CN103984350A - 防倾倒移动装置及其防倾倒方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种防倾倒移动装置，包括移动平台，位于该移动平台上方的支撑框架，以及检测装置。该检测装置包括控制模块以及至少三个位于该移动平台与该支撑框架之间的压力传感器，该支撑框架上的重力通过该至少三个压力传感器传递至该移动平台，该控制模块用于读取各压力传感器的压力值，并根据该压力值控制该移动平台的移动。上述移动装置可以有效分析整个装置在移动时的重力分布，在车轮离地前已经可以预先检测出倾倒方向。本发明还提供一种防倾倒方法。

Description

防倾倒移动装置及其防倾倒方法

技术领域

本发明涉及移动平台领域，尤其是涉及一种防倾倒移动装置及其防倾倒方法。 

背景技术

随着智能控制技术的发展，可移动机器人的应用越来越普及。具有较高重心及较小底盘的移动机器人，在地面不平、加减速过快、受较大外力冲击等情况下容易翻倒，导致机器人无法正常工作。目前市面上已经有机器人上设置了防翻倒的装置，这些防翻倒装置通常是设置悬挂装置，用于检测整个机器人的重心变化，当其检测到重心变化后就开始采取应对措施。然而，这种重心检测方法只适用于机体已经开始倾斜，并产生能被检测出来的角度时才发挥作用。对于一旦开始倾斜就失去控制的机器人无法起到有效的作用。 

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种能预先判断出平台的倾倒趋势，以在其倾倒之前就做出相应的措施的防倾倒移动装置及其防倾倒方法。 

本发明提出一种防倾倒移动装置，包括移动平台，位于该移动平台上方的支撑框架，以及检测装置。该检测装置包括控制模块以及至少三个位于该移动平台与该支撑框架之间的压力传感器，该支撑框架上的重力通过该至少三个压力传感器传递至该移动平台，该控制模块用于读取各压力传感器的压力值，并根据该压力值控制该移动平台的移动。 

一种防倾倒方法，其可应用至一个移动装置上，该移动装置包括移动平台、位于该移动平台上方的支撑框架、以及至少三个位于该移动平台与该支撑框架之间的压力传感器，该支撑框架上的重力通过该至少三个压力传感器传递至该移动平台，该防倾倒方法包括：读取各压力传感器的压力值；及根据该压力值控制该移动平台的移动。 

如此，在防倾倒移动装置出现倾倒趋势而导致重心改变但移动平台的车轮均仍和地面接触时，通过上述的读取各压力传感器的压力值并根据该压力值控制该移动平台的移动的执行，可进行有效的防止倾倒控制。并且因为车轮仍然着地，整个装置的运动不受限制，因此能作出更全面的防止倾倒控制，从而提高移动平台作为机器人底盘移动时的稳定性。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1是本发明一个实施方式的防倾倒移动装置的结构示意图； 

图2是图1的防倾倒移动装置沿线II-II的部分剖视示意图；

图3是图1的防倾倒移动装置的防倾倒控制算法示意图；

图4是图1的防倾倒移动装置的受力简化模型示意图；

图5是本发明另一实施方式的防倾倒移动装置的结构示意图； 

图6是图5的防倾倒移动装置沿线VI-VI的部分剖视示意图；及

图7是本发明一个实施方式的防倾倒方法的流程图。

图8是本发明另一实施方式的防倾倒方法的流程图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。 

第一实施方式 

本发明第一实施方式提供一种防倾倒移动装置，包括移动平台、位于移动平台上方的支撑框架、连接该两者的连接装置以及检测装置。该连接装置包括三个在周向上均匀分布的连接件。该检测装置包括控制模块以及夹设在各连接件与该移动平台或该支撑框架之间的压力传感器，该控制模块用于读取各压力传感器的压力值，并根据该压力值控制该移动平台的移动。

具体地，请结合图1，本发明一个实施方式的防倾倒移动装置10是一个机器人，包括分层设置的移动平台1、位于移动平台1上方的支撑框架4、连接移动平台1和支撑框架4的连接装置7、以及检测装置（图未示）。移动平台1可以为两轮差速，四轮转向等各种移动平台。本实施方式中移动平台1具有三个轮6，为三轮全向平台。支撑框架4用于搭载负载（图未示）。下文中，支撑框架4及可能搭载的负载统称为负载。 

请再结合图2，连接装置7包括三个在周向上均匀分布的连接件，各连接件包括连接在移动平台1及支撑框架4之间的导柱2及套设至导柱2的弹簧5。支撑框架4可通过螺钉12与导柱2连接，当然，连接方式不限于此。移动平台1通过轴承座9固定直线轴承8，导柱2***直线轴承8中从而可滑动地安装在其中。导柱2在周向上均匀分布。直线轴承8起到约束导柱2的水平运动，使其只能上下滑动的作用。 

如此，移动平台1可以带动支撑框架4在该三个轮6所在平面（本实施方式中为水平面）上移动。相较于不使用直线轴承8而导致的导柱2和约束导柱2的孔（比如轴承座9所形成的孔）产生摩擦而抵消一部分压力的情况，直线轴承8使得垂直的压力可无损地传递到压力传感器3上。可以理解，在精度要求不高的情况下，直线轴承8也可不必设置。 

各弹簧5套设至导柱2，并且其的两端分别抵持移动平台1及支撑框架4。弹簧5的弹力总是比负载的重量小，如此，在工作过程中，弹簧5始终处于被压缩状态，压缩量保持不变，始终都是恒力输出。 

检测装置用于检测支撑框架4和移动平台1之间的倾角变化趋势（即倾倒趋势），其包括压力传感器3及控制模块。压力传感器3夹设在导柱2与移动平台1之间。该控制模块可以是一个具有可编程控制芯片的电路，其可直接固定在移动平台1或支撑框架4上，示图中未示出该控制模块。该控制模块用于读取各压力传感器3的压力值。 

因为每一个导柱2都套有弹簧5，它作为支撑框架4与移动平台1之间的连接，利用三支导柱2平均分布的方式，可把负载的部份重量分散到移动平台1上。这样可避免将重量直接加载到压力传感器3，从而维持防倾倒移动装置10倾斜时压力传感器3的压力范围仍在其最佳工作区域中。另外，由于弹簧5分摊了受力，压力传感器3可受保护而不易被压坏。 

可以理解，在负载较轻的情况下，弹簧5也可不必设置，同时，在上述情况下，压力传感器3也可夹设在导柱2与支撑框架4之间。 

防止倾倒的控制方面均由该检测装置的控制模块控制，可分为移动平台姿态分析和防止倾倒控制两部份。如图3所示，当取得3个压力传感器(1)、(2)和(3)的数据后，下一步就是需要对移动平台的倾倒方向(4)进行分析。就压力传感器而言，它返回的数据为仿真讯号，因此需要进行AD转换，计算出每一个压力传感器的压力值。 

考虑到移动平台在水平时的静态压力分布，每一个压力传感器在移动平台上电后都会进行一次标定。移动平台正在运行时，控制模块会实时计算压力传感器的数据和初始值的差值( )： 

其中，为时间“t”时，第“i”个压力传感器的压力值，为第“i”个压力传感器的初始压力值。

当计算出压力差值后，下一步是计算出移动平台的倾倒方向。以图3为例，先定义移动平台坐标系(5)，比如，其原点为该三个压力传感器的中心，Y轴为该中心与1号和3号压力传感器所成的夹角的角平分线，X轴与Y轴夹90度。然而可以理解，移动平台坐标系(5)不限于图3所示，只要其原点在该三个压力传感器中心，其X轴在压力传感器(1)及(2)之间便可。 

当三个压力传感器的差值都是零时，则判断移动平台没有出现倾倒趋势。 

当只有一个压力传感器的差值不是零时(假如是1号传感器)，该压力传感器所在的方向被定义成移动平台的倾倒方向。 

当只有两个压力传感器的差值都不是零(假如是1和2号传感器)，移动平台的倾倒方向可由以下方法求得： 

其中，该倾倒方向以原点在该三个压力传感器中心的坐标的Y轴起算，并且该Y轴在该第一及第三压力传感器与该原点所成夹角的角平分线上，该偏移量为第一传感器与该原点所在线与该Y轴之间的夹角，以图3所示为例，，为压力传感器在水平状态和倾斜之间的最大压力差值。采用上述测量计算倾角的方法，可以有效分析整个装置在移动时的重力分布，在车轮离地前已经可以预先检测出倾倒方向。

当三个传感器的差值均不是零时，如果三个传感器的差值的差别不大（不大于一个预定值）时，通常可判断这种情况是整个装置受到由上而下的压力，可以判断移动装置没有出现倾倒趋势，不必做任何应对的动作。在出现上述三个传感器的差值均不是零的情况时，如果三个传感器的差值的差别比较大（大于上述预定值），可以忽略压力差最小的一个传感器，利用余下两个的压力差值和以上方程求得倾倒方向。 

当求得倾倒方向后，下一步是计算出一个移动速度，令移动平台向倾倒方向以该移动速度运动，防止翻倒。当只有一个压力传感器(假如是1号传感器)的差值不是零时，移动速度可根据下述公式计算得出： 

当只有两个压力传感器(假如是1和2号传感器)的差值都不是零时，移动速度可根据下述公式计算得出：

当三个传感器的差值均不是零时，可根据上述描述，根据具体情况选择不作动或者前一段所述公式中的移动速度进行移动。

上述两个公式中，为调节倍数，可根据机器人实际的重量及重心高度去测试调节出来，是整个装置的最大移动速度。这方程式是先算两个压力传感器数值的平均值，再按与最大压力差的比例，去计算防止倾倒所需的移动速度。如此，在机器人出现倾倒趋势而导致重心改变但三个车轮仍和地面接触时，通过上述的倾斜角度及移动速度的计算及执行，可进行有效的防止倾倒控制。因为整个装置的三个车轮仍然着地，本身的运动不受限制，因此能作出更全面的防止倾倒控制，从而提高移动平台作为机器人底盘移动时的稳定性。 

第二实施方式 

本发明第二实施方式的防倾倒移动装置与第一实施放方式的防倾倒移动装置在结构上相同，不同的是控制方式，下面仅就该不同点进行描述。图4是图1的防倾倒移动装置的受力简化模型示意图。三个导柱2（图中的三个加黑竖线）和支撑框架4（图中的椭圆）连接点分别为A，B，C，框架中心(同时也是A，B，C三个点的中心)为O，以该中心O建立一个三维坐标。假设负载受绕Y轴的力矩，使其有往X方向翻倒的趋势。则支撑框架4受到负载给的一个力矩M，同时受到由三条导柱2传递的力矩M1，M2，M3，和X，Y，Z方向的受力。列出力矩平衡的方程，得出：

M=M1+M2+M3+Fz1×AO+ Fz2×BO+ Fz3×CO

其中，AO、BO、CO为A、B、C三点与中心O的距离，Fz1，Fz2，Fz3为三个导柱2在Z轴方向上的受力。由于三个受力点都在同一水平面上，X，Y方向的受力不会对支撑框架4产生Y轴方向的力矩，只有Z方向的受力才会产生Y轴方向的力矩。

根据公式：M1=kθ，其中，k为弯曲刚度，θ为弯曲形变角度。由于被设计得细长，导柱2的弯曲刚度小。同时导柱2在直线轴承8的约束下，其弯曲变形被有效限制。如此，上述力矩M1的数值可被设计得尽可能小，远小于上方负载产生的倾倒力矩，可忽略不计。于是上方负载产生的力矩可认为全由Z方向受力来提供，即： 

M=Fz1×AO+ Fz2×BO+ Fz3×CO

上述公式中，Fz1，Fz2，Fz3是由导柱2下方的压力传感器3测出的压力值，AO，BO，CO为结构常数，如此可算出总力矩M。因为不同的防倾倒移动装置的重量、重心高度和负载都不一样，要判断总力矩M是否会导致机体倾倒，可在实际应用时，根据整个装置的配置和实际负载，对其施加不同的推力，从而把力矩的限制值测试出来。也可根据移动平台1的轮子触地点与整个装置的重心投影在该三个轮所在平面（本实施方式中为水平面）上的距离R，和整个装置的质量m，使用公式M<m×R，估算力矩限制值作为参考。在此，设定力矩的限制值为M0，为了使底盘不发生倾倒，上述负载受绕Y轴的力矩不能超过该力矩的限制值M0。

当实际受到力矩（即上述总力矩）M大于力矩的限制值M0，即M-M0>0时，底盘需要进行加减速来平衡该力矩。当底盘进行加减速的时候，会产生一个惯性力矩Mi，且Mi=-ma×H，其中m为整个装置的质量，a为整个装置的加速度，H为整个装置的质心高度。那么使底盘不倾倒，必须满足外力矩M加上底盘自身加减速产生的惯性力矩Mi小于限制力矩M0，即|M+Mi|-M0<0。由此可计算出底盘所需要的加速度进而控制底盘做出相应的动作，其中根据以上公式可得出a>[M-M0(M/|M|)]/mH。 

如此，只要不停地进行迭代运算，使每一个瞬时都满足上面条件，那么整个装置就不会倾倒。如果底盘只是受到一个瞬时的冲击导致有倾倒危险，那么随着加速的进行，外力矩M将会逐渐变小，进而控制的加速度也相应变小，然后变为负数，逐渐回到受到冲击前的速度继续前进。 

如图5及6所示，另一种防倾倒移动装置20为在防倾倒移动装置10的基础上，加入三个关节轴承21，并增加相应的固定件。关节轴承21用于连接导柱2和支撑框架4，使两者无约束相对转动，负载相对转动时不会传递弯矩到底盘，结构类似于并联平台。这样导柱2传递给支撑框架4的弯矩也为零，其力学模型跟前面的方案一样，同样满足力矩平衡方程：M=Fz1×AO+ Fz2×BO+ Fz3×CO。 

第三实施方式 

请结合图7，本发明还提供一种防倾倒方法，其可应用至上述移动装置上，该移动装置包括移动平台、位于移动平台上方的支撑框架、连接该两者并在周向上均匀分布的三个连接件、以及夹设在各连接件与该移动平台或该支撑框架之间的压力传感器，该防倾倒方法包括S1：检测该三个压力传感器的实时压力值与初始压力值之间的压力差值；S2：判断该移动装置的倾倒方向；S3：计算该移动装置的移动速度；及S4：控制该移动装置沿该倾倒方向以该移动速度移动。

具体地，该判断出该移动装置的倾倒方向的步骤S2包括： 

当检测到该三个压力传感器的压力差值都是零时，判断该移动装置没有出现倾倒趋势；

当检测到只有一个压力传感器的压力差值不是零时，判断该移动装置的倾倒方向为该压力传感器所在的方向；

当检测到只有两个压力传感器的压力差值不是零时，根据下述公式计算出倾倒方向：

其中，及分别为该两个压力传感器的上述压力差值，为压力传感器在水平状态和倾斜之间的最大压力差值，为倾倒方向的偏移量；该倾倒方向以原点在该三个压力传感器中心的坐标的Y轴起算，该坐标的X轴在该两个传感器之间，该偏移量为第一传感器与该原点所在线与该Y轴之间的夹角；

当检测到三个压力传感器的压力差值均不是零时，如果三个传感器的差值的差别不大（不大于一个预定值）时，通常可判断这种情况是整个装置受到由上而下的压力，可以判断该移动装置没有出现倾倒趋势，不必做任何应对的动作，如果三个传感器的差值的差别比较大（大于上述预定值），可以忽略压力差最小的一个传感器，取较大的两个压力差值按照上述公式计算出倾倒方向。

该计算该移动装置的移动速度的步骤S3包括： 

当只有一个压力传感器(假如是1号传感器)的差值不是零时，移动速度可根据下述公式计算得出：

当只有两个压力传感器(假如是1和2号传感器)的差值都不是零时，按照以下公式计算出该移动速度

当三个传感器的差值均不是零时，可根据上述描述，根据具体情况选择不作动或者前一段所述公式中的移动速度进行移动。

上述两个公式中，及分别为该两个压力传感器的上述压力差值，为压力传感器在水平状态和倾斜之间的最大压力差值，为该防倾倒移动装置的最大移动速度，kv为调节倍数。 

第四实施方式 

请结合图8，本发明还提供另一种防倾倒方法，其可应用至上述移动装置上，该移动装置包括移动平台、位于移动平台上方的支撑框架、连接该两者并在周向上均匀分布的三个连接件、以及夹设在各连接件与该移动平台或该支撑框架之间的压力传感器，该防倾倒方法包括：

S5：检测三个压力传感器测出的压力值Fz1、Fz2、Fz3；及

S6：根据由以下公式所计算出来的加速度a的范围控制该移动平台移动：

a>[M-M0(M/|M|)]/mH，

其中，M=Fz1×AO+ Fz2×BO+ Fz3×CO，M0为该防倾倒移动装置能承受的不导致其倾倒的力矩极限值，m为该防倾倒移动装置的质量，H为该防倾倒移动装置的质心高度，AO、BO、CO分别为该连接装置与该支撑框架的三个接触点与该三个接触点的中心的距离。

根据上述实施方式可以理解，上述的防倾倒方法仅是本发明的部分实施方式，本发明的防倾倒方法实际上包括读取各压力传感器的压力值；及根据该压力值控制该移动平台的移动。对应至第三实施方式，该读取各压力传感器的压力值的步骤包括其步骤S1，该根据该压力值控制该移动平台的移动的步骤包括其步骤S2-S4。而对应至第四实施方式，该读取各压力传感器的压力值的步骤包括其步骤S5，该根据该压力值控制该移动平台的移动的步骤包括其步骤S6。 

需强调的是，上述实施方式中加粗表示的均表示其是向量，包括M，Fz1，Fz2，Fz3，AO，BO，CO，Mi，H等；|M|表示向量M的数值大小，其它类同；上述向量之间的“+”及“×”也都是至向量间的加及乘的运算。 

根据上述实施方式可以理解，在不设置连接装置，并使得该三个压力传感器在周向上均匀分布，该支撑框架上的重力通过该三个压力传感器传递至该移动平台的情况下，同样可以实现上述防止倾倒的控制。 

根据上述实施方式可以理解，设置三个压力传感器只是实现本发明的一种实施方式，本领域技术人员可从本发明的上述实施方式理解到，当沿周向设置四个或五个等多个压力传感器，甚至不均匀分布时，可根据上述阐述的理论修改对应的计算方法而获得控制整个移动装置的移动方向、移动角度以及加速度等相关参数。因此，本发明的防倾倒移动装置可具有三个或以上的压力传感器。 

以上所揭露的仅为本发明实施例中的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。 

Claims (13)

1.一种防倾倒移动装置，包括移动平台以及位于该移动平台上方的支撑框架，其特征在于，还包括检测装置，该检测装置包括控制模块以及至少三个位于该移动平台与该支撑框架之间的压力传感器，该支撑框架上的重力通过该至少三个压力传感器传递至该移动平台，该控制模块用于读取各压力传感器的压力值，并根据该压力值控制该移动平台的移动。

2.如权利要求1所述的防倾倒移动装置，其特征在于，该检测装置包括三个压力传感器，并且该三个压力传感器在周向上均匀分布。

3.如权利要求2所述的防倾倒移动装置，其特征在于，还包括连接装置，该连接装置包括三个在周向上均匀分布的连接件，各连接件连接该移动平台与该支撑框架，各压力传感器夹设在对应的一个连接件与该移动平台之间。

4.如权利要求3所述的防倾倒移动装置，其特征在于，该连接件包括连接在该移动平台及该支撑框架之间的导柱及套设至该导柱的弹簧，该弹簧两端分别抵持该移动平台及该支撑框架并处于被压缩状态。

5.如权利要求4所述的防倾倒移动装置，其特征在于，该移动平台还包括轴承座及收容在该轴承座中的直线轴承，该导柱可滑动地收容在该直线轴承中。

6.如权利要求4所述的防倾倒移动装置，其特征在于，该支撑框架还包括关节轴承，该导柱通过该关节轴承可旋转地连接至该支撑框架。

7.如权利要求1至6任一项所述的防倾倒移动装置，其特征在于，该控制模块根据该压力值计算出移动装置的倾倒方向及移动速度，并控制该移动装置沿该倾倒方向以该移动速度移动。

8.如权利要求2至6任一项所述的防倾倒移动装置，其特征在于，该控制模块根据由以下公式所计算出来的加速度a的范围控制该移动平台移动：

a>[M-M0(M/|M|)]/mH

其中，M=Fz1×AO+ Fz2×BO+ Fz3×CO，M0为该防倾倒移动装置能承受的不导致其倾倒的力矩极限值，m为该防倾倒移动装置的质量，H为该防倾倒移动装置的质心高度，AO、BO、CO分别为该连接装置与该支撑框架的三个接触点与该三个接触点的中心的距离，Fz1、Fz2、Fz3分别为三个压力传感器测出的压力值。

9.一种防倾倒方法，其可应用至一个移动装置上，该移动装置包括移动平台、位于该移动平台上方的支撑框架、以及至少三个位于该移动平台与该支撑框架之间的压力传感器，该支撑框架上的重力通过该至少三个压力传感器传递至该移动平台，该防倾倒方法包括：

读取各压力传感器的压力值；及

根据该压力值控制该移动平台的移动。

10.如权利要求9所述的防倾倒方法，其特征在于，该移动装置包括三个压力传感器，并且该三个压力传感器在周向上均匀分布，该读取各压力传感器的压力值包括：

检测该三个压力传感器的实时压力值与初始压力值之间的压力差值；

该根据该压力值控制该移动平台的移动包括：

根据该压力差值判断该移动装置的倾倒方向；

根据该压力差值计算该移动装置的移动速度；及

控制该移动装置沿该倾倒方向以该移动速度移动。

11.如权利要求10所述的防倾倒方法，其特征在于，该根据该压力值判断该移动装置的倾倒方向包括：

当检测到该三个压力传感器的压力差值都是零时，判断该移动装置没有出现倾倒趋势；

当检测到只有一个压力传感器的压力差值不是零时，判断该移动装置的倾倒方向为该压力传感器所在的方向；

当检测到只有两个压力传感器的压力差值不是零时，根据下述公式计算出倾倒方向：

其中，及分别为该两个压力传感器的上述压力差值，为压力传感器在水平状态和倾斜之间的最大压力差值，为倾倒方向的偏移量；该倾倒方向以原点在该三个压力传感器中心的坐标的Y轴起算，并且该Y轴在该第一及第三压力传感器与该原点所成夹角的角平分线上，该偏移量为第一传感器与该原点所在线与该Y轴之间的夹角；

当检测到三个压力传感器的压力差值均不是零时，若三个压力传感器的压力差值不大于一个预定值，判断该移动装置没有出现倾倒趋势，若三个压力传感器的压力差值大于上述预定值，取较大的两个压力差值按照所述公式计算出倾倒方向。

12.如权利要求11所述的防倾倒方法，其特征在于，该根据该压力值计算该移动装置的移动速度包括：

当只有一个压力传感器压力差值不为零时，按照以下公式计算出该移动速度

当只有两个压力传感器的压力差值不为零时，按照以下公式计算出该移动速度

及分别为该两个压力传感器的上述压力差值，为压力传感器在水平状态和倾斜之间的最大压力差值，为该防倾倒移动装置的最大移动速度，k_v为调节倍数。

13.如权利要求9所述的防倾倒方法，其特征在于，该移动装置包括三个压力传感器，并且该三个压力传感器在周向上均匀分布，该读取各压力传感器的压力值包括：检测三个压力传感器测出的压力值Fz1、Fz2、Fz3；

该根据该压力值控制该移动平台的移动包括：

根据由以下公式所计算出来的加速度a的范围控制该移动平台移动：

a>[M-M0(M/|M|)]/mH，

其中，M=Fz1×AO+ Fz2×BO+ Fz3×CO，M0为该防倾倒移动装置能承受的不导致其倾倒的力矩极限值，m为该防倾倒移动装置的质量，H为该防倾倒移动装置的质心高度，AO、BO、CO分别为该连接装置与该支撑框架的三个接触点与该三个接触点的中心的距离。