CN104057835A - 一种通用遥控轮式移动机器人 - Google Patents

Abstract

一种通用遥控轮式移动机器人，其主要由机器人车体、行走机构、驱动电机及电机控制机构、传感器系统、综合控制系统构成，所述移动机器人为双侧电机驱动结构，行走机构采用轮式行走机构，车体的每侧分别安装有驱动轮和链轮，所述链轮带动传动链条将驱动电机扭矩传递给同侧驱动轮，所述传动链条上安装有多个压紧齿轮，同侧安装有三个驱动轮，相邻驱动轮之间的轴距小于驱动轮半径的3倍，同侧相邻驱动轮的轴距相等，所述驱动轮为“齿状”车轮。该机器人特有的驱动轮布局结构既增强了机器人行驶的稳定性，又提升了越障能力，使机器人既具有轮式移动机器人移动迅速的特点，又具有履带式移动机器人跨越障碍物的能力。

Description

一种通用遥控轮式移动机器人

技术领域

本发明属于自动机械装置技术领域，具体涉及一种具有人工智能的遥控轮式移动机械装置。

背景技术

移动机器人是机器人学中的一个重要分支，涉及人工智能、控制理论、传感器技术和计算机技术等多门学科，随着移动机器人技术的不断发展，移动机器人已经越来越广泛地应用于工农业生产、军事、医学以及人类日常生活等领域，从事或代替人类无法完成或不适宜人类完成的危险工作，为人类的生活提供各种便利的服务，它所具有的优势使其越来越受到许多学者的关注。

移动机器人的研究开始于20世纪60年代末期，斯坦福研究院(SRI)的NilsNilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年研制出了取名为Shakey的自主移动机器人，其目的是研究应用人工智能技术，与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究，以解决机器人在不平路面上的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人，其中最著名的是General Electric Quadruped的步行机器人。70年代末，随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人的研究又出现了新的高潮，特别是在80年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多个研究方向的出现。90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术、真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究，移动机器人正朝着具有自组织、自学习、自适应的智能化方向发展。

移动机器人是一个对外界环境高度开放的智能系统，能够在执行预先给定的任务指令的同时，根据行进中不断感知到的周围局部环境信息，自主地做出各种决策，自动避开障碍物，引导自身安全地行使到指定的目标位置。这就要求移动机器人能够搭载多种装置，用来执行侦察、探测、反恐、防暴、消防等危险作业。在这些作业过程中，移动机器人自身则负责将其所搭载装置运送到规定的目的地，承担着地面任务。移动机器人自身重量不可以过大，能够实现在使用过程中快速投放以及灵活机动，便于机器人进行隐蔽，以及快速行进。同时，必须有一定的续航能力，满足必须的作业时间长度。为了安全到达目的地，要求机器人在行驶过程中能够自主避开障碍物或者爬过斜坡后继续行驶。对于环境比较恶劣的情况，如爆炸现场、雨雪天气、地面有不同程度的积水等，机器人要能够承受一定灰尘和雨水。在机器人侦查目标后，除了本身能存储一定的声音图像资料外，还要实时传递信息，实现机器人与人之间的通讯。另外，在不可预知的危险环境中，一旦通讯中断，机器人就会不知道如何执行下一步行动，这就要求机器人能够在通讯中断的情形下有一定的自主行动能力。

鉴于上述对移动机器人的要求，考虑城市街道环境与野外越野地面环境的复杂性与多样性，移动机器人能否完成任务，其运动形式发挥着至关重要的作用。为此寻找一种通用的移动底盘形式成为整个机器人系统的关键。通过对多种移动机器人的移动形式的分析与比较，可以得出以下结论：轮式结构在城市街道及地面状况良好的形式条件下，能够发挥其移动迅速的优势，缺点是越野能力不足，行走式结构在特定的崎岖路面有较好的通行能力，越野能力强，但结构复杂、最高速度低，路面通行性较差，履带式结构具有较强的野外越野能力，但能耗高，速度低，机械结构复杂笨重。

湖南山河智能机械股份有限公司发明的实用新型专利“一种遥控轮式移动机器人平台”(公告号：CN 201626318U)，其主要结构为：平台车架采用箱式结构，内设有车载电子设备、电池箱体。平台车架设有轮式四轮驱动行走装置，由牵引电机驱动。车载电子设备主要包括电机驱动器、超声波传感器、IP摄像头、整车控制器、GPS、惯性导航系统、无线通讯系统。在地面遥控控制台上可以查看所述机器人平台前后的视频图像、平台位姿坐标和准确姿态、并可通过控制手柄和按钮操作所述机器人平台进行工作。所述机器人平台前后均安装有超声波传感器，有一定的自动避障功能。机器人平台在民用上用于运输、地震、火灾等危险环境下的执行侦查、巡逻、搭载探测装置或武器等任务的工具。其机器人采用四个车轮，每侧有一个电机通过传动轴驱动前后车轮(如图1所示)。但该机器人平台不具备爬楼梯的能力，不适合工作在楼宇和野外环境。而且该平台驱动结构复杂，同侧车轮采用传动轴传动前后车轮，机械结构复杂，不利于维护。

上海市电力公司电缆输配电公司申请的发明专利申请“电缆隧道危险环境小型履带检查机器人系统”(公开号CN101468664A)，如图2所示，其包括移动平台、上盖、气体传感器盒、数据传输天线、图像传输天线、红外摄像机云台、超声波传感器、无线监视装置、控制箱体、控制单元和操作面板，所述的移动平台包括前导向带轮、锁紧螺钉、摆臂、第一张紧螺钉、前承重轮、第二张紧螺钉、中间导向轮、履带、后承重轮、蜗杆减速机、摆臂电机、驱动电机。但是，这种履带式的机器人平台存在移动速度慢，生产成本高等缺陷。

发明内容

因此，设计一款功能通用，既具有移动迅速，又具有爬楼梯或斜坡、障碍物通过能力强的移动机器人就显的尤为必要。本发明的目的是设计一款移动灵活敏捷，可以在野外环境下以较高的速度行走，可任意半径转向，通过能力强，能够通过野外环境下一般障碍，可以攀爬一定坡度的坡道和标准楼梯，适应性能较强，能够在恶劣环境中进行工作，具有结构紧凑轻巧，重心低，行进中稳定性高，隐蔽性高，有合适的通讯距离，适于野外环境下的无线通讯，及时性强，并能将采集到的数据回传到远程指控终端，以遥控为主，具有一定避障功能的通用遥控轮式移动机器人。

为此，本发明提供了一种通用遥控轮式移动机器人，其主要由机器人车体、行走机构、驱动电机及电机控制机构、传感器系统、综合控制系统构成，所述行走机构包括链轮2、传动链条6、压紧齿轮3、驱动轮1，所述驱动电机及电机控制机构包括驱动电机10，其特征在于，所述移动机器人的驱动电机及电机控制机构为双侧电机驱动结构，所述移动机器人车体的两侧对称设置有驱动电机10，所述移动机器人的行走机构采用轮式行走机构和链条传动方式，所述移动机器人车体的每侧有一个链轮2与所述电机及电机控制机构相连接以接收动力，所述链轮带动传动链条6将动力传递给驱动轮1。

在所述移动机器人车体的每侧分别安装有多个驱动轮1和链轮2，所述链轮2带动传动链条6将驱动电机10扭矩传递给同侧驱动轮1，所述传动链条6上安装有多个压紧齿轮3。所述行走机构中每一侧安装有三个驱动轮，同侧相邻驱动轮之间的轴距小于驱动轮半径的3倍，同侧相邻驱动轮的轴距相等。

所述驱动电机及电机控制机构还包括有与所述驱动电机10配套设置的减速器8、霍尔传感器9、电磁离合器11、以及电机控制器7，所述移动机器人车体的每侧有一个链轮2与所述驱动电机及电机控制机构的减速器8相连接以传动动力。

所述行走机构的驱动轮1为“齿状”车轮，采用特有的“齿状”驱动轮，增强了车轮的抓地能力，可以爬楼梯、过台阶、爬坡。

所述移动机器人传感器系统包括：前视摄像头25、后视摄像头14，拾音器23，红外传感器12、GPS系统16，所述摄像头采用高清、红外夜视广角180°摄像头，所述拾音器23采用标准的音频接头。

所述综合控制系统以DSP板为基础构成，并与所述机器人所搭载的装置电机控制器、无线通讯系统、摄像头、图像传输电台、红外传感器相连接。

所述综合控制系统设置有三路RS232串口，一路RS232与数据传输电台相连，一路RS232与图像传输电台的数据通道相连，一路为备用串口。

所述移动机器人的转向方式采用差速转向器。

所述移动机器人行走机构的驱动轮1上可增挂履带装置。

本发明的通用遥控轮式移动机器人与前述现有技术的移动机器人平台相比，具有如下优点：1、改进机器人的行走机构，采用特有的“齿状”驱动轮，增强了车轮的抓地能力，可以爬楼梯、过台阶、爬坡，增强机器人通过障碍物的能力；2、采用双侧电机驱动结构，同侧采用链条传动，在链条上设置压紧齿轮，同侧相邻两个驱动轮的轴距小于驱动轮半径的3倍，同侧相邻驱动轮轴距相等，可任意半径转向，机器人特有的驱动轮布局结构既增强了机器人行驶的稳定性，又提升了越障能力，使机器人既具有轮式移动机器人移动迅速的特点，又具有履带式移动机器人跨越障碍物的能力；在特殊情况下，可增挂履带装置，变为轮履合一的移动机器人，拓宽了在楼宇或是野外路面的适应能力；3、配备有高清晰、红外夜视摄像头和拾音器；配备的语音传输电台具有双向传输功能，即可上行完成音频侦查功能，又可下行传输音频信息；机器人遥控通信距离可达1公里，适合于野外环境下的无线通信，及时性强，并能将采集到的数据回传到指控终端，增强了机器人的侦查功能，使其具有全天候音视频侦查功能。

附图说明

图1：现有技术的遥控轮式移动机器人平台的结构示意图；

图2：现有技术的小型履带检查机器人系统的结构示意图；

图3：本发明的通用遥控轮式机器人平台的结构示意图；

图4：本发明的通用遥控轮式机器人平台的控制系统结构示意图；

图5：本发明的通用遥控轮式机器人平台的“齿状”驱动轮示意图；

图6：本发明的通用遥控轮式机器人平台的链条传动结构示意图。

附图标记：1-驱动轮、2-链轮、3-压紧齿轮、4-综合控制器、5-图像传输电台、6-传动链条、7-电机控制器、8-减速器、9-霍尔传感器、10-驱动电机、11-电磁离合器、12-红外传感器、13-充电口、14-后视摄像头、15-电源开关、16-GPS天线、17-数据传输电台、18-语音传输电台、19-电源模块、20-GPS、21-锂电池、22-数传电台天线、23-拾音器、24-拉手、25-前视摄像头、26-图传电台天线、27-语音电台天线；

31-前轮链轮、32-传动链条、33-压紧齿轮1、34-压紧齿轮2、35-中轮链轮、36-压紧齿轮3、37-压紧齿轮4、38-后轮链轮

具体实施方式

本发明的通用遥控轮式移动机器人整个结构采用模块化设计，主要由机器人车体、行走机构、驱动电机及电机控制机构、传感器系统、综合控制系统等机构构成。本发明的移动机器人的结构示意如图3所示，主要由机器人车体、驱动轮、驱动电机、锂电池、传感器及综合控制器等具体零部件组成。机器人车体采用长方体结构，行走机构采用六轮驱动，机器人转向采用差速转向来完成，驱动系统采用双侧电机驱动结构，驱动电机安装在车体末端两侧，驱动电机一端安装电磁离合器，另一端与减速器相连，减速器的输出端接链轮，链轮带动链条将驱动电机扭矩传递给同侧三个驱动轮，链条上安装了压紧齿轮，驱动电机上安装有霍尔传感器；机器人车体头部和尾部中央位置安装有摄像头和红外传感器，在机器人车体内还设有锂电池、图像传输电台、数据传输电台、语音传输电台、电源模块、GPS、拾音器、图传电台天线、语音电台天线、数传电台天线、GPS天线、红外传感器等。

行走机构

移动机器人行走机构采用轮式行走机构，采用链条传动方式，其主要包括链轮2、传动链条6、压紧齿轮3、驱动轮1。所述移动机器人的车体每侧分别安装三个驱动轮1和链轮2，所述每一侧有一个链轮2与减速器8的输出端连接以接收传动力，该链轮2带动传动链条6将驱动电机10扭矩传递给同侧三个驱动轮1，传动链条6上安装有压紧齿轮3。其中同侧相邻驱动轮之间的轴距小于驱动轮半径的3倍，同侧相邻驱动轮1轴距相等，驱动轮采用“齿状”车轮，采用此种车轮能增强抓地能力，可以爬标准楼梯，增强了车轮的抓地能力，可以爬楼梯、过台阶、爬32°坡。所述轮式机器人的转向方式为采用差速转向器。采用此种车轮布局结构，即可使机器人具有轮式机器人移动迅速的特点，又具有履带式机器人越野的能力，整体提升了机器人的通过能力、越野能力和转向灵活性。在特殊情况下，也可在车轮上增挂履带装置，进一步提升越野能力。机器人采用链条传动方式，增设了压紧齿轮，压紧齿轮控制链条的传动方向和张弛程度，防止机器人在行驶过程中由于震动或猛烈撞击，造成的链条脱离链轮或是变得松弛。

驱动电机及电机控制器

驱动电机及电机控制器主要包括驱动电机10、减速器8、霍尔传感器9、电磁离合器11、以及电机控制器7。所述驱动电机10采用无刷直流电机，配套安装有霍尔传感器9，减速器8和电磁离合器11，霍尔传感器9、驱动电机10、电磁离合器11分别与电机控制器7相连。所述移动机器人采用双侧电机驱动结构，即在车体的两侧对称设置有两台驱动电机10及配套安装的霍尔传感器9，减速器8和电磁离合器11，电机驱动器7为速度闭环控制器，采用MOSFET功率器件，利用无刷直流电机的霍尔信号进行倍频后进行速度闭环控制，控制环节设有PID速度调节器。电机控制器7具有电气刹车功能，具有过压、欠压、过流、过温、霍尔信号非法等故障报警功能。为了实现机器人发生故障时紧急停车，对每个电机增设了电磁离合器11，通过电机控制器的控制，可以开关电磁离合器，实现机器人的驻车制动和紧急停车功能。

传感器系统

机器人传感器系统包括：前视摄像头25、后视摄像头14，拾音器23，红外传感器12，GPS系统16。摄像头采用高清、红外夜视广角180°摄像头，通过图像传输电台，由无线链路将压缩后的视频信号传输到指控终端，经过解压处理，显示在指控终端显示器中，进行机器人的视觉导航与定位、目标识别，完成视频侦查；拾音器采用标准的音频接头连接到语音传输电台，采集平台周围的环境声音信息，通过无线链路发送音频信息到指控终端，完成机器人的音频侦查；红外传感器采用红外接近开关来探测机器人工作环境中的障碍物以避免发生碰撞；GPS实现机器人的导航定位，当无线通信发生故障或是受到干扰，为了防止平台在野外环境中发生丢失，采用GPS对机器人进行导航定位。

综合控制器

综合控制器以DSP板为基础构成，并与机器人所搭载装置相连，如：电机控制器、无线通讯系统、摄像头、图像传输电台、红外传感器等。综合控制器设置有三路RS232串口，一路RS232与数据传输电台相连，完成接收指控终端的指令信息，如机器人的前进、后退、转弯、中心转向、视频切换等；一路RS232与图像传输电台的数据通道相连，发送机器人的状态信息，如电池电量、电机控制器故障信息等；剩余一路RS232留作备用；综合控制器设置的电机控制I/O端口输出频率、脉宽可调的PWM波与电机控制器的外部调速接口相连，驱动电机转速受PWM波占空比线性调节；综合控制器内配置有电池电量采集模块，实时采集锂电池剩余电量，为机器人的工作时间提供参考依据；两路摄像头视频信号同时输入综合控制器，通过综合控制器的视频切换单元完成两路视频信号的切换，并将切换后的视频信号发送至图像传输电台，完成视频的采集。红外传感器与综合控制器的I/O口相连；为了便于以后功能扩展，综合控制器还预留有两路CAN接口、8路模拟量输入通道、8路数字量通道、提高了机器人使用的方便程度和系统的开放性。

通过上述对本发明的通用遥控轮式移动机器人的具体实施例的描述，可以看出本发明的移动机器人与现有的移动机器人平台相比，具有如下突出的优势：1采用特有的“齿状”驱动轮，增强了车轮的抓地能力，可以爬楼梯、过台阶、爬32°坡；2、采用双侧电机驱动结构，并由链条带动同侧三个驱动轮，可任意半径转向，机器人特有的驱动轮布局结构既增强了机器人行驶的稳定性，又提升了越障能力，使机器人既具有轮式移动机器人移动迅速的特点，又具有履带式移动机器人跨越障碍物的能力；在特殊情况下，可增挂履带装置，变为轮履合一的移动机器人，拓宽了在楼宇或是野外路面的适应能力；3、配备有高清晰、红外夜视摄像头和拾音器，可进行全天候音视频侦查；4、配备的语音传输电台具有双向传输功能，即可上行完成音频侦查功能，又可下行传输音频信息；5、机器人遥控通信距离可达1公里，适合于野外环境下的无线通信，及时性强，并能将采集到的数据回传到指控终端。

虽然本发明已经参照多个实施例进行了描述，但本发明并不限于上述实施例，应当理解本领域技术人员能够对上述实施例中涉及的部件进行适当的组合形成新的实施例，在不脱离本发明原理的基础上进行的各种明显的修改和变化都应落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种通用遥控轮式移动机器人，其主要由机器人车体、行走机构、驱动电机及电机控制机构、传感器系统、综合控制系统构成，所述行走机构包括链轮2、传动链条6、压紧齿轮3、驱动轮1，所述驱动电机及电机控制机构包括驱动电机10，其特征在于，所述移动机器人的驱动电机及电机控制机构为双侧电机驱动结构，所述移动机器人车体的两侧分别对称设置有驱动电机10，所述移动机器人的行走机构采用轮式行走机构和链条传动方式，所述移动机器人车体的每侧有一个链轮2与所述电机及电机控制机构相连接以接收动力，所述链轮带动传动链条6将动力传递给驱动轮1。

2.如权利要求1所述的通用遥控轮式移动机器人，其特征在于，在所述移动机器人车体的每侧分别安装有多个驱动轮1和链轮2，所述链轮2带动传动链条6将驱动电机10扭矩传递给同侧驱动轮1，所述传动链条6上安装有多个压紧齿轮3。

3.如权利要求2所述的通用遥控轮式移动机器人，其特征在于，所述行走机构中每一侧安装有三个驱动轮，同侧相邻驱动轮间的轴距小于驱动轮半径的3倍，同侧相邻驱动轮1的轴距相等。

4.如权利要求3所述的通用遥控轮式移动机器人，其特征在于，所述驱动电机及电机控制机构还包括有与所述驱动电机10配套设置的减速器8、霍尔传感器9、电磁离合器11、以及电机控制器7，所述移动机器人车体的每侧有一个链轮2与所述驱动电机及电机控制机构的减速器8相连接以传动动力。

5.如权利要求1-4之一所述的通用遥控轮式移动机器人，其特征在于，所述行走机构的驱动轮1为“齿状”车轮。

6.如权利要求5所述的通用遥控轮式移动机器人，其特征在于，所述移动机器人传感器系统包括：前视摄像头25、后视摄像头14，拾音器23，红外传感器12、GPS系统16，所述摄像头采用高清、红外夜视广角180°摄像头，所述拾音器23采用标准的音频接头。

7.如权利要求6所述的通用遥控轮式移动机器人，其特征在于，所述综合控制系统以DSP板为基础构成，并与所述机器人所搭载的装置电机控制器、无线通讯系统、摄像头、图像传输电台、红外传感器相连接。

8.如权利要求7所述的通用遥控轮式移动机器人，其特征在于，所述综合控制系统设置有三路RS232串口，一路RS232与数据传输电台相连，一路RS232与图像传输电台的数据通道相连，一路为备用串口。

9.如权利要求8所述的通用遥控轮式移动机器人，其特征在于，所述移动机器人的转向方式采用差速转向器。

10.如权利要求9所述的通用遥控轮式移动机器人，其特征在于，所述移动机器人行走机构的驱动轮1上可增挂履带装置。