帶雙桿臂的履帶式移動機器人自主下樓梯的控制方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于移動機器人技術(shù)領域，涉及一種針對帶雙桿臂的履帶式移動機器人在 運動過程中如何自主下樓梯的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，移動機器人在軍事、監(jiān)測、搜索、排險等各種領域具有越來越廣泛的應用。 在這些應用中，移動機器人常常會碰到下樓梯的問題。目前對移動機器人的最主要的控制 方法是遙操作控制方法，通過移動機器人自帶的傳感器采集相關(guān)信息，再把這些信息傳送 給控制端，控制端的操作人員由此做出判斷，再將控制指令發(fā)送回移動機器人，從而控制機 器人。但在這種方式下，由于存在時延或信息精確度不高，使得操作人員在遠程控制端的臨 場感很差；另外操作人員要始終保持注意力集中，容易產(chǎn)生疲勞，從而導致判斷錯誤。這就 要求機器人最好具有一定的自認知能力和自主控制能力。
[0003] 研宄者通常重視研宄移動機器人上樓梯的問題，而忽視了下樓梯的問題，認為只 要讓移動機器人直接摔下樓梯即可。其實為了保證移動機器人的運動安全可靠，需要實現(xiàn) 移動機器人從樓梯到水平地面行走過程始終保持運動的平穩(wěn)，避免直接摔下樓梯造成的剛 性沖擊和對移動機器人本體及搭載物的損壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，克服遙操作控制方法存在的不足，避免讓履帶 式移動機器人直接摔下樓梯，提供一種能夠使帶有雙桿臂的履帶式移動機器人自主完成下 樓復合運動的控制方法。
[0005] -種履帶式移動機器人自主下樓梯的控制方法，所述履帶式移動機器人包括前 輪、后輪以及包覆在所述前輪和后輪上的履帶，其特征在于：在所述前輪設置有轉(zhuǎn)動角度可 控的雙桿臂，在所述雙桿臂的旋轉(zhuǎn)軸兩端分別設置一個用于檢測雙桿臂每個桿臂力矩的三 軸力傳感器，通過調(diào)整所述雙桿臂的轉(zhuǎn)角逐步降低沿著樓梯邊移動的履帶式移動機器人前 輪與下階臺階踏步面的距離。
[0006] 通過調(diào)整所述雙桿臂的轉(zhuǎn)角逐步降低沿著樓梯邊移動的履帶式移動機器人前輪 與下階樓梯平面的距離的具體方法是：
[0007] 步驟1:將移動機器人的車頭對準樓梯并駛向臺階踏步，上揚雙桿臂使其中心線 與履帶底面垂直，記該位置為雙桿臂的初始位置，進行步驟2 ;
[0011] 其中，H為臺階高度，h為移動機器人的高度，L2S雙桿臂長度，L3為前后車輪圓心 之間的距離；
[0012] 驅(qū)動移動機器人前進至移動機器人重心過踏步前緣，車體在重力作用產(chǎn)生傾斜， 此時雙桿臂上力傳感器檢測的扭矩小于0,進行步驟3 ;
[0013] 步驟3:保持雙桿臂中心線與履帶底面成0夾角，驅(qū)動移動機器人前進，當雙桿臂 上力傳感器檢測的扭矩由小于〇變?yōu)榇笥讴枙r，停止驅(qū)動移動機器人前進，直至雙桿臂前端 與下一級臺階踏步面接觸，移動機器人與樓梯對正，進行步驟4 ;
[0014] 步驟4 :逆時針旋轉(zhuǎn)雙桿臂，配合雙桿臂的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動移動機器人使移動機器人的 前端順利通過這級臺階，進行步驟5 ;
[0015] 步驟5 :逆時針旋轉(zhuǎn)雙桿臂，驅(qū)動移動機器人行駛使得前輪與下一級臺階踏步面 接觸，后輪靠在臺階踏步前緣，進行步驟6 ;
[0016] 步驟6 :逆時針旋轉(zhuǎn)雙桿臂，使雙桿臂擺回初始位置從而為繼續(xù)下臺階做準備，驅(qū) 動移動機器人使后輪沿踏步踢面滑下至車體平行于臺階踏步面，完成自主下樓梯過程。
[0017] 本發(fā)明帶有雙桿臂的履帶式移動機器人包括前輪和后輪，后輪為驅(qū)動輪，前輪為 從動輪，左右兩側(cè)的前、后輪分別被兩條履帶包覆，組成機器人的行進機構(gòu)；與機器人前輪 共軸安裝有雙桿臂機構(gòu)，并以前輪軸為轉(zhuǎn)動中心，沿機器人行進方向做360度圓周旋轉(zhuǎn)；在 機器人車體頂面的前后端安裝紅外避障傳感器，用于測量履帶式移動機器人與前后方障礙 物之間的距離；在機器人車體底面的四個角裝有數(shù)字防跌落傳感器，用于檢測樓梯，給出臺 階信號；在車體前端裝有攝像頭，用于拍攝移動機器人前方的畫面；在機器人的雙桿臂主 動輪的旋轉(zhuǎn)軸兩端分別設置一個用于檢測雙桿臂力矩FL和FR的三軸力傳感器。
[0018] 本發(fā)明方法的優(yōu)選方案中，步驟1中，保持移動機器人行駛方向與最頂一級的臺 階的踏步前緣垂直的具體方法為：當車體前端的兩個數(shù)字防跌落傳感器中只有一個檢測到 有懸崖信號，則說明車身沒有擺正，需要調(diào)整左右履帶的轉(zhuǎn)速，使得移動機器人往沒有檢測 到懸崖信號的一端后退；當兩個數(shù)字防跌落傳感器同時檢測到懸崖信號時，說明車身擺 正。
[0019] 步驟3中，當只有一個力矩值從負值變?yōu)檎禃r，移動機器人停止前進，說明此時 只有一個桿臂與踏步面接觸，認為此時移動機器人沒有與樓梯完全對正；這里假設FL從負 值增大為正值，而FR仍為負值，認為此時左側(cè)桿臂與踏步面接觸，驅(qū)動右側(cè)的前輪向前轉(zhuǎn) 動，直至FL=FR>0時，前輪停止轉(zhuǎn)動，此時移動機器人完全與樓梯對正。
[0020] 在其他步驟中，保持前進方向始終與離車體前端最近一級臺階的踏步前緣垂直的 具體方法為：因為步驟1中已經(jīng)實現(xiàn)移動機器人行駛方向與最頂一級的臺階的踏步前緣垂 直，采用碼盤實時調(diào)整左右履帶的轉(zhuǎn)速差，使其保持為零，則意味著移動機器人前進方向與 離車體前端最近一級臺階的踏步前緣垂直。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0022] (1)從研宄者容易忽略的移動機器人下樓梯角度出發(fā)，若直接讓其摔下樓梯，則可 能破壞移動機器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)從而影響其后續(xù)使用；本發(fā)明提出的是一種自主下樓的柔順 控制方法，這一過程使得機器人在從樓梯平面到水平面的過程中始終保持運動的平穩(wěn)，避 免了直接摔下樓梯造成的剛性沖擊和對移動機器人本體及搭載物的損壞。
[0023] (2)針對小型履帶式移動機器人，提出一種新式下樓控制方法：利用移動機器人 搭載傳感器的測量結(jié)果，根據(jù)移動機器人尺寸和臺階尺寸的相對關(guān)系做出決策，控制移動 機器人車體和雙桿臂的協(xié)調(diào)運動；通過調(diào)整雙桿臂的轉(zhuǎn)角逐步降低沿著樓梯邊移動的履帶 式移動機器人前輪與下階臺階踏步面的距離，使得移動機器人可以順利下樓。
[0024] (3)該方法使得操作人員在控制端的顯示屏上發(fā)現(xiàn)樓梯并想移動機器人下樓時， 只需要首先手動遙控移動機器人運動到樓梯的頂部，調(diào)整移動機器人的姿態(tài)使其適合下 樓，然后發(fā)出下樓指令，移動機器人就可以進行自主下樓，在下樓過程中無需人為干預。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明所使用的帶雙桿臂的履帶式移動機器人的正面示意圖。
[0026] 圖2是本發(fā)明所使用的帶雙桿臂的履帶式移動機器人的背面示意圖。
[0027] 圖3是本發(fā)明所使用的帶雙桿臂的履帶式移動機器人的監(jiān)控設備示意圖。
[0028] 圖4是本發(fā)明使用的帶雙桿臂的履帶式移動機器人下樓梯過程示意圖，其中：4A 為將移動機器人的車頭對準樓梯并駛向臺階踏步示意圖；4B為驅(qū)動移動機器人前進至移 動機器人重心過踏步前緣示意圖；4C為當移動機器人重心剛過踏步前緣時，車體由于重 力作用產(chǎn)生傾斜示意圖；4D是雙桿臂與下一級臺階踏步面接觸面和車體與本級臺階踏步 前緣的接觸面合力支撐住整個移動機器人以防止受重力作用滑跌示意圖；4E為逆時針旋 轉(zhuǎn)雙桿臂，配合雙桿臂的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動移動機器人示意圖；4F為移動機器人的前端順利通過這 級臺階示意圖；4G為驅(qū)動移動機器人行駛，逆時針旋轉(zhuǎn)雙桿臂的示意圖；4H為驅(qū)動機器人 使得前輪與下一級臺階踏步面接觸，后輪靠在臺階踏步前緣的示意圖；41為逆時針旋轉(zhuǎn)雙 桿臂，使雙桿臂擺回初始位置從而為繼續(xù)下臺階做準備示意圖；4J為驅(qū)動移動機器人使后 輪沿踏步踢面滑下至車體平行于臺階踏步面，完成自主下樓梯過程示意圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合實施例和說明書附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0030] 本實施例是針對一種帶有雙桿臂5的履帶式移動機器人如何自主下樓梯而提出 的一種新的控制方法。本實施例所使用的履帶式移動機器人是便攜式的，尺寸如下：長度為 20厘米，寬度為18厘米，高度為6厘米，雙桿臂長度15厘米。本實施例所使用的小型移動 機器人參見圖1和圖2所示，其中1、2為車體上半和下半部分，3為前輪，4為后輪，5為雙桿 臂，6為天線，7為紅外測距傳感器，8為攝像頭，9為履帶，10為三軸力傳感器，11為電源充 電口，12為數(shù)字防跌落傳感器，13為電源開關(guān)。車體的前輪3為驅(qū)動輪，后輪4為從動輪， 前輪3和后輪4包覆有車體履帶9,雙桿臂5還可以同步向上揚起或向下落下。其中四個紅 外測距傳感器