CN102486648A - 一种自主移动机器人平台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能够自主运动的智能移动机器人平台，属于智能机器人技术领域。该自主移动机器人平台包括运动驱动系统、环境感知系统、平台控制系统。与现有的移动机器人常规运动方式不同，该移动机器人通过摆动腿臂机构，利用腿臂机构上的反偏向轮与地面或者空间中媒质的作用力实现机器人的平稳运动，使其运动行为表现力更为突出。该移动机器人还能够自主地对环境进行感知，对机器人移动通道的宽度变化具有很强的行为适应能力。可作为多机器人协同编队、水陆两栖机器人、微纳米机器人运动原型等多个研究领域的实验与验证平台。

Description

一种自主移动机器人平台
技术领域
本发明涉及一种能够自主运动的智能移动机器人平台，属于智能机器人技术领域。
背景技术
随着社会的进步与科学技术的发展，机器人技术领域的研究方兴未艾。人们在关注机器人多用途的同时也在研究机器人本身的发展，例如机器人的运动形式、机器人的感知方式等。目前机器人的运动方式都还局限在常规的运动方式范围内，例如常见的轮式或者履带式，这些常规运动方式在平直道路环境下能够很好地工作，但如果遇到复杂的运动环境，例如宽度变化好大的移动通道，就不能再打到稳定平顺的运动状态，因而需要对机器人的运动平台及其控制系统做出改进以适应更为复杂的运动环境。
发明内容
本发明所提出的一种自主移动机器人平台通过摆动腿臂机构，利用腿臂机构上的反偏向轮与地面或者空间中媒质的作用力来实现机器人的平稳运动。
一种自主移动机器人平台，其特征在于包括运动驱动系统、环境感知系统、平台控制系统，其中：
运动驱动系统包括腿臂机构、腿臂驱动模块、支撑平台、方向舵轮、方向舵轮驱动模块，其中：
腿臂机构包括反偏向轮、腿臂支架、反偏向轮调节装置；其中腿臂支架一端安装反偏向轮调节装置与反偏向轮，另一端通过腿臂旋转固定轴安装于支撑平台，并可绕支撑平台上的腿臂固定轴自由摆动；反偏向轮通过反偏向轮调节装置与腿臂支架固定连接，反偏向轮包括轮架、轮子、倾斜转轴，其中轮子与轮架固定安装，轮子可自由转动，且轮架能够绕倾斜转轴自由转动；由于倾斜转轴的作用，轮子在腿臂机构摆动的过程中与倾斜转轴之间会产生夹角，进而轮子与地面之间会产生抑制夹角生成的摩擦力，摩擦力在自主移动机器人平台运动方向上的分力可驱动自主移动机器人平台向前运动。根据驱动与任务需要，所述的运动驱动系统中可以存在若干个腿臂机构。所述的倾斜转轴的作用，也可通过在轮架与腿臂支架之间加入回力弹簧等方式实现，其目的是阻碍轮子与腿臂支架间出现方向夹角。
腿臂驱动模块包括腿臂驱动电机和腿臂驱动传动系统，其中，腿臂驱动电机装配有减速箱与编码器，腿臂驱动电机通过齿轮机构与腿臂驱动传动系统连接，腿臂驱动传动系统的主要作用是实现驱动力传递，即将驱动电机的驱动力传递给腿臂机构，带动腿臂机构绕腿臂旋转固定轴摆动。所述的腿臂驱动模块也可以包含若干个腿臂驱动电机，对腿臂机构的驱动可由单个驱动电机实现，也可由多个驱动电机协作实现；同时，单个驱动电机通过腿臂驱动传动系统也可以实现对多个腿臂机构的同步驱动。
方向舵轮包括轮子、轮架、方向轴；所述轮子与轮架活动连接，轮子可自由旋转；轮架接收平台主控制模块的指令，能够对轮子进行制动操作；轮架通过方向轴安装于支撑平台，轮架与方向轴可相对于支撑平台旋转。
方向舵轮驱动模块包括方向舵轮驱动电机、方向舵轮传动系统，其中，方向舵轮驱动电机装配有减速箱与编码器，方向舵轮驱动电机通过齿轮机构与方向舵轮传动系统连接，方向舵轮传动系统的主要作用是实现驱动力传递，即将驱动电机的驱动力传递给方向舵轮，带动方向舵轮旋转，实现移动机器人平台的方向变化。
环境感知系统包括摄像头、测距传感器、流速传感器、定位传感器、传感器数据处理模块，同时，还能够根据任务需要增装其他种类传感器，其中：
摄像头安装于移动机器人平台上，采集机器人平台环境信息数据并将数据传输给传感器数据处理模块。
测距传感器分布安装于支撑平台与腿臂机构，采集机器人平台的环境距离信息数据，将数据传输给传感器数据处理模块。
流速传感器安装于支撑平台前端，检测机器人平台行进过程中环境中空气或液体等的流速数据，将数据传输给传感器数据处理模块。
定位传感器安装于移动机器人支撑平台，检测机器人平台的位置信息与姿态信息，将数据传输给传感器数据处理模块。
传感器数据处理模块具有可扩展的传感器接口，能够根据任务需要接入其他类型传感器数据，传感器数据处理模块采集传感器数据并进行处理，对机器人平台的运行环境信息进行认知。
平台控制系统包括平台主控制模块、腿臂控制模块、舵机控制模块、电源管理模块、无线通讯模块，其中：
平台主控制模块是平台控制系统的中枢，它接收传感器数据处理模块的环境认知信息，和无线通讯模块的数据信息，在确定任务要求后，根据所接收到的环境与通讯信息，自主规划机器人平台的运动方式与行驶路径，发送指令给腿臂控制模块与舵机控制模块，同时，平台主控制模块接收腿臂控制模块与舵机控制模块的运动状态反馈信息，从而控制机器人平台稳定地行驶，并能够控制方向舵轮车架，使其对方向舵轮轮子实施制动。平台主控制模块同样接收电源管理模块的电源监控信息，控制电源管理模块安全、合理使用电源。
腿臂控制模块接收平台主控制模块的指令，按平台主控制模块的要求控制腿臂驱动模块使腿臂机构摆动，同时将腿臂机构的运动状态反馈给平台主控制模块。
舵机控制模块接收平台主控制模块的指令，按平台主控制模块的要求控制方向舵轮驱动模块改变方向舵轮的引导方向，同时将方向舵轮的运动状态反馈给平台主控制模块。
电源管理模块包括可充电电池与电源控制系统，可充电电池提供机器人平台运行所需的电能；电源控制系统对可充电电池工作状态进行监控并将监控数据发送平台主控制模块，同时接收平台主控制模块的电源控制指令；所述的电源控制系统对可充电电池的输出电压进行控制。
无线通讯模块负责自主移动机器人平台与外界的数据通讯，包括机器人平台与操作人员(人机交互)、多机器人平台之间(机机交互)、机器人平台与其他设备的数据通讯。无线通讯模块能够将接收到的通讯数据发送给平台主控制模块，同时，能够将平台主控制模块的通讯数据发出。
本发明提出的自主移动机器人平台的工作模式包括人工操控模式与自主运行模式。人工操控模式时操作人员通过发送无线通讯指令控制机器人移动平台运动；自主运行模式时机器人平台根据环境感知信息与自身运动状态信息实现自主路径规划与运动控制功能。
本发明提出的自主移动机器人平台的运行方式包括单机器人平台运行方式与多机器人平台运行方式。所述的单机器人平台运行方式中只有单一一个机器人平台运行，在此运行方式下，机器人平台的主要任务是对行驶环境进行认知，以及控制自身运动行为表现力的展现。所述的多机器人平台运行方式除单机器人平台的运行特点外，还包括多机器人平台间的数据通讯、环境信息共享、群体运动行为表现力的控制与展现。
本发明提出的自主移动机器人平台的运行环境包括水、陆两栖。自主移动机器人平台其运动原理能够满足机器人平台在两栖环境中的运动要求，能够实现机器人水、陆两栖的运动。
有益效果：
本发明将反偏向轮运动形式应用于机器人的运动控制研究领域，使自主移动机器人平台可在宽度变化很大的移动通道中运动，并可根据平台在运动环境中的受力变化、通道宽度等自动改变运动方式，以达到稳定、平顺的运动状态。与现有的常规移动机器人运动方式相比，运动行为表现力更为突出，可研究因素充裕，行为动作细节丰富，实验展现度高，并可作为多机器人协同编队、水陆两栖机器人、微纳米生物机器人运动原型等多个研究领域的实验与验证平台。本发明所提出的自主移动机器人平台重量小、运动灵巧轻便，具有机械结构紧凑合理、实用性和通用性好等特点。
附图说明
图1是本发明的系统构成框图；
图2是本发明具体实施方式的俯视图；
图3是本发明具体实施方式的侧视图；
图中各标号表示：
1、腿臂支架             2、腿臂旋转固定轴     3、电源管理模块
4、测距传感器           15、测距传感器2       6、摄像头
7、流速传感器           8、平台控制盒         9、方向舵轮传动系统
10、腿臂驱动传动系统    11、轮子(反偏向轮)    12、轮架(反偏向轮)
13、倾斜转轴            14、反偏向轮调节装置  15、腿臂驱动电机
16、方向舵轮驱动电机    17、方向轴          18、轮架(方向舵轮)
19、轮子(方向舵轮)      20、支撑平台        21、定位传感器
具体实施方式
本发明所述的自主移动机器人平台能够自主地对环境进行感知，对机器人移动通道的宽度变化具有很强的行为适应能力。该移动机器人通过腿臂机构的摆动，使反偏向轮与地面或者空间媒质产生力的相互作用，驱动机器人的运动。下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明：
本发明所述的一种自主移动机器人平台如图1所示，包括运动驱动系统、环境感知系统、平台控制系统。
本发明所述的运动驱动系统如图2、图3所示，包括腿臂机构、腿臂驱动模块、支撑平台、方向舵轮、方向舵轮驱动模块。
腿臂机构包括反偏向轮、腿臂支架(1)、反偏向轮调节装置(14)；所述的腿臂支架(1)一端安装反偏向轮调节装置(14)与反偏向轮，另一端通过腿臂旋转固定轴(2)安装于支撑平台(20)，并可绕腿臂旋转固定轴(20)自由摆动；所述的反偏向轮通过反偏向轮调节装置(14)与腿臂支架(1)固定连接；所述的反偏向轮包括轮架(12)、轮子(11)、倾斜转轴(13)；所述的轮子(11)与轮架(12)固定安装，轮子(11)可自由转动，并且轮架(12)能够绕倾斜转轴(13)自由转动；由于倾斜转轴(13)的作用，轮子(11)在腿臂机构摆动的过程中与倾斜转轴(13)之间会产生夹角，进而轮子(11)与地面之间会产生抑制夹角生成的摩擦力，摩擦力在平台运动方向上的分力可驱动平台向前运动。
腿臂驱动模块包括腿臂驱动电机(15)、腿臂驱动传动系统(10)，其中，腿臂驱动电机(15)装配有减速箱与编码器，腿臂驱动电机(15)通过齿轮机构与腿臂驱动传动系统(10)连接，腿臂驱动传动系统(10)的主要作用是实现驱动力传递，即将腿臂驱动电机(15)的驱动力传递给腿臂机构，带动腿臂机构绕腿臂旋转固定轴(2)摆动。
方向舵轮包括轮子(19)、轮架(18)、方向轴(17)；所述的轮子(19)与轮架(18)连接，轮子(19)可自由旋转；所述的轮架(18)接收平台主控制模块的指令，能够对轮子(19)进行制动操作；所述的轮架(18)通过方向轴(17)安装于支撑平台(20)，轮架(18)与方向轴(17)可相对于支撑平台(20)旋转。
方向舵轮驱动模块包括方向舵轮驱动电机(16)、方向舵轮传动系统(9)，其中方向舵轮驱动电机(16)装配有减速箱与编码器，方向舵轮驱动电机(16)通过齿轮机构与方向舵轮传动系统(9)连接，方向舵轮传动系统(9)的主要作用是实现驱动力传递，即将方向舵轮驱动电机(16)的驱动力传递给方向舵轮，带动方向舵轮旋转，实现移动机器人平台的方向变化。
环境感知系统如图2、图3所示，包括摄像头(6)、测距传感器(4、5)、流速传感器(7)、定位传感器(21)、传感器数据处理模块，同时，还能够根据任务需要增装其他种类传感器，其中：
摄像头(6)安装于移动机器人平台上，采集机器人平台环境信息数据，将数据传输给传感器数据处理模块。
测距传感器(4、5)分布安装于支撑平台(20)与腿臂机构，采集机器人平台的环境距离信息数据，将数据传输给传感器数据处理模块。
流速传感器(7)安装于支撑平台(20)前端，检测机器人平台行进过程中环境中空气或液体等的流速数据，将数据传输给传感器数据处理模块。
定位传感器(21)安装于移动机器人支撑平台(20)，检测机器人平台的位置信息与姿态信息，将数据传输给传感器数据处理模块。
传感器数据处理模块集成于平台控制盒内(8)，具有可扩展传感器接口，能够根据任务需要接入其他类型传感器数据。传感器数据处理模块将各种传感器输送来的数据进行处理，对机器人平台的运行环境信息进行认知。
平台控制系统如图1、图2、图3所示，安装于平台控制盒内(8)。，包括平台主控制模块、腿臂控制模块、舵机控制模块、电源管理模块、无线通讯模块，其中：
平台主控制模块是整个系统的中枢，它能够接收传感器数据处理模块的环境认知信息，同时，能够接收无线通讯模块的数据信息，在确定任务要求后，根据所接收到的环境与通讯信息，自主规划机器人平台的运动方式与行驶路径，发送指令给腿臂控制模块与舵机控制模块，同时，其能够接收腿臂控制模块与舵机控制模块的运动状态反馈信息，从而控制机器人平台稳定、安全地行驶；并且能够控制方向舵轮车架(18)，使其对方向舵轮轮子(19)实施制动。平台主控制模块还接收电源管理模块(3)的电源监控信息，控制电源管理模块(3)安全、合理使用电源。
腿臂控制模块接收平台主控制模块的指令，进而按指令要求控制腿臂驱动模块使腿臂机构摆动，同时将腿臂机构的运动状态反馈给平台主控制模块。
舵机控制模块接收平台主控制模块的指令，进而按指令要求控制方向舵轮驱动模块改变方向舵轮的引导方向，同时将方向舵轮的运动状态反馈给平台主控制模块。
电源管理模块(3)包括可充电电池与电源控制系统，所述的可充电电池提供机器人平台运行所需的电能；所述的电源控制系统对可充电电池工作状态进行监控，将监控数据发送平台主控制模块，同时，接收平台主控制模块电源控制指令对可充电电池的输出电压进行控制。
无线通讯模块负责自主移动机器人平台与外界的数据通讯，包括机器人平台与操作人员(人机交互)、多机器人平台之间(机机交互)、机器人平台与其他设备的数据通讯。无线通讯模块将接收到的通讯数据发送给平台主控制模块，同时将平台主控制模块的通讯数据发出。

Claims (6)

1.一种自主移动机器人平台，其特征在于包括运动驱动系统、环境感知系统、平台控制系统，其中：
运动驱动系统包括腿臂机构、腿臂驱动模块、支撑平台、方向舵轮、方向舵轮驱动模块，其中：
腿臂机构包括反偏向轮、腿臂支架、反偏向轮调节装置；其中腿臂支架一端安装反偏向轮调节装置与反偏向轮，另一端通过腿臂旋转固定轴安装于支撑平台，并可绕支撑平台上的腿臂固定轴自由摆动；反偏向轮通过反偏向轮调节装置与腿臂支架固定连接，反偏向轮包括轮架、轮子、倾斜转轴，其中轮子与轮架固定安装，轮子可自由转动，且轮架能够绕倾斜转轴自由转动；由于倾斜转轴的作用，轮子在腿臂机构摆动的过程中与倾斜转轴之间会产生夹角，进而轮子与地面之间会产生抑制夹角生成的摩擦力，摩擦力在自主移动机器人平台运动方向上的分力可驱动自主移动机器人平台向前运动；所述的倾斜转轴的作用也可通过在轮架与腿臂支架之间加入回力弹簧等方式实现；
腿臂驱动模块包括腿臂驱动电机和腿臂驱动传动系统，其中，腿臂驱动电机装配有减速箱与编码器，腿臂驱动电机通过齿轮机构与腿臂驱动传动系统连接，腿臂驱动传动系统的主要作用是实现驱动力传递，即将驱动电机的驱动力传递给腿臂机构，带动腿臂机构绕腿臂旋转固定轴摆动；
方向舵轮包括轮子、轮架、方向轴；所述轮子与轮架活动连接，轮子可自由旋转；轮架接收平台主控制模块的指令，能够对轮子进行制动操作；轮架通过方向轴安装于支撑平台，轮架与方向轴可相对于支撑平台旋转；
方向舵轮驱动模块包括方向舵轮驱动电机、方向舵轮传动系统，其中，方向舵轮驱动电机装配有减速箱与编码器，方向舵轮驱动电机通过齿轮机构与方向舵轮传动系统连接，方向舵轮传动系统的主要作用是实现驱动力传递，即将驱动电机的驱动力传递给方向舵轮，带动方向舵轮旋转，实现移动机器人平台的方向变化；
环境感知系统包括摄像头、测距传感器、流速传感器、定位传感器、传感器数据处理模块，其中：
摄像头安装于移动机器人平台上，采集机器人平台环境信息数据并将数据传输给传感器数据处理模块；
测距传感器分布安装于支撑平台与腿臂机构，采集机器人平台的环境距离信息数据，将数据传输给传感器数据处理模块；
流速传感器安装于支撑平台前端，检测机器人平台行进过程中环境中空气或液体等的流速数据，将数据传输给传感器数据处理模块；
定位传感器安装于移动机器人支撑平台，检测机器人平台的位置信息与姿态信息，将数据传输给传感器数据处理模块；
传感器数据处理模块具有可扩展的传感器接口，能够根据任务需要接入其他类型传感器数据，传感器数据处理模块采集传感器数据并进行处理，对机器人平台的运行环境信息进行认知；
平台控制系统包括平台主控制模块、腿臂控制模块、舵机控制模块、电源管理模块、无线通讯模块，其中：
平台主控制模块是平台控制系统的中枢，它接收传感器数据处理模块的环境认知信息，和无线通讯模块的数据信息，在确定任务要求后，根据所接收到的环境与通讯信息，自主规划机器人平台的运动方式与行驶路径，发送指令给腿臂控制模块与舵机控制模块，同时，平台主控制模块接收腿臂控制模块与舵机控制模块的运动状态反馈信息，从而控制机器人平台稳定地行驶，并能够控制方向舵轮车架，使其对方向舵轮轮子实施制动，平台主控制模块同样接收电源管理模块的电源监控信息，控制电源管理模块安全、合理使用电源；
腿臂控制模块接收平台主控制模块的指令，按平台主控制模块的要求控制腿臂驱动模块使腿臂机构摆动，同时将腿臂机构的运动状态反馈给平台主控制模块；
舵机控制模块接收平台主控制模块的指令，按平台主控制模块的要求控制方向舵轮驱动模块改变方向舵轮的引导方向，同时将方向舵轮的运动状态反馈给平台主控制模块；
电源管理模块包括可充电电池与电源控制系统，可充电电池提供机器人平台运行所需的电能；电源控制系统对可充电电池工作状态进行监控并将监控数据发送平台主控制模块，同时接收平台主控制模块的电源控制指令；所述的电源控制系统对可充电电池的输出电压进行控制；
无线通讯模块负责自主移动机器人平台与外界的数据通讯，包括机器人平台与操作人员(人机交互)、多机器人平台之间(机机交互)、机器人平台与其他设备的数据通讯，无线通讯模块能够将接收到的通讯数据发送给平台主控制模块，同时，能够将平台主控制模块的通讯数据发出。
2.根据权利要求1所述的自主移动机器人平台，其特征在于：根据驱动与任务需要，所述的运动驱动系统中可以存在若干个腿臂机构。
3.根据权利要求1所述的自主移动机器人平台，其特征在于：腿臂驱动模块可以包含若干个腿臂驱动电机，对腿臂机构的驱动可由单个驱动电机实现，也可由多个驱动电机协作实现；同时，单个驱动电机通过腿臂驱动传动系统也可以实现对多个腿臂机构的同步驱动。
4.根据权利要求1所述的自主移动机器人平台，其特征在于：包括人工操控模式与自主运行模式，人工操控模式时操作人员通过发送无线通讯指令控制机器人移动平台运动；自主运行模式时机器人平台根据环境感知信息与自身运动状态信息实现自主路径规划与运动控制功能。
5.根据权利要求1所述的自主移动机器人平台，其特征在于：包括单机器人平台运行方式与多机器人平台运行方式，所述的单机器人平台运行方式中只有单一一个机器人平台运行，在此运行方式下，机器人平台的主要任务是对行驶环境进行认知，以及控制自身运动行为表现力的展现，所述的多机器人平台运行方式除单机器人平台的运行特点外，还包括多机器人平台间的数据通讯、环境信息共享、群体运动行为表现力的控制与展现。
6.根据权利要求1所述的自主移动机器人平台，其特征在于：自主移动机器人平台的运行环境包括水、陆两栖。
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