作裝置12控制頸部2作動(dòng)以符合操作者所需。例如操作者想要機(jī)器人頭部1向上抬，即把手往上揮動(dòng)，機(jī)器人的控制系統(tǒng)11接收到此揮動(dòng)的畫面后即控制頭部1往上抬。于另一運(yùn)作實(shí)施例，操作者在指揮機(jī)器人時(shí)帶上虛擬眼鏡，此虛擬眼鏡可看到的畫面與機(jī)器人控制系統(tǒng)11接收的畫面信息同步的，當(dāng)操作者見到虛擬眼鏡中的畫面是樓梯時(shí)，即可以通過控制系統(tǒng)11向機(jī)器人下達(dá)爬樓梯的指令，機(jī)器人的控制系統(tǒng)11接受至此信息后即會(huì)往上爬樓梯。

頸部2，連接于頭部1，受控于頭部1及主體部3，于頸部2內(nèi)包括伸縮裝置21及升降裝置22，其中，伸縮裝置21是用以改變頸部2的坐標(biāo)，且具有整體傾斜運(yùn)動(dòng)的功能，其附有三樞接軸及兩連接桿，樞接軸類似人體的關(guān)節(jié)，連接桿類似人體的骨骼。第一樞接軸與頭部1及第一連接桿連接。配合圖2揭露的機(jī)器人頭部1運(yùn)作時(shí)動(dòng)態(tài)示意圖，第一樞接軸可于三個(gè)坐標(biāo)方向(可為卡式坐標(biāo)x,y,z、圓柱坐標(biāo)r,z或是球體坐標(biāo)r,θ)活動(dòng)，即在三維空間內(nèi)的活動(dòng)。因第一樞接軸是與頭部1相接，第一樞接軸可在三維坐標(biāo)上的任一坐標(biāo)值移動(dòng)，及依照不同的直線速度或是角速度任意轉(zhuǎn)動(dòng)及移動(dòng)，比起人的頸部僅能在限制的方向上移動(dòng)，本發(fā)明所揭露的機(jī)器人的頸部2更可以靈活的運(yùn)動(dòng)。人的頸部一般僅能在平面角0度至80度(以平行地面的面集合定為基準(zhǔn)面及頸部2定為基準(zhǔn)軸)之間旋轉(zhuǎn)、一般僅能在立體角(θ)20度至80度(以平行地面的面集合定為基準(zhǔn)面及頸部2定為基準(zhǔn)軸)之間移動(dòng)，因此本發(fā)明之機(jī)器人頸部2可在任意角度范圍活動(dòng)，但要注意的是，機(jī)器人的頸部2在活動(dòng)時(shí)以頭部1不接觸至頸部2部件為佳，因此可以使頭部1在三個(gè)軸向上運(yùn)動(dòng)，并確保頭部1在三個(gè)軸向上的移動(dòng)穩(wěn)定性。第二樞接軸，與第一連接桿連接及第二連接桿連接，第二樞接軸可于兩個(gè)坐標(biāo)方向活動(dòng)，與第二連接桿及主體部3連接。第三樞接軸，其與第二連接桿及升降裝置22連接，第三樞接軸可兩軸式活動(dòng)，為避免頭部1接觸到機(jī)器人機(jī)身的其他部件造成機(jī)器人不穩(wěn)定，第二樞接軸及第三樞接軸可限定僅于在三維坐標(biāo)上的任意兩個(gè)坐標(biāo)之間進(jìn)行，例如僅能平面旋轉(zhuǎn)而不能立體旋轉(zhuǎn)，僅能在卡式坐標(biāo)的Y方向和Z方向做動(dòng)，但實(shí)際上作動(dòng)方向是根據(jù)操縱者需求所設(shè)計(jì)，故可轉(zhuǎn)動(dòng)的坐標(biāo)不在此限。

伸縮裝置21整體上可使頭部1出現(xiàn)在三維坐標(biāo)的任一個(gè)點(diǎn)上，且伸縮裝置21運(yùn)作時(shí)從側(cè)面看呈現(xiàn)【>】或是【<】字型，伸縮裝置21在機(jī)器人不處于工作狀態(tài)時(shí)，兩連接桿可自動(dòng)的水平的迭置或是鄰接，減少置放空間；另外，兩連接桿之間的連接方式可為螺合、鉸鏈樞接、具有圓珠式的軸承連接、嚙合或是以磁性連接，可任意選擇與環(huán)境相符的結(jié)合方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。連接桿的材質(zhì)不限于塑料或是金屬。升降裝置22，具有升降功能，僅有一個(gè)升降桿，可活動(dòng)的方向?yàn)榇怪庇诘孛娴姆较?，用以改變頸部2的高度，并且可以通過升降抵消來自地面的顛簸，具有減震的功效。升降裝置22其頂部樞接于第二連接桿，其底部接合于主體部3。升降裝置22在機(jī)器人不處與工作狀態(tài)時(shí)，升降桿可自動(dòng)的降回主體部3中的腔體(未在圖中表示)，減少機(jī)器人在收納時(shí)的整體高度，方便操作者收納。頸部2之作動(dòng)狀態(tài)可為圖3所示。圖3為機(jī)器人頸部2折迭及升降時(shí)的示意圖，其中此圖表示機(jī)器人的頸部2已升到最高的高度。

主體部3，連接于頸部2，包括驅(qū)動(dòng)裝置31及致動(dòng)裝置32。輪胎感測模塊，可以感知任何一個(gè)輪子的狀態(tài)，包括轉(zhuǎn)速，角度、壓強(qiáng)、與主體部3的相對位置，等。在本發(fā)明中，驅(qū)動(dòng)裝置31包括處理器(processor)，是配合控制系統(tǒng)11的另一個(gè)運(yùn)算中心，其接收控制系統(tǒng)11所生成的操作指令訊號(hào)及輪胎感測模塊所感知的信息，運(yùn)算后生成頸部2控制訊號(hào)給頸部2，及驅(qū)動(dòng)訊號(hào)傳給致動(dòng)裝置32。在優(yōu)選的實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)裝置31接收控制系統(tǒng)11產(chǎn)生之處理過的畫面檔案，例如畫面位圖，及探測到的機(jī)器人身高后，結(jié)合環(huán)境中的信息，例如光、聲音或是震動(dòng)，和輪胎感測模塊所回饋之當(dāng)前機(jī)器人位置或是輪胎裝置42運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)裝置31輸出包含頸部2高度及機(jī)器人質(zhì)心位置的訊號(hào)給頸部2和致動(dòng)裝置32，頸部2和輪體部再根據(jù)這些訊號(hào)運(yùn)動(dòng)。另外，主體部3具有自動(dòng)穩(wěn)定平衡結(jié)構(gòu)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)身的傾斜角以改變機(jī)身的質(zhì)心，增加整個(gè)機(jī)身穩(wěn)定性。主體部3材質(zhì)是由金屬或是塑料殼體所構(gòu)成，上端具有中空的容置空間或是腔體，提供升降裝置22未升起時(shí)收藏用，主體部3的下端可以包覆底盤裝置41的懸吊器412及控制器411于機(jī)器人的機(jī)身內(nèi)，其中圖1中所指的懸吊器412示意圖包括了梯形和其鄰近的矩形，其中梯形由固定裝置所構(gòu)成，用以固定輪胎裝置42，矩形由彈簧及固定裝置所構(gòu)成，用以減緩輪胎裝置對于機(jī)身的沖擊力。機(jī)身之防摔、防震、防水及防塵效果佳，具有高防護(hù)性(具有IP67等級(jí))。

以上詳盡的介紹了機(jī)器人各部件的配置、如何作動(dòng)及功效，靈活的頭部1可在三個(gè)軸向上穩(wěn)定的活動(dòng)；可伸縮的頸部2能隨時(shí)變換身高，改變質(zhì)心高度；主體部3的高防護(hù)性外殼及優(yōu)秀的質(zhì)心運(yùn)算能力，確保整體機(jī)器人質(zhì)心穩(wěn)定，加上輪體部具有六輪獨(dú)立主動(dòng)懸掛式設(shè)計(jì)，最大程度保證了車身的穩(wěn)定性，且六個(gè)輪胎可以單獨(dú)的被控制器411操控，使輪胎裝置42獲得最靈活的運(yùn)動(dòng)性能，像普通車輛一樣行駛。一旦輪胎裝置42中單側(cè)有1個(gè)或2個(gè)輪胎失靈，主動(dòng)懸掛裝置可以實(shí)現(xiàn)故障診斷和系統(tǒng)重構(gòu)，即利用輪胎感測模塊敏感故障原因，再將失靈的輪胎收縮到盡量接近機(jī)身而遠(yuǎn)離地面的位置以隔離故障，機(jī)器人根據(jù)輪子的故障情況進(jìn)行自適應(yīng)的系統(tǒng)重構(gòu)，使得剩余的輪胎依然可以滿足機(jī)器人的功能，而不會(huì)因?yàn)橐粌蓚€(gè)輪胎的故障而導(dǎo)致機(jī)器人無法移動(dòng)。

圖4表示機(jī)器人輪體部作動(dòng)時(shí)示意圖，此圖僅用于說明輪體部的運(yùn)作，輪體部的結(jié)構(gòu)不限于圖中所示。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)作時(shí)，若是路上遇到障礙物或是地面不平坦時(shí)，輪胎裝置42和懸吊器412會(huì)自動(dòng)的采取調(diào)整手段以適應(yīng)環(huán)境。例如遇到突起物時(shí)，輪胎裝置42或在某個(gè)特定時(shí)間產(chǎn)生相對于懸吊器412的位移(即第二物理量)并回傳給控制器411?？刂破?11會(huì)再次根據(jù)不同時(shí)間產(chǎn)生的第二物理量運(yùn)算出位置(即第一物理量和第二物理量)予懸吊器412及輪胎裝置42以調(diào)整兩者位置。此過程會(huì)重復(fù)循環(huán)，直至機(jī)器人順利通過障礙物為止。此外，控制器411一方面輸出第一物理量和第二物理量調(diào)控輪胎裝置42與懸吊器412的位置外，另外，控制器411產(chǎn)生第二操作指令與驅(qū)動(dòng)裝置31，再由驅(qū)動(dòng)裝置31發(fā)出另一時(shí)間的第二頸部2控制訊號(hào)，以讓頸部2調(diào)整高度，穩(wěn)定整個(gè)機(jī)身的質(zhì)心。另外，由于本發(fā)明機(jī)器人底盤裝置41是一對一的驅(qū)動(dòng)輪胎裝置42，故不同的輪胎裝置42行經(jīng)不同的障礙物時(shí)，每一個(gè)輪胎裝置42可分別的調(diào)整其所對應(yīng)于底盤裝置41的相對位置或是速度。不同時(shí)間下，六個(gè)輪胎可能經(jīng)歷過不同的狀況，但是控制器411具有記憶的功能，可以將不同時(shí)間下、不同輪胎的第二物理量集合而運(yùn)算出第二操作指令，使驅(qū)動(dòng)裝置31進(jìn)行整體性的機(jī)器人質(zhì)心調(diào)控，或是根據(jù)前一個(gè)輪胎裝置42遇到障礙物時(shí)，所收集的速度時(shí)間記錄處理，以避免下一個(gè)時(shí)間或是下一個(gè)輪胎裝置42遇到障礙物。為避免產(chǎn)生視線死角，本發(fā)明的另一實(shí)施例可以選擇性的在底盤裝置41的殼體中增加感知裝置43，用以增強(qiáng)障礙物偵測，補(bǔ)強(qiáng)控制系統(tǒng)11在機(jī)身底部偵測障礙物的不足。感知裝置43，可以是CCD或是探測雷達(dá)，但不在此限。此感知裝置43可個(gè)別置放于懸吊器412上方，或是底盤裝置41的前端，數(shù)量亦不限制，但最佳實(shí)施例為置放在置放于懸吊器412上方及底盤裝置41，且數(shù)量為6個(gè)。

圖5表示機(jī)器人輪體部爬坡或爬階梯時(shí)的示意圖。當(dāng)機(jī)器人爬坡時(shí)，為保持機(jī)身的穩(wěn)定，致動(dòng)裝置32會(huì)將頸部2及主體部3往前傾，此時(shí)，機(jī)器人的質(zhì)心亦會(huì)往前，以確保機(jī)器人不會(huì)翻倒。當(dāng)行進(jìn)間遇到坡度時(shí)，在爬坡前，控制系統(tǒng)11會(huì)先觀察到斜坡出現(xiàn)在前方，經(jīng)控制系統(tǒng)11運(yùn)算后輸出包含斜坡角度訊號(hào)的第一操作指令，驅(qū)動(dòng)裝置31根據(jù)此操作指令處理后輸出包含初始的傾斜角度的第二頸部2控制訊號(hào)及驅(qū)動(dòng)訊號(hào)予頸部2和致動(dòng)裝置32調(diào)整角度?？刂葡到y(tǒng)11在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)時(shí)觀察眼前的坡度，一旦坡度改變，立即調(diào)整頸部2及主體部3前傾角度；下坡時(shí)亦然。在爬坡時(shí)，輪體部中的懸吊器412亦會(huì)根據(jù)坡度的不同自動(dòng)調(diào)整輪胎裝置42與懸吊器412的相對距離。在前述的致動(dòng)裝置32輸出包含角度值的致動(dòng)訊號(hào)后，控制器411處理后以操控懸吊器412及輪胎裝置42的相對位置。類似于在機(jī)器人裝置平面時(shí)的行動(dòng)，控制器411亦會(huì)輸出包含角度訊號(hào)的操作指令回饋給驅(qū)動(dòng)裝置31，以實(shí)時(shí)或動(dòng)態(tài)的修正頸部2主體部3與斜坡法向量之間的夾角及輪胎與底盤裝置41殼體內(nèi)的夾角。

圖5更揭示機(jī)器人在爬樓梯時(shí)的動(dòng)作態(tài)樣。爬梯時(shí)與爬坡時(shí)的最大差異為，爬梯時(shí)，樓梯整體上有雖然固定的坡度，但細(xì)部來看每一個(gè)小區(qū)間坡度是隨著位置呈現(xiàn)周期性改變。為了應(yīng)付此項(xiàng)地形限制，機(jī)器人在爬樓梯時(shí)除了要考慮到角度外，機(jī)器人的質(zhì)心隨著時(shí)間改變亦須要考慮。爬坡時(shí)，控制器411會(huì)配合小區(qū)段的坡度不同會(huì)輸出包含角度的第一物理量，使懸吊器412運(yùn)作時(shí)本身亦會(huì)有擺蕩角度，各輪胎會(huì)隨著懸吊器412的擺蕩而交替向前。另外，控制器411除了會(huì)隨著時(shí)間輸出在不同時(shí)間、不同角度的操作指令外，在爬梯時(shí)會(huì)類似上述在遇到障礙物時(shí)輸出在不同時(shí)間下的質(zhì)心訊號(hào)給驅(qū)動(dòng)裝置31，驅(qū)動(dòng)裝置31在以此訊號(hào)運(yùn)算后輸出第二頸部2控制訊號(hào)，以調(diào)整頸部2高度并調(diào)整質(zhì)心。

機(jī)器人的實(shí)際整體機(jī)身高度的調(diào)整可參考圖6及下列說明，圖6為機(jī)器人在爬坡時(shí)各部件簡化之架構(gòu)圖，圖上標(biāo)示了各部件長度、半徑及質(zhì)量的代號(hào)。假設(shè)主體部3質(zhì)心軸與輪體部質(zhì)心軸的交點(diǎn)為P點(diǎn)。若要以P點(diǎn)為準(zhǔn)，調(diào)整機(jī)器人調(diào)整質(zhì)心，使機(jī)器人在斜坡上不致傾倒時(shí)，要得知輪體部相較于上半身(頭部1、頸部2及主體部3合稱之)的旋轉(zhuǎn)角度α，首先要知道機(jī)器人扣除輪體部的高度Y才能求得。假設(shè)頭部1質(zhì)量為m1，頭部1半徑為r，兩連接桿的長度皆為m2，長度為L，斜坡角度為β時(shí)，頭部1中的頸部操作裝置12會(huì)先發(fā)出包含角度的第一頸部2控制訊號(hào)，使兩連接桿呈現(xiàn)的夾角為θ，主體部3質(zhì)量為m3，主體部3長度為b。經(jīng)由式1可計(jì)算出Y：Y＝m3*b2+2m2(L*sin²θ+b)+m1(r+2(sin²θ+b))/(m1+2*m2+m3)(式1)

輪體部中，底盤裝置41的控制器411中可附陀螺儀，其可得知目前輪體部的俯仰角(俯仰角同斜坡角度)，設(shè)定為β。假設(shè)機(jī)器人的上半身在偏轉(zhuǎn)相對重力方向的夾角為α?xí)r，上半身的質(zhì)心可以在中間輪子上并使機(jī)器人在斜坡上不傾倒。則透過式2可求得此夾角α：

主體部3的控制器411算出α后，即可包含α的輸出頸部2控制訊號(hào)以調(diào)整頸部2的角度。

圖7顯示機(jī)器人行進(jìn)時(shí)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的上視圖，在圖7中揭露了至少六種的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，至少包括：前后移動(dòng)、左右平移、交替爬行、原地旋轉(zhuǎn)、斜方向運(yùn)動(dòng)和小半徑轉(zhuǎn)向六種，這些運(yùn)動(dòng)狀態(tài)類似昆蟲爬行時(shí)的動(dòng)作態(tài)樣，此六種運(yùn)行模式可給予輪體部活動(dòng)時(shí)最大的靈活性。吾人將上述六種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)大致分為兩個(gè)的類型的運(yùn)動(dòng)：360度直行模式和轉(zhuǎn)彎模式。

實(shí)際作動(dòng)時(shí)，控制器411首先會(huì)輸出一個(gè)360度直行模式和轉(zhuǎn)彎模式訊號(hào)給六個(gè)車輪。假設(shè)輪胎裝置42收到360度直行模式訊號(hào)時(shí)，六個(gè)車輪會(huì)都偏轉(zhuǎn)相同的角度，并輸出包括旋轉(zhuǎn)角度及運(yùn)動(dòng)速度給控制器411，控制器411再根據(jù)當(dāng)前的狀況，使用式3推算出機(jī)身所欲轉(zhuǎn)的角度θ，并包含在第二操作指令中以傳遞給主體部3，以達(dá)到操作者的目標(biāo)角度。且不同時(shí)間亦有不同的機(jī)身所欲轉(zhuǎn)的角度。另外，當(dāng)輪胎裝置42收到轉(zhuǎn)彎模式訊號(hào)時(shí)，輪胎裝置421、423、424及426會(huì)先偏轉(zhuǎn)一特定角度，輪胎裝置422及5不改變當(dāng)前位置，并回傳包括輪胎裝置422及5的行走速度、各輪胎裝置42之間的距離及機(jī)器人轉(zhuǎn)彎角速度的第二物理量給控制器411，控制器411再依照式4至式10估算出輪胎裝置422及5的轉(zhuǎn)彎角度及行走速度后，回傳第二物理量，以旋轉(zhuǎn)機(jī)器人的機(jī)身，達(dá)到操縱者所需，且不同時(shí)間亦有不同的所需旋轉(zhuǎn)角度。

圖8是輪胎裝置42的一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。由連接部491，傳動(dòng)部492和鼓輪493組成。連接部491與傳動(dòng)部492通過縱向軸連接(圖中未顯示)，傳動(dòng)部能夠以縱向軸為軸心做360度的轉(zhuǎn)動(dòng)。鼓輪494通過橫軸493與傳動(dòng)部492連接。鼓輪494的形狀為球形或鼓形，橫軸493橫穿鼓輪494的軸心位置，確保鼓輪494能夠以橫軸493為軸心做360度轉(zhuǎn)動(dòng)。優(yōu)選的，連接部491帶有阻尼轉(zhuǎn)向緩沖器，在車輪遇到強(qiáng)阻力或沖擊時(shí)保護(hù)轉(zhuǎn)向電機(jī)不受堵轉(zhuǎn)影響。優(yōu)選的，鼓輪494內(nèi)設(shè)有動(dòng)力裝置，提供鼓輪494轉(zhuǎn)動(dòng)所需的動(dòng)力。采用此種設(shè)計(jì)方案的機(jī)器人在崎嶇山路有較大優(yōu)勢，不會(huì)因?yàn)檐囕啰M窄陷入障礙物夾縫中，切由于兩側(cè)及下方受力均勻，易于在崎嶇路面轉(zhuǎn)向。

圖9是機(jī)器人的運(yùn)作方式流程圖，各部件連接關(guān)系示意圖，其用于操作上述機(jī)器人的各個(gè)部件，請參照圖9，以下詳述其操作步驟：步驟S1：控制系統(tǒng)11及主體部3接收外界信息后，發(fā)出第一操作指令給頸部操作裝置12及驅(qū)動(dòng)裝置31，接收之外界信息可為單一光線圖像訊號(hào)或是連續(xù)圖像訊號(hào)，第一操作指令可為坐標(biāo)位置訊號(hào)，接著，同時(shí)進(jìn)行步驟S2及步驟S3；

步驟S2：頸部操作裝置12處理第一操作指令后，發(fā)出第一頸部2控制訊號(hào)并傳給頸部2，第一頸部2控制訊號(hào)亦為坐標(biāo)位置訊號(hào)，可為頸部2伸縮裝置21或是升降裝置22中的各個(gè)端點(diǎn)或是三樞接軸、兩伸縮桿的三維坐標(biāo)位置，但不限于此，接著同時(shí)進(jìn)行步驟S4；

步驟S4：頸部2根據(jù)所接收之頸部2控制訊號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)頭部1、伸縮該伸縮裝置21的位置級(jí)升降該升降裝置22及移動(dòng)頸部2，之后并結(jié)束步驟S4。

步驟S3：驅(qū)動(dòng)裝置31處理操作指令后，生成第一驅(qū)動(dòng)訊號(hào)予驅(qū)動(dòng)裝置31及第二頸部2控制訊號(hào)予頸部2。第一驅(qū)動(dòng)訊號(hào)包含了坐標(biāo)位置訊號(hào)、機(jī)器人質(zhì)心位置訊號(hào)、速度訊號(hào)、加速度訊號(hào)或是包含速度信號(hào)、剛性系數(shù)及阻尼系數(shù)的方程式等，第二頸部2控制訊號(hào)包含了位置坐標(biāo)，之后并進(jìn)行步驟S5；

步驟S5：第一致動(dòng)訊號(hào)經(jīng)由制動(dòng)裝置轉(zhuǎn)換成輪體部可讀的訊號(hào)，并生成第一致動(dòng)訊號(hào)。轉(zhuǎn)換的方式可為單位之間的轉(zhuǎn)換，或是求解一般、微分或是偏微分方程式的形式，將速度、位移、剛性系數(shù)及阻尼系數(shù)等物理量求得成第一致動(dòng)訊號(hào)，之后并進(jìn)行步驟S6；

步驟S6：第一致動(dòng)訊號(hào)經(jīng)由控制器411轉(zhuǎn)換成第一物理量以操縱懸吊器412、轉(zhuǎn)換成第二物理量以控制輪胎裝置42，其中第一物理量包括了懸吊器412與輪胎裝置42，或是控制器411的相對位置，和懸吊器412的彈性系數(shù)或是阻尼系數(shù)，或是上述轉(zhuǎn)彎半徑等等的物理量；第二物理量包括了輪胎裝置42的移動(dòng)速度或是加速度等等關(guān)于速度的物理量，或是位置的物理量，第二物理量可包含時(shí)間，以使輪胎裝置42遵照此物理量的數(shù)值動(dòng)作，之后并進(jìn)行步驟S7；

步驟S7：輪胎裝置42作動(dòng)時(shí)，控制器411偵測實(shí)際作動(dòng)的第二物理量后，在第二時(shí)間重新生成第一物理量及第二物理量，以動(dòng)態(tài)的調(diào)整及修正目前懸吊器412所在的相對位置及輪胎裝置42的作動(dòng)速度，且另生成第二操作指令回傳給驅(qū)動(dòng)裝置31，以動(dòng)態(tài)的調(diào)整機(jī)器人質(zhì)心位置及頸部2的位置，之后并同時(shí)進(jìn)行步驟S3及S6。

使用此方法操作上述機(jī)器人各個(gè)部件，可動(dòng)態(tài)的改變機(jī)器人的移動(dòng)速度、位置及機(jī)器人的質(zhì)心，另外可動(dòng)態(tài)的獲得頸部2所需要移動(dòng)的高度，根據(jù)環(huán)境的狀況適應(yīng)性的調(diào)整，因此可讓機(jī)器人更佳的適用在各個(gè)場合中，及移動(dòng)時(shí)穩(wěn)定性更佳，不容易傾倒，確實(shí)達(dá)成操縱者所需任務(wù)。

本發(fā)明所述之種機(jī)器人及操作方法，配合底盤裝置41的獨(dú)立主動(dòng)懸掛型裝置，保證了機(jī)身的穩(wěn)定性，可以獲得最靈活的運(yùn)動(dòng)性能，不但可以像一般車輛行駛，還可以原地旋轉(zhuǎn)及全向行走，在行走間轉(zhuǎn)向也有最小的轉(zhuǎn)彎半徑，不占空間；優(yōu)秀的爬坡、爬樓及越障能力，可以越過超過40度的陡坡；可隨時(shí)且適應(yīng)性的變換機(jī)身高度，機(jī)器人的伸縮式頸部2可改變質(zhì)心位置，又能調(diào)整增加頭部1的視野，且保證機(jī)器人的頭部1在三個(gè)軸向上的角度穩(wěn)定性并減緩行駛中地面不平穩(wěn)造成機(jī)身的震動(dòng)，使行進(jìn)中機(jī)器人的機(jī)身穩(wěn)定不會(huì)傾倒。

以上敘述僅為本發(fā)明之較佳實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明之權(quán)利范圍；同時(shí)以上的描述，對于相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域之專門人士應(yīng)可明了及實(shí)施，因此其他未脫離本發(fā)明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包含在申請專利范圍中。