CN101486360B - 带有导臂的履带式移动机器人的攀爬楼梯控制方法 - Google Patents

Abstract

带有导臂的履带式移动机器人的楼梯攀爬方法，其特征在于：步骤1：机器人驶近楼梯，导臂向下旋转，在与楼梯踏步接触后机器人被抬起，并向前攀爬楼梯，当机器人上的超声、红外测距传感器测得机器人与前方物体距离大于楼梯踏步的宽度时，认为机器人已攀爬至楼梯顶部，停止攀爬。步骤2：导臂向下旋转，直到导臂前端与地面接触，当导臂的旋转轴上产生转矩M大于设定值时，导臂停止转动，机器人继续向上攀爬，导臂随机器人的攀爬而与地面脱离，转矩M消失，机器人停止攀爬。步骤3：重复步骤2，二维姿态传感器测得的车体与水平面夹角

随机器人攀爬而减小，机器人继续攀爬至所述夹角

不再减小时，停止攀爬，导臂向后旋转，与车体的夹角θ为45度时停止转动。

Description

带有导臂的履带式移动机器人的攀爬楼梯控制方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，是一种针对带有导臂的履带式移动机器人如何在运动过程中遇到楼梯并自主攀爬楼梯的问题提出的一种新的控制方法。

背景技术

机器人技术因其涵盖了机械学、计算机科学、人工智能、生物学等领域，成为了当今世界最前沿的科技热点之一。移动机器人是机器人技术领域的一个重要分支，移动机器人通常是作为人类身体与感知的延伸，代替人类进入危险环境开展工作，而人类通过无线或有线的方式对机器人进行远程控制。由于其具有其他机器人所不具有的“移动性”，正越来越多的被应用于危险环境监测、未知区域探测、行星探测、救援搜索、排爆等领域。而在各种应用中，常常要面对攀爬楼梯的问题，由于楼梯结构的特殊性和攀爬楼梯过程的复杂性使得移动机器人攀爬楼梯问题一直是移动机器人领域的一个难点和热点。

目前对移动机器人的控制方法最主要的是遥操作控制方法，即机器人将所处环境的物理信息传回控制端，由操作员根据现场的状况做出判断，控制机器人运动。在遥操作控制方式下，机器人的运动完全取决与操作员的控制，只是单纯的操作员肢体的延伸，由于操作员仅能依靠机器人搭载的传感器采集的环境信息做判断来控制机器人，临场感差，往往会给出错误的控制命令。同时在遥操作方式下，操作员始终要观察处理机器人传回的环境信息并操纵机器人，精神高度集中，很容易身心疲劳，通常无法长时间工作。随着人工智能技术和计算机技术的发展，移动机器人本身的智能化、自主化成为了目前该领域的发展趋势，但是移动机器人攀爬楼梯是一个复杂的过程，有很多不确定因素，使得各种算法都有其巨大的局限性，同时由于移动机器人工作环境的非固定性和非结构化，使得自主算法的可靠性有待提高。

发明内容

本发明提供一种具有攀爬最大坡度为45°楼梯能力的带有导臂的履带式移动机器人的攀爬楼梯控制方法，本发明能够使机器人运行稳定可靠。

本发明采用如下技术方案：

一种带有导臂的履带式移动机器人的楼梯攀爬方法，所述带有导臂的履带式移动机器人包括前轮和后轮，前轮为驱动轮，后轮为随动轮，左右两侧的前、后轮分别被两条履带包覆，组成机器人的行进机构，与机器人前轮共轴安装有履带式导臂机构，并以前轮轴为转动中心，沿机器人行进方向做360度圆周旋转，在机器人的前方安装有超声测距传感器和红外测距传感器，用于测量遥操作小型移动机器人与前方障碍物之间的距离，在机器人前轮轴安装有力矩传感器，用于测量导臂对前轮轴产生的力矩，在机器人几何中心安装有两维姿态传感器，用于测量机器人的俯仰角度和横滚角度，在机器人的后部装有广角摄像机，用于拍摄到机器人前方的画面，其特征在于：

步骤1：将移动机器人的车头对准楼梯并驶向楼梯，利用带有导臂的履带式移动机器人上的超声测距传感器和红外测距传感器测量机器人距前方楼梯的距离S，当S＜L-D时，其中，L为带有导臂的履带式移动机器人导臂的长度，D为带有导臂的履带式移动机器人前轮的直径，机器人停止前进，导臂向前旋转，在与楼梯踏步接触后继续向前旋转，导致车体被抬起，当导臂履带下侧与车体履带下侧位于同一平面上时，导臂停止转动，带有导臂的履带式移动机器人开始向前运动攀爬楼梯，当设置于带有导臂的履带式移动机器人上的超声测距传感器和红外测距传感器测得的机器人与前方水平方向上的物体之间的距离大于L且L＝楼梯踏步的水平宽度时，认为带有导臂的履带式移动机器人的前部已攀爬至楼梯顶部，此时带有导臂的履带式移动机器人停止攀爬。

步骤2：导臂向下旋转，直到导臂前端与地面接触，在导臂的旋转轴上产生转矩M，当旋转轴上的转矩传感器检测到转矩M大于设定值且该设定值大于1牛·米时，导臂停止转动，机器人继续向上攀爬，导臂随机器人的攀爬而脱离与地面的接触，导臂转轴上的转矩随着消失，此时带有导臂的履带式移动机器人停止攀爬。

步骤3：重复步骤2，二维姿态传感器测量到的车体与水平面夹角

也随机器人攀爬而减小，此时，机器人继续攀爬至所述夹角

不再减小时，停止攀爬，导臂向后旋转，直到与车体的夹角θ为45度时停止转动。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明针对带有导臂的履带式移动机器人系统提出了一种自主控制方法。本发明的要点是(1)利用自身携带的超声测距传感器和红外测距传感器对环境的感知，通过控制机器人导臂搭载第一级楼梯的踏步上并向下旋转至特定角度θ，将机器人的车体抬起，实现带有导臂的履带式移动机器人从水平地面到楼梯这一攀爬过程，并使这一过程平稳可靠。(2)利用机器人搭载的二维姿态传感器来检测机器人与楼梯之间的夹角，通过控制机器人左右履带的前进速度，使得二维姿态传感器检测到的机器人横滚角为零，即机器人垂直于楼梯向上爬行，使得带有导臂的履带式移动机器人攀爬过程稳定可靠，不会发生倾覆。(3)当机器人行进至楼梯顶端时，导臂向下旋转，直到导臂前端与地面接触，利用导臂转轴上安装的转矩传感器测量在导臂的旋转轴上产生转矩M，当旋转轴上的转矩传感器检测到转矩M大于设定值且该设定值大于1牛·米时，导臂停止转动，机器人继续向上攀爬，导臂随机器人的攀爬而脱离与地面的接触，导臂转轴上的转矩随着消失，此时带有导臂的履带式移动机器人停止攀爬。如此往复。直到机器人的重心完全越过最后一级台阶，此时导臂不会随着机器人的前进而与地面脱离，即导臂旋转轴上始终有大于给定值的转矩存在，此时，二维姿态传感器测量到的车体与水平面夹角也随机器人攀爬而减小。机器人继续攀爬至所述夹角

不再减小时，停止攀爬，导臂向后旋转，直到与车体的夹角θ为45度时停止转动。这一过程使得带有导臂的履带式移动机器人在从楼梯平面到水平面的过程中始终保持运动的平衡和平稳，避免了刚性冲击，使得机器人的运动安全可靠。

利用机器人搭载的超声、红外测距传感器、扭矩传感器和二维姿态传感器的测量结果，控制机器人的导臂旋转，配合机器人车体的运动，实现带有导臂的履带式移动机器人从楼梯到水平地面行走过程的柔性化，使得这一过程平稳，对机器人的冲击小。上述控制方法层次清晰，结构简单，控制精确，运行稳定可靠。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明楼梯攀爬的初始阶段示意图，其中，图2a是本发明攀爬楼梯的起始状态，图2b是本发明攀上楼梯的示意图。

图3是本发明楼梯攀爬的过程示意图。

图4是本发明楼梯攀爬结束过程的示意图。其中，图4a是本发明攀爬至楼梯顶端但重心未越过楼梯顶端阶段示意图，图4b是本发明重心越过楼梯顶端阶段示意图，图4c是本发明完成攀爬阶段示意图。

图5是本发明的一个具体实例示意图。

具体实施方式

一种带有导臂的履带式移动机器人的楼梯攀爬方法，所述带有导臂的履带式移动机器人包括前轮和后轮，前轮为驱动轮，后轮为随动轮，左右两侧的前、后轮分别被两条履带包覆，组成机器人的行进机构，与机器人前轮共轴安装有履带式导臂机构，并以前轮轴为转动中心，沿机器人行进方向做360度圆周旋转，在机器人的前方安装有超声测距传感器和红外测距传感器，用于测量遥操作小型移动机器人与前方障碍物之间的距离，在机器人前轮轴安装有力矩传感器，用于测量导臂对前轮轴产生的力矩，在机器人几何中心安装有两维姿态传感器，用于测量机器人的俯仰角度和横滚角度，在机器人的后部装有广角摄像机，用于拍摄到机器人前方的画面，其特征在于：

步骤1：将移动机器人的车头对准楼梯并驶向楼梯，利用带有导臂的履带式移动机器人上的超声测距传感器和红外测距传感器测量机器人距前方楼梯的距离S，当S＜L-D时，其中，L为带有导臂的履带式移动机器人导臂的长度，D为带有导臂的履带式移动机器人前轮的直径，机器人停止前进，导臂向前旋转，在与楼梯踏步接触后继续向前旋转，导致车体被抬起，当导臂履带下侧与车体履带下侧位于同一平面上时，导臂停止转动，带有导臂的履带式移动机器人开始向前运动攀爬楼梯，当设置于带有导臂的履带式移动机器人上的超声测距传感器和红外测距传感器测得的机器人与前方水平方向上的物体之间的距离大于L且L＝楼梯踏步的水平宽度时，认为带有导臂的履带式移动机器人的前部已攀爬至楼梯顶部，此时带有导臂的履带式移动机器人停止攀爬。

步骤2：导臂向下旋转，直到导臂前端与地面接触，在导臂的旋转轴上产生转矩M，当旋转轴上的转矩传感器检测到转矩M大于设定值且该设定值大于1牛·米时，导臂停止转动，机器人继续向上攀爬，导臂随机器人的攀爬而脱离与地面的接触，导臂转轴上的转矩随着消失，此时带有导臂的履带式移动机器人停止攀爬。

步骤3：重复步骤2，直至设置于二维姿态传感器测量到的车体与水平面夹角也随机器人攀爬而减小，此时，机器人继续攀爬至所述夹角

不再减小时，停止攀爬，导臂向后旋转，直到与车体的夹角θ为45度时停止转动。

下面参照附图，对本发明做出更为具体的描述：

本实施例是一种针对带有导臂的履带式移动机器人如何在运动过程中遇到最大坡度为45°的楼梯并自主攀爬楼梯的问题提出的一种新的控制方法，所使用的小型机器人系统如图1所示，其中1为导臂，2为扭矩传感器，3二维姿态传感器，4为机器人车体，5为广角摄像机，6为操作员控制端。同时在车体前端还装有超声和红外测距传感器。导臂可以绕转动轴360度旋转，且与车体夹角如图所示为θ，向上为正。

局部自主攀爬楼梯方法分为三个部分，开始攀爬楼梯阶段。攀爬楼梯阶段和结束攀爬楼梯阶段。

(1)开始攀爬楼梯阶段

带有导臂的履带式移动机器人向楼梯行近。在行进过程中，机器人前方的超声和红外测距传感器实时测量机器人距楼梯立面的距离S，当S满足：

0＜S＜(L-D)                            (1)

其中L为导臂的长度，D为机器人前轮的直径，机器人认为已经接近楼梯，开始将导臂由初始位置即处于向上45°处向下转动，随着导臂的转动，在与楼梯踏步接触后继续向前旋转，车身逐渐被抬起，此时导臂与车体的夹角θ逐渐减小，因为在攀爬楼梯的过程中机器人整体的长度越长越有利于攀爬，所以调整导臂与车体的夹角为θ₁，使得导臂履带的底部与车体下方的履带在一条直线上，使机器人与楼梯接触面积最大。通过安装在导臂旋转轴上的角度传感器测量得到导臂旋转的角度。随着机器人继续前进，机器人所带的二维姿态传感器测量到机器人与水平面的夹角

逐渐增大，当此夹角不再增大时，表明机器人已经攀爬上了楼梯。设机器人与水平面夹角最大为

如果

超过

时移动机器人会向后翻倒。当达到

时机器人停止攀爬，并向控制端发送信息，等待新的命令。其过程如图2所示。

另外在测量机器人距楼梯里面距离S时，由于超声测距传感器和红外测距传感器的测量范围和精度不同，所以采用以下的测量方法：

$S=\left\{\begin{array}{cc}{s}_I& s_I<s_{I\max }\\ s_S& s_I=s_{I\max }\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中s_I为红外测距传感器的测量值，s_S为超声测距传感器的测量值，s_Imax为红外测距传感器的最大测量值。由于红外测距传感器在距离较近时比较准确，而超声测距传感器在距离较远时比较准确。所以当红外的测量值达到其最大测量值时，就使用超声测距传感器的测量结果作为最终结果，反之则认为红外测距传感器的测量结果可信度高，并被采纳为最终结果。

(2)攀爬楼梯阶段

当机器人结束开始攀爬楼梯阶段，爬上楼梯开始，就进入攀爬楼梯阶段。过程如图3所示。

在攀爬过程中为保证机器人的安全，要求机器人始终垂直与楼梯向上攀爬。机器人所搭载的二维姿态传感器实时检测机器人与水平面的夹角。通过调整左右履带的速度，使得二维姿态传感器检测到的水平方向倾角为零，这样就可以保证机器人攀爬楼梯过程中始终与楼梯垂直。另外，在攀爬的过程中，机器人前部的红外、超声测距传感器使用公式(2)中的方法不停检测距前方楼梯立面的距离S，确定机器人是否到达楼梯的尽头。

(3)结束攀爬楼梯阶段

当机器人搭载的广角摄像机拍摄的图像中没有检测到有楼梯，而且机器人前部的红外、超声测距传感器测量的结果超出预设的楼梯最大宽度，则机器人认为已经到达楼梯的尽头，进入结束攀爬楼梯阶段。

进入结束攀爬楼梯阶段后，导臂向下旋转，直到导臂前端与地面接触，在导臂的旋转轴上产生转矩M，当旋转轴上的转矩传感器检测到转矩M大于设定值且该设定值大于1牛·米时，导臂停止转动，机器人继续向上攀爬，导臂随机器人的攀爬而脱离与地面的接触，导臂转轴上的转矩随着消失，此时带有导臂的履带式移动机器人停止攀爬，导臂继续向下转动，直到再次接触地面并在转动轴上产生一个大于设定值得转矩。机器人不停地重复这一过程，一直到机器人的重心完全越过最后一级台阶。此过程如图4(a)所示。

当机器人重心完全越过最后一级台阶后，导臂不会随着机器人的前进而与地面脱离，所以导臂也不会再向下转动。在此情况下，二维姿态传感器测量到的车体与水平面夹角

也随机器人运动而减小，当夹角

不再减小时，则表示机器人车体已全部越过最后一级楼梯。此过程如图4(b)所示。然后，导臂向上转动到正常行驶位置，完成整个局部自主攀爬楼梯过程。如图4(c)所示。

小型移动机器人的遥操作局部半自主攀爬楼梯控制方法的实例如图5所示：

其中1为车体，2为广角摄像机，3为二维姿态传感器，4为扭矩传感器，5为导臂，6为指甲，7为红外、超声测距装置，8为红外测距传感器，9为超声测距传感器，10为履带。其中导臂可以绕转动轴360度旋转，且与车体夹角如图所示为θ。左右履带的速度为V_L和V_R。广角摄像机2固定在车体1的后部，二维姿态传感器3固定在车体1的重心位置，扭矩传感器固定在导臂5的转动轴上，红外、超声测距传感器7通过支架6固定于车体1的前部，由于红外、超声测距装置的重心位于与支架6连接轴之下，所以当车体与水平面角度变化时红外测距传感器8和超声测距传感器9始终可以测量与水平面垂直的障碍物。

局部自主攀爬楼梯方法分为三个部分，开始攀爬楼梯阶段，攀爬楼梯阶段和结束攀爬楼梯阶段。

(1)开始攀爬楼梯阶段

带有导臂的履带式移动机器人向楼梯行近。在行进过程中，机器人前方的超生和红外测距传感器实时测量机器人距楼梯立面的距离S，当S满足：

0＜S＜(L-D)                        (1)

其中L＝40cm为导臂的长度，D＝15cm为机器人前轮的直径，机器人认为已经接近楼梯，开始将导臂向下转动，随着导臂的转动，在与楼梯踏步接触后继续向前旋转，车身逐渐被抬起，此时前导与车体的夹角θ逐渐减小，当θ减小为θ₁＝-10°时导臂停止转动，此时导臂与车体在同一直线上。随着机器人继续前进，机器人所带的二维姿态传感器测量到机器人与水平面的夹角

逐渐增大，并最终保持

时，表明机器人已经攀爬上了楼梯，此时车体倾角与楼梯角度相同。设机器人与水平面夹角最大为

如果

超过

时移动机器人会向后翻倒。当

达到时机器人停止攀爬，并向操作员控制端发送信息，等待新的命令。

另外在测量机器人距楼梯里面距离S时，由于超声测距传感器和红外测距传感器的测量范围和精度不同，所以采用以下的测量方法：

$S=\left\{\begin{array}{cc}{s}_I& s_I<s_{I\max }\\ s_S& s_I=s_{I\max }\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中s_I为红外测距传感器的测量值，s_S为超声测距传感器的测量值，s_Imax＝40cm为红外测距传感器的最大测量值。由于红外测距传感器在距离较近时比较准确，而超声测距传感器在距离较远时比较准确。所以当红外的测量值达到其最大测量值时，就使用超声测距传感器的测量结果作为最终结果，反之则认为红外测距传感器的测量结果可信度高，并被采纳为最终结果。

(2)攀爬楼梯阶段

当机器人结束开始攀爬楼梯阶段，就进入攀爬楼梯阶段。

在攀爬过程中为保证机器人的安全，要求机器人始终垂直与楼梯向上攀爬。机器人所搭载的二维姿态传感器实时检测机器人与水平面的夹角。通过调整左右履带的速度，使得二维姿态传感器检测到的水平方向倾角为零，这样就可以保证机器人攀爬楼梯过程中始终与楼梯垂直。另外，在攀爬的过程中，机器人前部的红外、超声测距传感器使用公式(2)中的方法不停检测距前方楼梯立面的距离S，通过判断S是否小于S_max来确定机器人是否到达楼梯的尽头，其中S_max＝30cm为设定的楼梯踏步最大宽度。

(3)结束攀爬楼梯阶段

当机器人搭载的广角摄像机拍摄的图像中没有检测到有楼梯，而且机器人前部的红外、超声测距传感器测量的结果超出预设的楼梯踏步最大宽度S_max，则机器人认为已经到达楼梯的尽头，进入结束攀爬楼梯阶段。

进入结束攀爬楼梯阶段后，首先导臂向下旋转，直到导臂前端与地面接触，在导臂的旋转轴上产生转矩M，当旋转轴上的转矩传感器检测到转矩M大于设定值1牛·米时，停止转动。机器人继续向上攀爬，由于此时机器人重心并未越过最后一级台阶，导臂将随机器人的攀爬而脱离与地面的接触，导臂转轴上的转矩随着消失，此时导臂向下转动，直到再次接触地面并在转动轴上产生一个大于设定值1牛·米的转矩。机器人不停的重复这一过程，一直到机器人的重心完全越过最后一级台阶。

当机器人重心完全越过最后一级台阶后，导臂不会随着机器人的前进而与地面脱离，所以导臂也不会再向下转动。在此情况下，二维姿态传感器测量到的车体与水平面夹角

也随机器人运动而减小，当夹角

不再减小时，则表示机器人车体已全部越过最后一级楼梯。然后，导臂向上转动到正常行驶位置，完成整个局部自主攀爬楼梯过程。

Claims (1)

1.一种带有导臂的履带式小型移动机器人的楼梯攀爬方法，所述带有导臂的履带式小型移动机器人包括前轮和后轮，前轮为驱动轮，后轮为随动轮，左右两侧的前、后轮分别被两条履带包覆，组成机器人的行进机构，与机器人前轮共轴安装有履带式导臂机构，并以前轮轴为转动中心，沿机器人行进方向做360度圆周旋转，在机器人的前方安装有超声测距传感器和红外测距传感器，用于测量遥操作履带式小型移动机器人与前方障碍物之间的距离，在机器人前轮轴安装有力矩传感器，用于测量导臂对前轮轴产生的力矩，在机器人几何中心安装有两维姿态传感器，用于测量机器人的俯仰角度和横滚角度，在机器人的后部装有广角摄像机，用于拍摄到机器人前方的画面，其特征在于：

步骤1：将履带式小型移动机器人的车头对准楼梯并驶向楼梯，利用带有导臂的履带式小型移动机器人上的超声测距传感器和红外测距传感器测量机器人距前方楼梯的距离S，当S＜L-D时，其中，L为带有导臂的履带式小型移动机器人导臂的长度，D为带有导臂的履带式小型移动机器人前轮的直径，机器人停止前进，导臂向前旋转，在与楼梯踏步接触后继续向前旋转，导致车体被抬起，当导臂履带下侧与车体履带下侧位于同一平面上时，导臂停止转动，带有导臂的履带式小型移动机器人开始向前运动攀爬楼梯，当设置于带有导臂的履带式小型移动机器人上的超声测距传感器和红外测距传感器测得的机器人与前方水平方向上的物体之间的距离大于楼梯踏步的水平宽度时，认为带有导臂的履带式小型移动机器人的前部已攀爬至楼梯顶部，此时带有导臂的履带式小型移动机器人停止攀爬，在机器人攀爬过程中，机器人所搭载的二维姿态传感器实时检测机器人与水平面的夹角，通过调整左右履带的速度，使得二维姿态传感器检测到的水平倾角为零，

步骤2：导臂向下旋转，直到导臂前端与地面接触，在导臂的旋转轴上产生转矩M，当旋转轴上的转矩传感器检测到转矩M大于设定值且该设定值大于1牛·米时，导臂停止转动，机器人继续向上攀爬，导臂随机器人的攀爬而脱离与地面的接触，导臂转轴上的转矩随着消失，此时带有导臂的履带式小型移动机器人停止攀爬，

步骤3：重复步骤2，此过程中二维姿态传感器测量到的车体与水平面夹角也随机器人攀爬而减小，此时，机器人继续攀爬至所述夹角

不再减小时，停止攀爬，导臂向后旋转，直到与车体的夹角θ为45度时停止转动。

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