CN114435500A - 复杂地形下平衡移动机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动机器人技术领域，尤其涉及复杂地形下平衡移动机器人及其控制方法。包括车体；安装在车体两侧的支腿；安装在支腿底部的变形轮；变形轮包括齿轮、变形足和三角架，三角架一侧固定安装在腿下肢的底部一侧，三角架另一侧分别转动连接有一个齿轮和多个变形足；变形足为半月牙形状，且其一端设置有被动齿轮弧，且被动齿轮弧与齿轮啮合连接；被动齿轮弧的最外侧和最里侧均设置有限位块；被动齿轮弧与齿轮的最里侧接触时，多个变形足的外弧构成一正圆。本发明有效解决移动机器人在平坦的地面上快速移动、复杂地形上动态克服障碍物、各种运动状态下无法保持车体水平以及控制结构复杂的问题。

Description

复杂地形下平衡移动机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及移动机器人技术领域，尤其涉及复杂地形下平衡移动机器人及其控制方法。

背景技术

随着科学技术的不断进步以及新型技术的不断发展，机器人的功能越来越强大，类型要越来越丰富，而且应用场景也越来越广泛。在人们的生产生活中，机器人不仅在工业上有着广泛的应用，而且在国防安全以及空间探索等多个领域也出色地完成了协助人类工作的任务。复杂地形移动机器人在机器人领域中有举足轻重的地位。它融合了计算机技术、通信技术、信息技术、微电子技术和机器人技术，代表着机电一体化的最高成就，这使得它成为当今世界关注热点。由于复杂地形移动机器人强于人类和动物的运动能力特点的存在，使得复杂地形移动机器人成为机器人领域发展较为活跃的分支。

现代社会，人们对于复杂地形机器人的性能诉求越来越倾向于高机动性，高效率和高适应性。复杂地形下的移动机器人常用的移动方式有轮式、履带式和腿式。轮式移动机器人移动速度快、能量利用率高，但地形适应能力差，只能在相对平坦的地面环境工作。履带式移动机器人因与地面接触面积大，对地形适应能力有所提高，但能量利用效率和机动性显著降低。腿式机器人虽然在很大程度上解决了地形适应力差和能量利用率低的问题，但在复杂地形上越障、移动速度慢和运动能效低一直是难以突破的问题。同时不管是轮式、履带式还是腿足式都无法满足在运动的同时保持车体的完全水平，如车体不完全水平对复杂地形移动机器人的各类传感器的测量范围、测量精度已经可靠性都有相当大的影响。

现有的轮式移动机器人中，面对复杂的地形，机器人只能完成上斜坡、适应平滑不平坦的地形以及上较矮的（比轮子小很多的）台阶等简单功能。而履带式移动机器人移动速度慢，能量利用效率低，上楼梯复杂。他们对于越障、上下楼梯以及复杂地形运动中保持车体平衡是相当困难的。

发明内容

本发明的目的是提供复杂地形下平衡移动机器人及其控制方法，用于解决移动机器人在平坦的地面上快速移动、复杂地形上动态克服障碍物、各种运动状态下无法保持车体水平以及控制结构复杂的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

复杂地形下平衡移动机器人，所述机器人包括：

车体；

安装在所述车体两侧的支腿；

安装在所述支腿底部的变形轮；

所述支腿包括腿上肢和腿下肢，所述腿上肢和腿下肢在连接处形成转动副，且腿下肢中装有用于驱动腿上肢进行旋转的减速直流电机；

所述腿上肢与所述车体之间也形成转动副；

所述车体的尾部连接两个电动推杆，所述电动推杆的两端分别与所述车体和所述腿上肢连接，且所述电动推杆的两端与所述车体和所述腿上肢之间均形成转动副；

所述变形轮包括齿轮、变形足和三角架，所述三角架一侧固定安装在所述腿下肢的底部一侧，所述三角架另一侧分别转动连接有一个齿轮和多个变形足；

所述变形足被设置成：

所述变形足为半月牙形状，且其一端设置有被动齿轮弧，且所述被动齿轮弧与所述齿轮啮合连接；所述被动齿轮弧的最外侧和最里侧均设置有限位块，用于卡住齿轮；所述被动齿轮弧与所述齿轮的最里侧接触时，多个所述变形足的外弧构成一正圆；

所述腿下肢上还安装有步进电机，且所述步进电机输出端与所述齿轮连接。

进一步的，所述车体内部还安装有：

控制装置、检测装置、电源、开关、报警器、无线接收发射装置。

进一步的，所述检测装置为MPU6050六轴传感器。

进一步的，所述无线接收发射装置为蓝牙模组和/或wifi模组；

所述报警器为蜂鸣器。

进一步的，所述控制装置为嵌入式单片机。

进一步的，所述嵌入式单片机为以下中的至少一种：

stm32、Arduino、树莓派、FPGA。

复杂地形下平衡移动机器人的控制方法，包括以下步骤：

开始时，机器人电气***上电，并进行***初始化操作以及故障诊断，若出现故障则通过蜂鸣器报警；

控制***通过串口无线连接用户控制器，若未连接则用户控制器显示未连接，若连接正常则用户控制器显示连接正常，此时用户即可操作机器人进行运动；

控制装置接收用户控制器的信号和检测装置的信号，控制机器人运动；

在运动过程中检测装置实时检测车体是否平衡，并将数据传递给控制装置；

控制装置将检测装置的信号用PID算法进行分析处理并得出电动推杆和支腿上的减速直流电机的控制量；

控制装置输出电动推杆和减速直流电机的控制量，同时继续接收监测装置的信号，判断机器人***是否达到控制目标，若达到目标则结束，若未达到控制目标，则继续控制输出。

进一步的，其中，控制装置接收用户控制器的信号和检测装置的信号，控制机器人运动，包括：

当机器人正常运动时，步进电机正转，变形轮进行轮式运动；

当机器人翻越障碍时，控制装置让机器人原地旋转180°，步进电机反转，变形轮进行腿式运动。

复杂地形下平衡移动机器人的平衡姿态控制方法，所述方法包括：

控制装置通过检测装置实时获得车体的姿态，如果车体保持平衡，控制装置让电动推杆以及左右两支腿的减速直流电机禁止不动；

如果车体发生左右倾斜，控制装置控制减速直流电机旋转，使车体回归之前的平衡，同时到达之前平衡时的高度，该高度是车体运动开始时的高度；

如果车体前后发生倾斜，控制装置让两个电动推杆运动使车体重新回归前后平衡状态；

如果前后左右都发生倾斜，则同时按照上述方法控制装置控制减速直流电机旋转并控制电动推杆运动，使车体重新回归平衡。

本发明至少具备以下有益效果：

本发明与轮式移动机器人对比能够更好地适应复杂的地形，而且本装置具有移动速度快，能量利用率高的优点，同时解决了轮式移动机器人适用性差的缺点；

本发明与履带式移动机器人对比在移动速度和越障上的能够更快更高效，本机器人采用了变形轮在移动的速度上可以比履带式机器人更加快速，在越障上由于还是采用的电机越障，因此在反应速度上比履带式移动机器人更快，同时可以越比移动轮子大很多的障碍；

本发明与腿式移动机器人比起来在实现相同的控制功能上极大地简化了控制流程，本发明使机器人能够在移动和越障中保持车体主体平衡。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为机器人轮式运动构造图；

图2为机器人腿式运动构造图；

图3为变形轮轮式阶段示意图；

图4为变形轮腿式阶段示意图；

图5为左右两支腿示意图；

图6为整体控制方法结构框图；

图7为车体平衡控制流程图；

图8为机器人运动控制流程图。

图中：1、车体；2、变形轮；3、腿上肢；4、腿下肢；5、电动推杆；6、转动副；21、齿轮；22、变形足；23、三角架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参阅图1～5，本发明的复杂地形下平衡移动机器人包括：

变形轮2、左右两个支腿、两个电动推杆5、车体1；

所述支腿包括腿上肢3和腿下肢4；

所述变形轮2包括一个齿轮21、三个变形足22；

通过步进电机控制其速度和转向，当步进电机正转时，变形轮是如图3所示的轮式运动；当步进电机反转时，变形轮是如图4所示的腿式运动；

步进电机固定安装于机器人左右两支腿的腿下肢4上。

如图5，左右两支腿中每支腿的腿上肢3和腿下肢4在连接处形成转动副6，每支腿的腿下肢4中装有减速直流电机，来驱动腿上肢3进行旋转；腿上肢3与车体1两侧外部连接也形成转动副，在腿下肢4的减速直流电机驱动腿上肢3旋转的过程中，腿上肢3与车体1的转动副被动的进行姿态旋转。

车体1的尾部连接两个电动推杆5，电动推杆5的两端一端接在车体1的尾部上，另一端连接在机器人腿的腿上肢3上，形成支撑角度；

两个电动推杆5的两头连接均是转动副，在电动推杆5运动的过程中通过被动调节姿态进行旋转。

车体1内部安装有检测装置、无线接收发射以及控制装置。

检测装置主要检测车体在运动中是否保持平衡，以及机器人的运动姿态。

无线发射接收装置主要与用户控制器进行无线传输以让控制器能够控制机器人运动。

控制装置的输出端与各电机驱动器、无线发射接收装置以及检测装置进行连接。

控制装置通过检测装置实时获得车体1的运动状态，如果车体1保持平衡，控制装置让电动推杆5以及左右两支腿的减速直流电机禁止不动；如果车体1发生左右倾斜，控制装置让左右两支腿的减速直流电机通过旋转使车体1回归之前的平衡同时到之前平衡时的高度，该高度是车体1运动开始时的高度；如果车体前后发生倾斜，控制装置让两个电动推杆5运动使车体1重新回归平衡；如果前后左右都有一定角度的倾斜，则控制装置通过检测装置的综合控制减速直流电机和电动推杆5运动使车体重新回归平衡。

同时控制装置通过变形轮2的步进电机获得变形轮2的运动姿态，在一般情况下，如果不越障是步进电机正转，变形轮2进行轮式运动；如果要进行翻越障碍，则控制装置让机器人原地旋转180°，之后让变形轮2的步进电机反转，变形轮2进行腿式运动以达到越障的效果。

该控制装置主要是控制2部分，一部分是机器人整体的运动，该控制信息通过用户控制器输入进行控制；另一部分是车体1平衡控制的运动，该控制信息通过检测装置获取数据，控制***运算后形成反馈控制，自动调节车体平衡。整个机器人的电机主要有控制变形轮的步进电机、使车体平衡的电动推杆5和减速直流电机。

控制装置和检测装置均安装于车体1内部，包括电源、开关、报警器也安装于内部。检测装置将检测信息传递于控制装置，控制装置控制左右两支腿上减速直流电机和电动推杆5时，均通过PID算法用PWM控制其转速，以实现车体1的自平衡。

该机器人安装主要的连接方式是螺栓固定连接以及销连接，变形轮那里是齿轮连接，其中，包括电路部分会用到焊接。

在安装时将步进电机固定安装在左右支腿的腿下肢4上，再将变形轮2固定安装在步进电机上。再然后将左右两支腿的腿下肢4与腿上肢3进行转动连接，之后将腿上肢3与车体1也进行转动连接。最后将电动推杆5两端安装在车体1尾部和腿上肢3上即可，当然电动推杆5两端都是转动连接，整体安装和拆卸都比较简单快速。

变形轮2主要是包括三角架23、变形足22、齿轮21，步进电机是带动齿轮21运动。所述三角架23一侧固定安装在所述腿下肢4的底部一侧，所述三角架23另一侧分别转动连接有一个齿轮21和多个变形足22。

参阅图3：若变形轮2进行轮式运动，此时变形足22与齿轮21在最里侧接触，变形足22上有个限位机构可以让齿轮21正转到此处时将卡住，此时多个所述所述变形足22的外弧构成一正圆，进而带动整体变形轮2做轮式运动；参阅图4：若变形轮进行腿式运动，此时变形足22与齿轮21在最外侧接触，通过变形足22上有个限位机构可以让齿轮21正转到此处时将卡住，进而带动整体变形轮2做腿式运动。

另外本发明的检测装置主要是指安装在车体内部的MPU6050六轴传感器，通过卡尔曼滤波得到车体x、y、z方向的角速度和角加速度，控制装置可以通过角速度和角加速度的计算得到车体现在的运动状态以及现在机器人是否整体平衡的数据。

该无线发射接收装置可以是蓝牙也可以是wifi，主要是将用户的控制命令输送给控制装置，让控制装置输出控制量去控制步进电机运动，以实现无线控制的效果。

上面所述的控制装置最好是嵌入式的单片机包括：stm32、Arduino、树莓派、FPGA等都行只要能够达到计算精度即可。

参阅图6：

本发明的移动机器人的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：在开始时，机器人电气***上电，并进行***初始化操作以及故障诊断，若出现故障则通过蜂鸣器报警，若***正常则进入下一步；

步骤2：控制***通过串口无线连接用户控制器，若未连接则用户控制器显示未连接，若连接正常则用户控制器显示连接正常，此时用户即可操作机器人进行运动；

步骤3：控制装置接收用户控制器的信号和检测装置的信号，控制机器人运动。

具体运动控制的流程图参考图8所示。

步骤4：在运动过程中检测装置实时检测车体是否平衡，并将数据传递给控制装置；

步骤5：控制装置将检测装置的信号用PID算法进行分析处理并得出电动推杆5和支腿上的减速直流电机的控制量；

具体平衡控制方法参考图7所示。

步骤6：控制装置输出电动推杆5和减速直流电机的控制量去控制电机旋转，同时继续接收监测装置的信号，判断机器人***是否达到控制目标，若达到目标则结束，若未达到控制目标，则继续控制输出，形成反馈调节***。

综合上述可知：

本发明与轮式移动机器人对比能够更好地适应复杂的地形，从结构可以很明显地看出该机器人继承了轮式机器人移动速度快，能量利用率高的优点，同时解决了轮式移动机器人适用性差的缺点。与履带式移动机器人对比在移动速度和越障上的能够更快更高效，该机器人采用了变形轮在移动的速度上可以比履带式机器人更加快速，在越障上由于还是采用的电机越障，因此在反应速度上比履带式移动机器人更快，同时可以越比移动轮子大很多的障碍。与腿式移动机器人比起来在实现相同的控制功能上极大地简化了控制流程，双轮腿式的移动机器人虽然适应负载地形很强同时移动速度也快，但是在越障效果并不理想，而且在越障时很容易翻到。多轮控制在转向与越障上也不能达到本发明程序的简洁。同时在目前的移动机器人中都很难实现在运动中特别是越障中仍能使车体主体保持平衡，但本发明解决了此问题使机器人能够在移动和越障中保持车体主体平衡。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.复杂地形下平衡移动机器人，其特征在于，所述机器人包括：

车体；

安装在所述车体两侧的支腿；

安装在所述支腿底部的变形轮；

所述支腿包括腿上肢和腿下肢，所述腿上肢和腿下肢在连接处形成转动副，且腿下肢中装有用于驱动腿上肢进行旋转的减速直流电机；

所述腿上肢与所述车体之间也形成转动副；

所述车体的尾部连接两个电动推杆，所述电动推杆的两端分别与所述车体和所述腿上肢连接，且所述电动推杆的两端与所述车体和所述腿上肢之间均形成转动副；

所述变形轮包括齿轮、变形足和三角架，所述三角架一侧固定安装在所述腿下肢的底部一侧，所述三角架另一侧分别转动连接有一个齿轮和多个变形足；

所述变形足被设置成：

所述变形足为半月牙形状，且其一端设置有被动齿轮弧，且所述被动齿轮弧与所述齿轮啮合连接；所述被动齿轮弧的最外侧和最里侧均设置有限位块，用于卡住齿轮；所述被动齿轮弧与所述齿轮的最里侧接触时，多个所述变形足的外弧构成一正圆；

所述腿下肢上还安装有步进电机，且所述步进电机输出端与所述齿轮连接。

2.根据权利要求1所述的复杂地形下平衡移动机器人，其特征在于，所述车体内部还安装有：

控制装置、检测装置、电源、开关、报警器、无线接收发射装置。

3.根据权利要求2所述的复杂地形下平衡移动机器人，其特征在于，所述检测装置为MPU6050六轴传感器。

4.根据权利要求2所述的复杂地形下平衡移动机器人，其特征在于，所述无线接收发射装置为蓝牙模组和/或wifi模组；

所述报警器为蜂鸣器。

5.根据权利要求2所述的复杂地形下平衡移动机器人，其特征在于，所述控制装置为嵌入式单片机。

6.根据权利要求5所述的复杂地形下平衡移动机器人，其特征在于，所述嵌入式单片机为以下中的至少一种：

stm32、Arduino、树莓派、FPGA。

7.复杂地形下平衡移动机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

开始时，机器人电气***上电，并进行***初始化操作以及故障诊断，若出现故障则通过蜂鸣器报警；

控制***通过串口无线连接用户控制器，若未连接则用户控制器显示未连接，若连接正常则用户控制器显示连接正常，此时用户即可操作机器人进行运动；

控制装置接收用户控制器的信号和检测装置的信号，控制机器人运动；

在运动过程中检测装置实时检测车体是否平衡，并将数据传递给控制装置；

控制装置将检测装置的信号用PID算法进行分析处理并得出电动推杆和支腿上的减速直流电机的控制量；

控制装置输出电动推杆和减速直流电机的控制量，同时继续接收监测装置的信号，判断机器人***是否达到控制目标，若达到目标则结束，若未达到控制目标，则继续控制输出。

8.根据权利要求7所述的复杂地形下平衡移动机器人的控制方法，其特征在于，其中，控制装置接收用户控制器的信号和检测装置的信号，控制机器人运动，包括：

当机器人正常运动时，步进电机正转，变形轮进行轮式运动；

当机器人翻越障碍时，控制装置让机器人原地旋转180°，步进电机反转，变形轮进行腿式运动。

9.复杂地形下平衡移动机器人的平衡姿态控制方法，其特征在于，所述方法包括：

控制装置通过检测装置实时获得车体的姿态，如果车体保持平衡，控制装置让电动推杆以及左右两支腿的减速直流电机禁止不动；

如果车体发生左右倾斜，控制装置控制减速直流电机旋转，使车体回归之前的平衡，同时到达之前平衡时的高度，该高度是车体运动开始时的高度；

如果车体前后发生倾斜，控制装置让两个电动推杆运动使车体重新回归前后平衡状态；

如果前后左右都发生倾斜，则同时按照上述方法控制装置控制减速直流电机旋转并控制电动推杆运动，使车体重新回归平衡。

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