CN114610048B - 基于叉型摇臂轮腿复合越障机构的机器人及自主越障方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机器人越障控制领域，具体说是基于叉型摇臂轮腿复合越障机构的机器人及自主越障方法。包括：移动机器人以及设于其上的且与控制器连接的视觉相机、前驱动轮、后驱动轮、雷达探测***、叉型摇臂越障机构、和组合导航***；控制器，用于接收雷达探测***实时采集的移动机器人与垂直障碍物之间的距离信息、垂直障碍物的高度信息，接收组合导航***采集的移动机器人的实时位置以及姿态信息，发送控制指令信号控制前驱动轮或后驱动轮行进或停止，同时解算出叉型摇臂越障机构需要摆动到的角度大小或行进距离，实现自主控制。本发明提供了移动机器人自主跨越一定高度垂直障碍的可行方法，能够大幅提升机器人在复杂环境下的通过能力。
Description
技术领域
本发明涉及机器人越障控制领域，具体说是基于叉型摇臂轮腿复合越障机构的机器人及自主越障方法。
背景技术
陆地环境相对于移动机器人来说是比较复杂的，机器人在面对障碍时，有些可以选择绕开障碍，继续前进，但当面对一些无法绕过的障碍时，越障技术便能够提高机器人复杂地形环境下的通过能力，并且能够提高机器人复杂环境下执行任务的能力。
而现有移动机器人在面对垂直障碍时，大多会选择绕开或采用被动机构辅助跨越垂直障碍，并且多会采用人为遥控的方式。被动机构辅助越障的方法，会在机器人和障碍物接触瞬间产生一定的冲击，影响到机器人本体的性能，同时，也会对机器人越障时的控制精度产生影响。人为遥控的方式相较于自主越障，对机器人控制的精度和效率都会有所下降。
发明内容
本发明目的是提供基于叉型摇臂轮腿复合越障机构的机器人及自主越障方法，以克服上述现有技术的不足，解决现有技术无法实现自主越垂直障碍的问题。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：基于叉型摇臂轮腿复合越障机构的机器人，包括：移动机器人以及设于其上的视觉相机、前驱动轮、后驱动轮、雷达探测***、叉型摇臂越障机构、控制器和组合导航***；
所述视觉相机设于移动机器人顶部，用于根据传输至上位机的视频流信息进行移动机器人的运动环境监控；
所述前驱动轮和后驱动轮均有一对，且分别对称设于移动机器人的前端底部和后端底部，所述前驱动轮和后驱动轮通过驱动器与控制器连接；
所述雷达探测***，用于实时采集移动机器人行进过程中，移动机器人与垂直障碍物之间的距离信息、以及垂直障碍物的高度信息，并发送至控制器；
所述叉型摇臂越障机构与控制器连接，且分置于移动机器人两侧，反馈当前状态信息至控制器，同时，通过接收控制器的控制指令，以摆动相应角度或行进距离，带动移动机器人抬起或下落，实现移动机器人自主跨越障碍物；还接收上位机发出的遥控指令，实现人为控制跨越障碍物；
所述组合导航***，包括：惯性导航***和卫星导航***，用于采集移动机器人的实时位置以及姿态信息，并发送至控制器；
所述控制器，用于接收雷达探测***实时采集的移动机器人与垂直障碍物之间的距离信息、垂直障碍物的高度信息，接收组合导航***采集的移动机器人的实时位置以及姿态信息，发送控制指令信号控制前驱动轮或后驱动轮行进或停止，同时解算出叉型摇臂越障机构需要摆动到的角度大小或行进距离，对控制叉型摇臂越障机构进行自主控制。
所述叉型摇臂越障机构，包括：驱动器、电机驱动关节、叉型摇臂前腿、叉型摇臂后腿、叉型摇臂前驱动轮以及叉型摇臂后驱动轮；
所述驱动器设于移动机器人内的重心位置处，所述电机驱动关节有一对，且与驱动器连接；所述电机驱动关节分别设于前驱动轮和后驱动轮一侧；
所述叉型摇臂前腿、叉型摇臂后腿、叉型摇臂前驱动轮以及叉型摇臂后驱动轮均设有一对，且相互对称设置；
所述电机驱动关节通过叉型摇臂前腿与叉型摇臂前驱动轮连接；
所述叉型摇臂前腿和叉型摇臂后腿长度相等，且相互固连，以使所述叉型摇臂前腿和叉型摇臂后腿之间的夹角保持为2β。
所述雷达探测***，包括：与控制器连接的多个2-D激光雷达、3-D激光雷达；
所述3-D激光雷达设于移动机器人前端，用于采集移动机器人与障碍物间的距离信息，并发送至控制器；
所述2-D激光雷达分别对应设于所述移动机器人上，且与其相对应的前驱动轮或后驱动轮外侧共面，并且其与轮轴心连线垂直于水平面，且2-D激光雷达的扫描平面与移动机器人的驱动轮一侧表面平行，并垂直于水平面，用于获取垂直障碍物的高度信息，并发送至控制器。
基于叉型摇臂轮腿复合越障机构的机器人的自主越障方法，包括以下步骤：
1)当移动机器人遇到垂直障碍物时，雷达探测***实时检测垂直障碍物的高度h、以及与垂直障碍物间的距离S，并发送至控制器；
2)在距离垂直障碍物的水平距离S达到设定距离时，控制器控制使驱动器驱动摇臂驱动关节运动，带动叉型摇臂前腿旋转至角度α1时，叉型摇臂前驱动轮与地面支撑，使移动机器人的前驱动轮抬起h高度；
3)控制器解算出移动机器人行进最大距离s1；且以使在行进s1后，叉型摇臂前驱动轮的摆动轨迹与垂直障碍物上表面的边缘相切；
4)移动机器人行进s1，控制器解算并控制移动机器人的叉型摇臂前腿(6)旋转至角度α2；
5)控制器控制移动机器人继续前进s2，叉形摇臂的前驱动轮完全搭接在垂直障碍物的上表面上；
6)控制器控制移动机器人的叉型摇臂前腿顺时针旋转至角度α3时，叉型摇臂前驱动轮和叉型摇臂后驱动轮的圆心连线与垂直障碍物上表面平行；
7)控制器控制移动机器人继续前进s3，直至叉形摇臂后驱动轮完全处在垂直障碍物的上表面；控制器控制叉型摇臂前腿旋转后的角度为α4时，后驱动轮抬起，前驱动轮降低，以实现前驱动轮和后驱动轮均处于垂直障碍的上平面上，进而完成障碍的跨越。
所述步骤2)，具体为：
2-1)设定移动机器人的B端为前端，A端为后端，C点为移动机器人上表面的中心点；O1为后驱动轮的圆心，O2为叉型摇臂后驱动轮的圆心，O3为叉型摇臂前驱动轮的圆心，O4为前驱动轮的圆心；r为叉型摇臂前驱动轮或叉型摇臂后驱动轮的半径，E为移动机器人上表面的中心点与地面垂线的垂足；
已知移动机器人的高度为AO1+r＝L1+r，AO1＝L1；叉型摇臂前腿CO3和叉型摇臂后腿CO2长度均为L2，移动机器人的长度AB为L，∠O2CE＝β为移动机器人初始状态时叉型摇臂前腿或叉型摇臂后腿与C点垂直方向的夹角，即叉型摇臂前腿与叉型摇臂后腿的夹角为2β；
2-2)执行前驱动轮抬升后，移动机器人的B'端为前端，A′端为后端，C'点为抬升后移动机器人上表面的中心点，O1'为抬升后后驱动轮的圆心，O2'为抬升后叉型摇臂后驱动轮的圆心，O3'为抬升后叉型摇臂前驱动轮的圆心，O4'为抬升后前驱动轮的圆心；移动机器人的后端转动角度γ，即∠A′O1A；
2-3)根据移动机器人的后端旋转角度γ与θ相等，θ为C'与地面的垂线在移动机器人抬升后的姿态变换角度；
2-4)做移动机器人后端A′点的水平线，抬升后移动机器人前端与地面的竖直高度B′H，I为移动机器人后端A′点的水平线与B′H的点，K为移动机器人后端A′点与C'D的交点；
2-5)根据三角形原理，即：∠KA′B′＝∠DC′F＝∠A′O1A，进而获取抬升后移动机器人前端与地面的竖直高度B′H为：(h+L1+r)，以及B′I的长度为：(h+L1-L1cosθ)；
2-6)根据移动机器人的长度AB＝L，则旋转姿态后A′B′＝AB＝L长度L，进而得到下式：
(h+L1-L1cosθ)＝Lsinθ (1)
根据公式(1)，得到h+L1为：
设定辅助角为根据辅助角公式/>则：
根据公式(2)得到θ的角度，即：
去除辅助角即：
由于DC′为抬升后移动机器人中心点与地面的垂线，C′O3'为抬升后移动机器人中心点与抬升后叉型摇臂前驱动轮的圆心的连线，则：
cos∠DC′O3'＝cos(θ+α1)＝(0.5h+L1cosθ)/L2
θ+α1＝arccos((0.5h+L1cosθ)/L2) (4)
根据公式(3)和公式(4)获取α1，即：
所述叉型摇臂后腿跟随叉型摇臂前腿旋转，且叉型摇臂后腿与叉型摇臂前腿之间的夹角为2β。
所述步骤3)，具体为：
所述叉型摇臂前驱动轮或叉型摇臂后驱动轮的半径均为r，点P为垂直障碍物边缘上，且与叉型摇臂前驱动轮的摆动轨迹相切；点J为移动机器人中心点垂线C′D上一点，且点J与点P的连线垂直于移动机器人中心点垂线C′D；
在移动机器人开始姿态变换时，移动机器人前端的3-D激光雷达检测到移动机器人前端与垂直障碍物的距离为LD，则PJ为：
PJ＝(0.5Lcosθ+L1sinθ+LD)
当C′P＝L2+r时，此状态行进距离的最大值，则：
并且根据公式(3)和公式(5)中的θ和α1，获取车前进的最大距离S1即：
所述步骤4)，具体为：
在移动机器人行进过程中，叉型摇臂越障机构未发生姿态变化，移动机器人的姿态变换角度θ未发生变化，即公式(3)：
移动机器人中心点垂线C′D平移，长度保持不变，即：
C′D＝0.5h+L1cosθ
叉型摇臂前驱动轮的圆心与移动机器人中心点垂线C′D相交的垂足点V的距离C′V，即：
C′V＝C′D-VD＝(0.5h+L1cosθ)-(h+r)＝L1cosθ-r-0.5h
叉型摇臂前腿摆动至角度α2，时，叉型摇臂前驱动轮和垂直障碍物上表面的边缘相切，即：
α2＝∠DC′O3′-θ (6)
cos(∠DC′O3′)＝C′V/C′O3′ (7)
∠DC′O3′＝θ+α2＝arcos(C′V/C′O3′)＝arcos(L1cosθ-r-0.5h/L2) (8)
根据公式(6)～公式(8)，得到叉型摇臂前腿需要摆动至的角度α2，叉型摇臂后腿跟随叉型摇臂前腿旋转。
所述步骤5)，具体为：
在移动机器人前进S2前，移动机器人中心点C′与垂直障碍物的水平距离为：
由于叉型摇臂前腿C′O3′和叉型摇臂后腿C′O2′长度均为L2，则前驱动轮圆心距离移动机器人中心点垂线的距离为：
VO3′＝L2sin(θ+α2)
则在移动机器人前进S2后：移动机器人中心点C′的垂线与垂直障碍物的水平距离PJ为：
PJ＝VO3′-r
移动机器人前进的距离为：
所述步骤6)，具体为：
设定A'Q为平行于地面的水平线，使叉型摇臂前驱动轮和叉型摇臂后驱动轮的圆心连线O2′O3′与地面的水平线A′Q平行，则：A′Q//O2′O3′，且O2′O3′⊥C′D，Z点为C′D与O2′O3′的交点，进而得到移动机器人中心点处的垂线高度：
C′D＝C′Z+ZD＝L2cosβ+r+h；
由于A′Q⊥O1′J，得到：
∠A′O1′J＝∠DC′F＝θ，O1′J＝L1cosθ，C′V＝C′D-O1′J；
进而获取移动机器人中心点距离水平线A'Q的垂直高度C′V为：
C′V＝C′D-O1′J＝L2cosβ+r+h-L1cosθ
移动机器人的姿态变换角度：
sinθ＝C′V/0.5L＝(L2cosβ+h-L1cosθ)/0.5L
0.5Lsinθ＝L2cosβ+h-L1cosθ
叉型摇臂前腿摆动至角度α3时：
叉型摇臂后腿跟随叉型摇臂前腿旋转,摆动至与叉型摇臂前腿之间的夹角为2β。
所述步骤7)，具体为：
Z点为C′D与O2′O3′的交点，移动机器人前进的距离的理论距离为O2′O3′的长度，即：
S3＝2L2cos(∠C′O2′Z)
此时，移动机器人前进的距离大于S3；
控制移动机器人的叉型摇臂前腿摆动至角度为α4，以摆腿角度α＝β，移动机器人完成越障。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明基于叉型摇臂轮腿复合越障机构的机器人，装有雷达探测***，能够有效的测量与障碍物间的距离和垂直障碍物的高度，为机器人的自主越障提供了高精度的基础数据支撑，提升机器人越障控制的精度，保障机器人设备的安全性。
2.本发明基于叉型摇臂轮腿复合越障机构的机器人，设计有叉型摇臂越障机构，和与之固连的两条摆腿、两个驱动轮，并通过将驱动器与控制器连接，使得控制器能够完成对叉型摇臂机构的规划控制，完成机器人的位姿变换，极大的增强了机器人在复杂路况下越障能力。
3.本发明基于叉型摇臂轮腿复合越障机构的机器人，设计有叉型摇臂越障机构，叉型摇臂两条摆腿末端的两个驱动轮，和机器人本体的前驱动轮、后驱动轮，共同组成机器人的驱动***。能够为机器人在大负载作业、爬坡作业时提供充沛的动力供应，提升机器人执行任务的效率。
4.本发明自主跨越垂直障碍的方法，依靠雷达探测***获取的实时信息，融合惯性组合导航***的位姿信息，回传给机器人的控制器，实时规划计算叉型摇臂的旋转角度和机器人本体的移动距离，能够显著提升机器人自主越障的精度和效率。
5.本发明基于叉型摇臂轮腿复合越障机构的机器人，装有大范围观测的视觉相机，以及雷达探测***，并通过无线通信链路回传视频流和雷达探测信息给远程监控电脑，提升了机器人在执行任务时的人员操控的方便性，也避免了机器人执行任务过程中给操控人员带来的人身危险。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明移动机器人的车体内部结构示意图；
图3为本发明的控制流程框图；
图4为本发明前驱动轮抬升过程原理图；
图5为本发明的叉型摇臂前腿第一次旋转角度解算原理图；
图6为本发明的移动机器人第一次前进距离最大值解算原理图；
图7为本发明的叉型摇臂前腿第二次旋转角度解算原理图；
图8为本发明的移动机器人第二次前进距离解算原理图；
图9为本发明的叉型摇臂前腿第三次旋转角度解算原理图；
图10为本发明的移动机器人第三次前进距离解算的原理图；
图11为本发明的叉型摇臂前腿第四次旋转角度解算原理图；
其中，1为组合导航***天线，2为3-D激光雷达，3为2-D激光雷达，4为前驱动轮，5为叉型摇臂前驱动轮，6为叉型摇臂前腿，7为电机驱动关节，8为叉型摇臂后腿，9为叉型摇臂后驱动轮，10为后驱动轮，11为移动机器人，12为电源组，13为组合导航***，14为控制器，15为视觉相机，16为无线通信天线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1～2所示，为本发明基于叉型摇臂越障机构机器人的结构示意图；包括：移动机器人11以及设于其上的视觉相机15、前驱动轮4、后驱动轮10、雷达探测***、叉型摇臂越障机构、控制器14和组合导航***13；
视觉相机15设于移动机器人11顶部，用于根据传输至上位机的视频流信息进行移动机器人11的运动环境监控；
前驱动轮4和后驱动轮10均有一对，且分别对称设于移动机器人11的前端底部和后端底部，前驱动轮4和后驱动轮10通过驱动器与控制器14连接；
雷达探测***，用于实时采集移动机器人11行进过程中，移动机器人11与垂直障碍物之间的距离信息、以及垂直障碍物的高度信息，并发送至控制器14；
叉型摇臂越障机构与控制器14连接，且分置于移动机器人11两侧，反馈当前状态信息至控制器14，同时，通过接收控制器14的控制指令，以摆动相应角度或行进距离，带动移动机器人11抬起或下落，实现移动机器人11自主跨越障碍物；还接收上位机发出的遥控指令，实现人为控制跨越障碍物；
组合导航***13，包括：惯性导航***和卫星导航***，用于采集移动机器人11的实时位置以及姿态信息，并发送至控制器14；
控制器14，用于接收雷达探测***实时采集的移动机器人11与垂直障碍物之间的距离信息、垂直障碍物的高度信息，接收组合导航***13采集的移动机器人11的实时位置以及姿态信息，发送控制指令信号控制前驱动轮4或后驱动轮10行进或停止，同时解算出叉型摇臂越障机构需要摆动到的角度大小或行进距离，对控制叉型摇臂越障机构进行自主控制。
本发明实例中，如图2所示，电池***12，位于移动机器人11内中间位置，能够为机器人提供充沛的电力供应、电量监测。
雷达探测***，包括：与控制器14连接的4个2-D激光雷达3、3-D激光雷达2；
3-D激光雷达2设于移动机器人11前端，用于采集移动机器人11与障碍物间的距离信息，并发送至控制器14；
2-D激光雷达3分别对应设于所述移动机器人11上，且与其相对应的前驱动轮4或后驱动轮10外侧共面，并且其与轮轴心连线垂直于水平面，且2-D激光雷达的扫描平面与移动机器人11的驱动轮一侧表面平行，并垂直于水平面，用于获取垂直障碍物的高度信息，并发送至控制器14。
在本发明实施例中，叉型摇臂越障机构分置于机器人车体的两侧，整***于移动机器人11的中间位置，也是移动机器人11重心的位置；
本实施例中的叉型摇臂越障机构为现有技术，包括：驱动器、电机驱动关节7、叉型摇臂前腿6、叉型摇臂后腿8、叉型摇臂前驱动轮5以及叉型摇臂后驱动轮9；
驱动器设于移动机器人11内的重心位置处，电机驱动关节7有一对，且与驱动器连接；电机驱动关节7分别设于前驱动轮4和后驱动轮10一侧；
叉型摇臂前腿6、叉型摇臂后腿8、叉型摇臂前驱动轮5以及叉型摇臂后驱动轮9均设有一对，且相互对称设置；
电机驱动关节7通过叉型摇臂前腿6与叉型摇臂前驱动轮5连接；
叉型摇臂前腿6和叉型摇臂后腿8长度相等，且相互固连，以使所述叉型摇臂前腿6和叉型摇臂后腿8之间的夹角保持为120°。通过叉型摇臂机构的摆动，以及机构的运动，支撑机器人的位姿变化。
叉型摇臂越障机构，通过叉型摇臂前驱动轮5、后驱动轮10和叉型摇臂前腿6、叉型摇臂后腿8之间的配合，能够实现机器人的多种构型变换。
构型1：电机驱动关节7基本不动，叉型摇臂前腿6、叉型摇臂后腿8不动，叉型摇臂前驱动轮5和叉型摇臂后驱动轮9不接触地面，前驱动轮4和后驱动轮10接触地面，此种构型为机器人普通行进状态下的构型；
构型2：电机驱动关节7旋转一定角度，叉型摇臂后驱动轮9不接触地面，整车有前驱动轮4、叉型摇臂前驱动轮5、后驱动轮10接触地面，此种构型为机器人爬坡时的构型，能够为机器人提供更大的驱动力；
构型3：电机驱动关节7旋转一定角度，叉型摇臂前驱动轮5不接触地面，整车有前驱动轮4、叉型摇臂后驱动轮9、后驱动轮10接触地面，此种构型为机器人爬坡时的构型，能够为机器人提供更大的驱动力。相对于构型2，由于叉型摇臂前驱动轮5的减速比更大，因此在构型3时的驱动力要小于构型2；
构型4：电机驱动关节7旋转较大角度，前驱动轮4、叉型摇臂后驱动轮9不接触地面，整车仅有叉型摇臂前驱动轮5和后驱动轮10接触地面，此种构型为机器人准备越垂直障碍时的构型；
构型5：电机驱动关节7旋转较大角度，叉型摇臂前驱动轮5和后驱动轮10不接触地面，整车仅有前驱动轮4和叉型摇臂后驱动轮9接触地面，此种构型为机器人跨越垂直障碍时的构型；
如图3所示，为本发明的控制流程框图；本发明提供基于叉型摇臂轮腿复合越障机构的机器人，能够实现机器人自主越垂直障碍。在本发明中，控制器14负责传感器数据的处理和发送、控制指令收发、底层控制命令处理等。控制器14负责和监控计算机之间通过无线设备进行数据通讯。雷达探测***用于探测垂直障碍的高度和移动机器人11与垂直障碍间的距离，并将获取的障碍物相关信息发送给控制器12。控制器14根据雷达***获取的障碍物信息，实时进行任务的规划，控制叉型摇臂机构进行位姿的切换，通过控制电机驱动关节7来调整叉型摇臂机构各腿需要旋转至某个角度的大小，进而改变机器人的位姿，并且根据障碍物的高度值，实时控制摇臂的角度进而控制车头和车尾的高度，来满足实时自主越障的位姿需要。
视觉相机15通过无线设备和监控电脑互联，为有人端提供机器人实时监测图像。电源***14为机器人提供充沛的电力供应，能够进行电量的检测、实时电压的监测。机器人运动过程中组合导航***13将机器人的实时的位置和姿态信息实时发送给机器人的控制器14，并融合机器人的驱动关节状态信息，以及雷达探测***的信息，完成对机器人的位姿控制。机器人的驱动***为机器人在多种位姿构型下，提供动力。
如图4～11所示，为本发明整体实现垂直障碍物跨越的原理示意图；
基于叉型摇臂越障机构的自主越垂直障碍的方法，主要包括以下几个步骤：
步骤一，当机器人遇到垂直障碍时，雷达探测***测出垂直障碍物的高度h，与障碍物间的距离s；
步骤二，本实施例中在距离障碍物的水平距离S约为0.5m的时候，控制摇臂旋转角度至角度α1，叉型摇臂前驱动轮5和电机驱动关节7驱动环节之间协调配合，带动叉型摇臂前腿6共同支撑机器人的前轮抬起h高度；
如图4所示，设定移动机器人11的B端为前端，A端为后端，C点为移动机器人11上表面的中心点；O1为后驱动轮10的圆心，O2为叉型摇臂后驱动轮9的圆心，O3为叉型摇臂前驱动轮5的圆心，O4为前驱动轮4的圆心；r为叉型摇臂前驱动轮5或叉型摇臂后驱动轮9的半径，E为移动机器人11上表面的中心点与地面垂线的垂足；
已知移动机器人11的高度为AO1+r＝L1+r，AO1＝L1；叉型摇臂前腿6CO3和叉型摇臂后腿8CO2长度均为L2，移动机器人11的长度AB为L，∠O2CE＝β为移动机器人11初始状态时叉型摇臂前腿6或叉型摇臂后腿8与C点垂直方向的夹角，即叉型摇臂前腿6与叉型摇臂后腿8的夹角为2β；
执行前驱动轮4抬升后，移动机器人11的B'端为前端，A′端为后端，C'点为抬升后移动机器人11上表面的中心点，O1'为抬升后后驱动轮10的圆心，O2'为抬升后叉型摇臂后驱动轮9的圆心，O3'为抬升后叉型摇臂前驱动轮5的圆心，O4'为抬升后前驱动轮4的圆心；移动机器人11的后端转动角度γ，即∠A′O1A；
∠A′O1A＝γ为移动机器人11后端旋转变换角度，及移动机器人11后端的长度为AO1＝L1。叉型摇臂结构的两条摆腿CO2和CO3的长度相等L2。移动机器人11的车身长度AB＝L，∠O2CE＝β为移动机器人11初始状态时摆腿与车身垂直方向的夹角。
∠FC′O3′＝α1为构型1变换之后叉型摇臂前腿6与移动机器人11垂直方向的夹角，点G为AB和C′D的交点。A′I平行于地面，且A′I与C′D相交于K点，点且C′K⊥A′K。
从图4中，有基本的三角形关系能够知道，根据移动机器人11的后端旋转角度γ与θ相等，θ为C'与地面的垂线在移动机器人11抬升后的姿态变换角度；即∠KA′B′＝∠DC′F＝∠A′O1A。做移动机器人11后端A′点的水平线，抬升后移动机器人11前端与地面的竖直高度B′H，I为移动机器人11后端A′点的水平线与B′H的点，K为移动机器人11后端A′点与C'D的交点；
所以有抬升后移动机器人11前端与地面的竖直高度B′H′的长度为(h+L1+r)，B′I的长度为(h+L1-L1cosθ)；
根据移动机器人11的长度AB＝L，则旋转姿态后A′B′＝AB＝L长度L，进而得到下式：
(h+L1-L1cosθ)＝Lsinθ (1)
根据公式(1)，得到h+L1为：
设定辅助角为根据辅助角公式/>则：
根据公式(2)得到θ的角度，即：
去除辅助角即：
由于DC′为抬升后移动机器人11中心点与地面的垂线，C′O3'为抬升后移动机器人11中心点与抬升后叉型摇臂前驱动轮5的圆心的连线，则：
cos∠DC′O3'＝cos(θ+α1)＝(0.5h+L1cosθ)/L2
θ+α1＝arccos((0.5h+L1cosθ)/L2) (4)
根据公式(3)和公式(4)获取α1，即：
所述叉型摇臂后腿8跟随叉型摇臂前腿6旋转，且叉型摇臂后腿8与叉型摇臂前腿6之间的夹角为2β。
步骤三，已知本实施例的前述中叉型摇臂前驱动轮5或叉型摇臂后驱动轮9的半径均为r，点P为垂直障碍物边缘上，且与叉型摇臂前驱动轮5的摆动轨迹相切；点J为移动机器人11中心点垂线C′D上一点，且点J与点P的连线垂直于移动机器人11中心点垂线C′D；
控制机器人行进距离s1，前驱动轮4能够搭在垂直障碍的上表面，并且叉型摇臂的前驱动轮5的旋转轨迹，刚好可以与垂直障碍的边相切。
如图5和图6所示，移动机器人开始姿态变换时，在机器人的正前方安装有3-D的测距激光雷达，在图4状态下，能够测出移动机器人11前端与垂直障碍物的距离LD，并且相对图4中，移动机器人11的叉型摇臂后腿8和叉型摇臂前腿6的状态并没有变化，所以由图5可知，PJ＝(0.5Lcosθ+L1 sinθ+LD)。如图6所示，当C′P＝L2+r时，便到达了此状态前进距离的最大值，此时的并且θ和α1在步骤二中公式(3)和公式(5)中的θ和α1已经求出，所以移动机器人11前进的最大距离S1即：
步骤四，控制机器人的叉型摇臂旋转后的角度为α2，叉型摇臂的前驱动轮5和垂直障碍上表面相切，如图7所示，整车的俯仰角度依然没有变化，θ的值依然没有变，即公式(3)：
移动机器人(11)中心点垂线C′D平移，长度保持不变，即：
C′D＝0.5h+L1cosθ
所以C′V的长度可求，叉型摇臂前驱动轮5的圆心与移动机器人11中心点垂线C′D相交的垂足点V的距离C′V，即：
C′V＝C′D-VD＝(0.5h+L1cosθ)-(h+r)＝L1cosθ-r-0.5h
叉型摇臂前腿6摆动至角度α2，时，叉型摇臂前驱动轮5和垂直障碍物上表面的边缘相切，即：
α2＝∠DC′O3′-θ(6)
cos(∠DC′O3′)＝C′V/C′O3′(7)
∠DC′O3′＝θ+α2＝arcos(C′V/C′O3′)＝arcos(L1cosθ-r-0.5h/L2) (8)
根据公式(6)～公式(8)，得到叉型摇臂前腿6需要摆动至的角度α2，构型二状态下，摆腿的姿态角需摆至α2。叉型摇臂后腿8跟随叉型摇臂前腿6旋转。
步骤五，控制机器人继续前进s2，叉形摇臂的前驱动轮5已经完全的搭在垂直障碍的上表面，如图8所示，车子需要前进S2，即当前越障轮刚好通过障碍物时即可。根据图4中，在构型二时开始之前，有在图8状态时，
由于叉型摇臂前腿6C′O3′和叉型摇臂后腿8C′O2′长度均为L2，则前驱动轮4圆心距离移动机器人11中心点垂线的距离为：
VO3′＝L2sin(θ+α2)
由步骤四中的θ和α都已知，则在移动机器人11前进S2后：移动机器人11中心点C′的垂线与垂直障碍物的水平距离PJ为：
PJ＝VO3′-r
移动机器人11前进的距离为：
在实际中为确保安全，构型二状态下，车实际前进的距离需要稍大于S2。
步骤六，如图9所示，控制机器人的叉型摇臂旋转后的角度为α3，叉型摇臂前驱动轮5和叉型摇臂后驱动轮9基本和垂直障碍平面平行，第三种构型需要实现前后越障轮处于同一个水平面内，设定A'Q为平行于地面的水平线，使叉型摇臂前驱动轮5和叉型摇臂后驱动轮9的圆心连线O2′O3′与地面的水平线A′Q平行，则：A′Q//O2′O3′，且O2′O3′⊥C′D，Z点为C′D与O2′O3′的交点，进而得到移动机器人11中心点处的垂线高度：
C′D＝C′Z+ZD＝L2cosβ+r+h；
由于A′Q⊥O1′J，得到：
∠A′O1′J＝∠DC′F＝θ，O1′J＝L1cosθ，C′V＝C′D-O1′J；
进而获取移动机器人11中心点距离水平线A'Q的垂直高度C′V为：
C′V＝C′D-O1′J＝L2cosβ+r+h-L1cosθ
移动机器人11的姿态变换角度：
sinθ＝C′V/0.5L＝(L2cosβ+h-L1cosθ)/0.5L
0.5Lsinθ＝L2cosβ+h-L1cosθ
叉型摇臂前腿6摆动至角度α3时：
即构型三状态下，摆腿需要摆至α3角度，叉型摇臂后腿8跟随叉型摇臂前腿6旋转,摆动至与叉型摇臂前腿6之间的夹角为2β；
步骤七，如图10所示，控制机器人继续前进s3，直至机器人叉形摇臂机构的后驱动轮9，完全处在垂直障碍的上表面，参照图10中的情况，车前进的距离为O2′O3′的长度，即S3＝2L2cos(∠C′O2′Z)。在实际中，为确保安全，在构型三状态下，无人车前进的距离需要稍大于S3。
步骤八，控制机器人的叉型摇臂前腿6旋转后的角度为a4，基本实现整车处于垂直障碍的平面上，如图11中所示，构型变换四的摆腿角度α＝β。构型四之后无人车跨越障碍成功，可以继续前进，进而完成障碍的跨越。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.基于叉型摇臂轮腿复合越障机构的机器人，其特征在于，包括：移动机器人(11)以及设于其上的视觉相机(15)、前驱动轮(4)、后驱动轮(10)、雷达探测***、叉型摇臂越障机构、控制器(14)和组合导航***(13)；
所述视觉相机(15)设于移动机器人(11)顶部，用于根据传输至上位机的视频流信息进行移动机器人(11)的运动环境监控；
所述前驱动轮(4)和后驱动轮(10)均有一对，且分别对称设于移动机器人(11)的前端底部和后端底部，所述前驱动轮(4)和后驱动轮(10)通过驱动器与控制器(14)连接；
所述雷达探测***，用于实时采集移动机器人(11)行进过程中，移动机器人(11)与垂直障碍物之间的距离信息、以及垂直障碍物的高度信息，并发送至控制器(14)；
所述叉型摇臂越障机构与控制器(14)连接，且分置于移动机器人(11)两侧，反馈当前状态信息至控制器(14)，同时，通过接收控制器(14)的控制指令，以摆动相应角度或行进距离，带动移动机器人(11)抬起或下落，实现移动机器人(11)自主跨越障碍物；还接收上位机发出的遥控指令，实现人为控制跨越障碍物；
所述组合导航***(13)，包括：惯性导航***和卫星导航***，用于采集移动机器人(11)的实时位置以及姿态信息，并发送至控制器(14)；
所述控制器(14)，用于接收雷达探测***实时采集的移动机器人(11)与垂直障碍物之间的距离信息、垂直障碍物的高度信息，接收组合导航***(13)采集的移动机器人(11)的实时位置以及姿态信息，发送控制指令信号控制前驱动轮(4)或后驱动轮(10)行进或停止，同时解算出叉型摇臂越障机构需要摆动到的角度大小或行进距离，对控制叉型摇臂越障机构进行自主控制；
所述叉型摇臂越障机构，包括：驱动器、电机驱动关节(7)、叉型摇臂前腿(6)、叉型摇臂后腿(8)、叉型摇臂前驱动轮(5)以及叉型摇臂后驱动轮(9)；
所述驱动器设于移动机器人(11)内的重心位置处，所述电机驱动关节(7)有一对，且与驱动器连接；所述电机驱动关节(7)分别设于前驱动轮(4)和后驱动轮(10)一侧；
所述叉型摇臂前腿(6)、叉型摇臂后腿(8)、叉型摇臂前驱动轮(5)以及叉型摇臂后驱动轮(9)均设有一对，且相互对称设置；
所述电机驱动关节(7)通过叉型摇臂前腿(6)与叉型摇臂前驱动轮(5)连接；
所述叉型摇臂前腿(6)和叉型摇臂后腿(8)长度相等，且相互固连，以使所述叉型摇臂前腿(6)和叉型摇臂后腿(8)之间的夹角保持为2β。
2.根据权利要求1所述的基于叉型摇臂轮腿复合越障机构的机器人，其特征在于，所述雷达探测***，包括：与控制器(14)连接的多个2-D激光雷达、3-D激光雷达；
所述3-D激光雷达设于移动机器人(11)前端，用于采集移动机器人(11)与障碍物间的距离信息，并发送至控制器(14)；
所述2-D激光雷达分别对应设于所述移动机器人(11)上，且与其相对应的前驱动轮(4)或后驱动轮(10)外侧共面，并且其与轮轴心连线垂直于水平面，且2-D激光雷达的扫描平面与移动机器人(11)的驱动轮一侧表面平行，并垂直于水平面，用于获取垂直障碍物的高度信息，并发送至控制器(14)。
3.根据权利要求1所述的基于叉型摇臂轮腿复合越障机构的机器人的自主越障方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)当移动机器人(11)遇到垂直障碍物时，雷达探测***实时检测垂直障碍物的高度h、以及与垂直障碍物间的距离S，并发送至控制器(14)；
2)在距离垂直障碍物的水平距离S达到设定距离时，控制器(14)控制使驱动器驱动摇臂驱动关节(7)运动，带动叉型摇臂前腿(6)旋转至角度α1时，叉型摇臂前驱动轮(5)与地面支撑，使移动机器人(11)的前驱动轮(4)抬起h高度；
3)控制器(14)解算出移动机器人(11)行进最大距离s1；且以使在行进s1后，叉型摇臂前驱动轮(5)的摆动轨迹与垂直障碍物上表面的边缘相切；
4)移动机器人(11)行进s1，控制器(14)解算并控制移动机器人(11)的叉型摇臂前腿(6)旋转至角度α2；
5)控制器(14)控制移动机器人(11)继续前进s2，叉形摇臂的前驱动轮(5)完全搭接在垂直障碍物的上表面上；
6)控制器(14)控制移动机器人(11)的叉型摇臂前腿(6)顺时针旋转至角度α3时，叉型摇臂前驱动轮(5)和叉型摇臂后驱动轮(9)的圆心连线与垂直障碍物上表面平行；
7)控制器(14)控制移动机器人(11)继续前进s3，直至叉形摇臂后驱动轮(9)完全处在垂直障碍物的上表面；控制器(14)控制叉型摇臂前腿(6)旋转后的角度为α4时，后驱动轮(10)抬起，前驱动轮(4)降低，以实现前驱动轮(4)和后驱动轮(10)均处于垂直障碍的上平面上，进而完成障碍的跨越。
4.根据权利要求3所述的基于叉型摇臂轮腿复合越障机构的机器人的自主越障方法，其特征在于，步骤2)，具体为：
2-1)设定移动机器人(11)的B端为前端，A端为后端，C点为移动机器人(11)上表面的中心点；O1为后驱动轮(10)的圆心，O2为叉型摇臂后驱动轮(9)的圆心，O3为叉型摇臂前驱动轮(5)的圆心，O4为前驱动轮(4)的圆心；r为叉型摇臂前驱动轮(5)或叉型摇臂后驱动轮(9)的半径，E为移动机器人(11)上表面的中心点与地面垂线的垂足；
已知移动机器人(11)的高度为AO1+r＝L1+r，AO1＝L1；叉型摇臂前腿(6)CO3和叉型摇臂后腿(8)CO2长度均为L2，移动机器人(11)的长度AB为L，∠O2CE＝β为移动机器人(11)初始状态时叉型摇臂前腿(6)或叉型摇臂后腿(8)与C点垂直方向的夹角，即叉型摇臂前腿(6)与叉型摇臂后腿(8)的夹角为2β；
2-2)执行前驱动轮(4)抬升后，移动机器人(11)的B'端为前端，A′端为后端，C'点为抬升后移动机器人(11)上表面的中心点，O1'为抬升后后驱动轮(10)的圆心，O2'为抬升后叉型摇臂后驱动轮(9)的圆心，O3'为抬升后叉型摇臂前驱动轮(5)的圆心，O4'为抬升后前驱动轮(4)的圆心；移动机器人(11)的后端转动角度γ，即∠A′O1A；
2-3)根据移动机器人(11)的后端旋转角度γ与θ相等，θ为C'与地面的垂线在移动机器人(11)抬升后的姿态变换角度；
2-4)做移动机器人(11)后端A′点的水平线，抬升后移动机器人(11)前端与地面的竖直高度B′H，I为移动机器人(11)后端A′点的水平线与B′H的点，K为移动机器人(11)后端A′点与C'D的交点；
2-5)根据三角形原理，即：∠KA′B′＝∠DC′F＝∠A′O1A，进而获取抬升后移动机器人(11)前端与地面的竖直高度B′H为：(h+L1+r)，以及B′I的长度为：(h+L1-L1cosθ)；
2-6)根据移动机器人(11)的长度AB＝L，则旋转姿态后A′B′＝AB＝L长度L，进而得到下式：
(h+L1-L1cosθ)＝Lsinθ (1)
根据公式(1)，得到h+L1为：
设定辅助角为根据辅助角公式/>则：
根据公式(2)得到θ的角度，即：
去除辅助角即：
由于DC′为抬升后移动机器人(11)中心点与地面的垂线，C′O3'为抬升后移动机器人(11)中心点与抬升后叉型摇臂前驱动轮(5)的圆心的连线，则：
cos∠DC′O3'＝cos(θ+α1)＝(0.5h+L1cosθ)/L2
θ+α1＝arccos((0.5h+L1cosθ)/L2) (4)
根据公式(3)和公式(4)获取α1，即：
所述叉型摇臂后腿(8)跟随叉型摇臂前腿(6)旋转，且叉型摇臂后腿(8)与叉型摇臂前腿(6)之间的夹角为2β。
5.根据权利要求3所述的基于叉型摇臂轮腿复合越障机构的机器人的自主越障方法，其特征在于，所述步骤3)，具体为：
所述叉型摇臂前驱动轮(5)或叉型摇臂后驱动轮(9)的半径均为r，点P为垂直障碍物边缘上，且与叉型摇臂前驱动轮(5)的摆动轨迹相切；点J为移动机器人(11)中心点垂线C′D上一点，且点J与点P的连线垂直于移动机器人(11)中心点垂线C′D；
在移动机器人开始姿态变换时，移动机器人前端的3-D激光雷达检测到移动机器人前端与垂直障碍物的距离为LD，则PJ为：
PJ＝(0.5Lcosθ+L1sinθ+LD)
当C′P＝L2+r时，此状态行进距离的最大值，则：
并且根据公式(3)和公式(5)中的θ和α1，获取车前进的最大距离S1即：
6.根据权利要求3所述的基于叉型摇臂轮腿复合越障机构的机器人的自主越障方法，其特征在于，所述步骤4)，具体为：
在移动机器人(11)行进过程中，叉型摇臂越障机构未发生姿态变化，移动机器人(11)的姿态变换角度θ未发生变化，即公式(3)：
移动机器人(11)中心点垂线C′D平移，长度保持不变，即：
C′D＝0.5h+L1cosθ
叉型摇臂前驱动轮(5)的圆心与移动机器人(11)中心点垂线C′D相交的垂足点V的距离C′V，即：
C′V＝C′D-VD＝(0.5h+L1cosθ)-(h+r)＝L1cosθ-r-0.5h
叉型摇臂前腿(6)摆动至角度α2时，叉型摇臂前驱动轮(5)和垂直障碍物上表面的边缘相切，即：
α2＝∠DC′O3′-θ (6)
cos(∠DC′O3′)＝C′V/C′O3′ (7)
∠DC′O3′＝θ+α2＝arcos(C′V/C′O3′)＝arcos(L1cosθ-r-0.5h/L2) (8)
根据公式(6)～公式(8)，得到叉型摇臂前腿(6)需要摆动至的角度α2，叉型摇臂后腿(8)跟随叉型摇臂前腿(6)旋转。
7.根据权利要求3所述的基于叉型摇臂轮腿复合越障机构的机器人的自主越障方法，其特征在于，所述步骤5)，具体为：
在移动机器人(11)前进S2前，移动机器人(11)中心点C′与垂直障碍物的水平距离为：
由于叉型摇臂前腿(6)C′O3′和叉型摇臂后腿(8)C′O2′长度均为L2，则前驱动轮(4)圆心距离移动机器人(11)中心点垂线的距离为：
VO3′＝L2sin(θ+α2)
则在移动机器人(11)前进S2后：移动机器人(11)中心点C′的垂线与垂直障碍物的水平距离PJ为：
PJ＝VO3′-r
移动机器人(11)前进的距离为：
8.根据权利要求3所述的基于叉型摇臂轮腿复合越障机构的机器人的自主越障方法，其特征在于，所述步骤6)，具体为：
设定A'Q为平行于地面的水平线，使叉型摇臂前驱动轮(5)和叉型摇臂后驱动轮(9)的圆心连线O2′O3′与地面的水平线A′Q平行，则：A′Q//O2′O3′，且O2′O3′⊥C′D，Z点为C′D与O2′O3′的交点，进而得到移动机器人(11)中心点处的垂线高度：
C′D＝C′Z+ZD＝L2cosβ+r+h；
由于A′Q⊥O1′J，得到：
∠A′O1′J＝∠DC′F＝θ，O1′J＝L1cosθ，C′V＝C′D-O1′J；
进而获取移动机器人(11)中心点距离水平线A'Q的垂直高度C′V为：
C′V＝C′D-O1′J＝L2cosβ+r+h-L1cosθ
移动机器人(11)的姿态变换角度：
sinθ＝C′V/0.5L＝(L2cosβ+h-L1cosθ)/0.5L
0.5Lsinθ＝L2cosβ+h-L1cosθ
叉型摇臂前腿(6)摆动至角度α3时：
叉型摇臂后腿(8)跟随叉型摇臂前腿(6)旋转,摆动至与叉型摇臂前腿(6)之间的夹角为2β。
9.根据权利要求3所述的基于叉型摇臂轮腿复合越障机构的机器人的自主越障方法，其特征在于，所述步骤7)，具体为：
Z点为C′D与O2′O3′的交点，移动机器人(11)前进的距离的理论距离为O2′O3′的长度，即：
S3＝2L2cos(∠C′O2′Z)
此时，移动机器人(11)前进的距离大于S3；
控制移动机器人(11)的叉型摇臂前腿(6)摆动至角度为α4，以摆腿角度α＝β，移动机器人(11)完成越障。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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