CN104986234A - 带双杆臂的履带式移动机器人自主下楼梯的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种履带式移动机器人自主下楼梯的控制方法，所述履带式移动机器人包括前轮、后轮以及包覆在所述前轮和后轮上的履带，其特征在于：在所述前轮设置有转动角度可控的双杆臂，在所述双杆臂的旋转轴两端分别设置一个用于检测双杆臂每个杆臂力矩的三轴力传感器，通过调整所述双杆臂的转角逐步降低沿着楼梯边移动的履带式移动机器人前轮与下阶台阶踏步面的距离。本发明提出的是一种自主下楼的柔顺控制方法，这一过程使得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稳，避免了直接摔下楼梯造成的刚性冲击和对移动机器人本体及搭载物的损坏。

Description

带双杆臂的履带式移动机器人自主下楼梯的控制方法

技术领域

本发明属于移动机器人技术领域，涉及一种针对带双杆臂的履带式移动机器人在运动过程中如何自主下楼梯的控制方法。

背景技术

近年来，移动机器人在军事、监测、搜索、排险等各种领域具有越来越广泛的应用。在这些应用中，移动机器人常常会碰到下楼梯的问题。目前对移动机器人的最主要的控制方法是遥操作控制方法，通过移动机器人自带的传感器采集相关信息，再把这些信息传送给控制端，控制端的操作人员由此做出判断，再将控制指令发送回移动机器人，从而控制机器人。但在这种方式下，由于存在时延或信息精确度不高，使得操作人员在远程控制端的临场感很差；另外操作人员要始终保持注意力集中，容易产生疲劳，从而导致判断错误。这就要求机器人最好具有一定的自认知能力和自主控制能力。

研究者通常重视研究移动机器人上楼梯的问题，而忽视了下楼梯的问题，认为只要让移动机器人直接摔下楼梯即可。其实为了保证移动机器人的运动安全可靠，需要实现移动机器人从楼梯到水平地面行走过程始终保持运动的平稳，避免直接摔下楼梯造成的刚性冲击和对移动机器人本体及搭载物的损坏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，克服遥操作控制方法存在的不足，避免让履带式移动机器人直接摔下楼梯，提供一种能够使带有双杆臂的履带式移动机器人自主完成下楼复合运动的控制方法。

一种履带式移动机器人自主下楼梯的控制方法，所述履带式移动机器人包括前轮、后轮以及包覆在所述前轮和后轮上的履带，其特征在于：在所述前轮设置有转动角度可控的双杆臂，在所述双杆臂的旋转轴两端分别设置一个用于检测双杆臂每个杆臂力矩的三轴力传感器，通过调整所述双杆臂的转角逐步降低沿着楼梯边移动的履带式移动机器人前轮与下阶台阶踏步面的距离。

通过调整所述双杆臂的转角逐步降低沿着楼梯边移动的履带式移动机器人前轮与下阶楼梯平面的距离的具体方法是：

步骤1:将移动机器人的车头对准楼梯并驶向台阶踏步,上扬双杆臂使其中心线与履 带底面垂直，记该位置为双杆臂的初始位置，进行步骤2；

步骤2:逆时针旋转双杆臂使其中心线与履带底面成β夹角，

其中X满足如下关系式：

$H=X+L_2-\frac{L_3\×\frac{h}{2}}{\sqrt{{L_3}^2-16X^2}}$

其中，H为台阶高度，h为移动机器人的高度，L₂为双杆臂长度，L₃为前后车轮圆心之间的距离；

驱动移动机器人前进至移动机器人重心过踏步前缘，车体在重力作用产生倾斜，此时双杆臂上力传感器检测的扭矩小于0，进行步骤3；

步骤3:保持双杆臂中心线与履带底面成β夹角，驱动移动机器人前进，当双杆臂上力传感器检测的扭矩由小于0变为大于0时，停止驱动移动机器人前进，直至双杆臂前端与下一级台阶踏步面接触，移动机器人与楼梯对正，进行步骤4；

步骤4：逆时针旋转双杆臂，配合双杆臂的旋转驱动移动机器人使移动机器人的前端顺利通过这级台阶，进行步骤5；

步骤5：逆时针旋转双杆臂，驱动移动机器人行驶使得前轮与下一级台阶踏步面接触，后轮靠在台阶踏步前缘，进行步骤6；

步骤6：逆时针旋转双杆臂，使双杆臂摆回初始位置从而为继续下台阶做准备，驱动移动机器人使后轮沿踏步踢面滑下至车体平行于台阶踏步面,完成自主下楼梯过程。

本发明带有双杆臂的履带式移动机器人包括前轮和后轮，后轮为驱动轮，前轮为从动轮，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双杆臂机构，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；在机器人车体顶面的前后端安装红外避障传感器，用于测量履带式移动机器人与前后方障碍物之间的距离；在机器人车体底面的四个角装有数字防跌落传感器，用于检测楼梯，给出台阶信号；在车体前端装有摄像头，用于拍摄移动机器人前方的画面；在机器人的双杆臂主动轮的旋转轴两端分别设置一个用于检测双杆臂力矩FL和FR的三轴力传感器。

本发明方法的优选方案中，步骤1中，保持移动机器人行驶方向与最顶一级的台阶的踏步前缘垂直的具体方法为：当车体前端的两个数字防跌落传感器中只有一个检测到有悬崖信号，则说明车身没有摆正，需要调整左右履带的转速，使得移动机器人往没有检测到 悬崖信号的一端后退；当两个数字防跌落传感器同时检测到悬崖信号时，说明车身摆正。

步骤3中，当只有一个力矩值从负值变为正值时，移动机器人停止前进，说明此时只有一个杆臂与踏步面接触，认为此时移动机器人没有与楼梯完全对正；这里假设FL从负值增大为正值，而FR仍为负值，认为此时左侧杆臂与踏步面接触，驱动右侧的前轮向前转动，直至FL＝FR>0时，前轮停止转动，此时移动机器人完全与楼梯对正。

在其他步骤中，保持前进方向始终与离车体前端最近一级台阶的踏步前缘垂直的具体方法为：因为步骤1中已经实现移动机器人行驶方向与最顶一级的台阶的踏步前缘垂直，采用码盘实时调整左右履带的转速差，使其保持为零，则意味着移动机器人前进方向与离车体前端最近一级台阶的踏步前缘垂直。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)从研究者容易忽略的移动机器人下楼梯角度出发，若直接让其摔下楼梯，则可能破坏移动机器人的内部结构从而影响其后续使用；本发明提出的是一种自主下楼的柔顺控制方法，这一过程使得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稳，避免了直接摔下楼梯造成的刚性冲击和对移动机器人本体及搭载物的损坏。

(2)针对小型履带式移动机器人，提出一种新式下楼控制方法：利用移动机器人搭载传感器的测量结果，根据移动机器人尺寸和台阶尺寸的相对关系做出决策，控制移动机器人车体和双杆臂的协调运动；通过调整双杆臂的转角逐步降低沿着楼梯边移动的履带式移动机器人前轮与下阶台阶踏步面的距离，使得移动机器人可以顺利下楼。

(3)该方法使得操作人员在控制端的显示屏上发现楼梯并想移动机器人下楼时，只需要首先手动遥控移动机器人运动到楼梯的顶部，调整移动机器人的姿态使其适合下楼，然后发出下楼指令，移动机器人就可以进行自主下楼，在下楼过程中无需人为干预。

附图说明

图1是本发明所使用的带双杆臂的履带式移动机器人的正面示意图。

图2是本发明所使用的带双杆臂的履带式移动机器人的背面示意图。

图3是本发明所使用的带双杆臂的履带式移动机器人的监控设备示意图。

图4是本发明使用的带双杆臂的履带式移动机器人下楼梯过程示意图，其中：4A为将移动机器人的车头对准楼梯并驶向台阶踏步示意图；4B为驱动移动机器人前进至移动机器 人重心过踏步前缘示意图；4C为当移动机器人重心刚过踏步前缘时，车体由于重力作用产生倾斜示意图；4D是双杆臂与下一级台阶踏步面接触面和车体与本级台阶踏步前缘的接触面合力支撑住整个移动机器人以防止受重力作用滑跌示意图；4E为逆时针旋转双杆臂，配合双杆臂的旋转驱动移动机器人示意图；4F为移动机器人的前端顺利通过这级台阶示意图；4G为驱动移动机器人行驶，逆时针旋转双杆臂的示意图；4H为驱动机器人使得前轮与下一级台阶踏步面接触，后轮靠在台阶踏步前缘的示意图；4I为逆时针旋转双杆臂，使双杆臂摆回初始位置从而为继续下台阶做准备示意图；4J为驱动移动机器人使后轮沿踏步踢面滑下至车体平行于台阶踏步面，完成自主下楼梯过程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明。

本实施例是针对一种带有双杆臂5的履带式移动机器人如何自主下楼梯而提出的一种新的控制方法。本实施例所使用的履带式移动机器人是便携式的，尺寸如下：长度为20厘米，宽度为18厘米，高度为6厘米，双杆臂长度15厘米。本实施例所使用的小型移动机器人参见图1和图2所示，其中1、2为车体上半和下半部分，3为前轮，4为后轮，5为双杆臂，6为天线，7为红外测距传感器，8为摄像头，9为履带，10为三轴力传感器，11为电源充电口，12为数字防跌落传感器，13为电源开关。车体的前轮3为驱动轮，后轮4为从动轮，前轮3和后轮4包覆有车体履带9，双杆臂5还可以同步向上扬起或向下落下。其中四个红外测距传感器7分别安装在车体上半部分4顶面的四个角；在车体前端装有摄像头8，用于拍摄移动机器人前方的画面；两个三轴力传感器10分别安装在前轮3中轴的左右两端，用于分别测量双杆臂5对前轮3的转动轴产生的力矩FL和FR，双杆臂5伸向车体前方且未与任何物体碰触时，FL和FR的值均为负值，即FL＝FR<0；四个数字防跌落传感器12则分别安装在履带式移动机器人车体下半部分2底面的四个角。

本实施例所使用的楼梯是符合国家标准的直线型楼梯，根据《民用建筑设计通则》规定，公共建筑室内外台阶踏步宽度不宜小于30厘米，踏步高度在10到15厘米之间。本实例所使用的楼梯梯段宽度为100厘米，踏步的高度为15厘米，踏步的宽度为30厘米。

另外还有一个监控设备与该移动机器人配套使用，如图3所示，监控设备上有开关档，高、中、低速度档，前进、后退、左转、右转方向档，同时还配有显示屏可以实时显示摄像头8摄取到前方环境的图像信息。当操作人员在显示屏上发现楼梯并想让移动机器人下楼时，可以通过监控设备对其发出自主下楼指令；另外在需要手动控制移动机器人的场合，操作人员可以通过该监控设备控制移动机器人。

自主下楼控制流程中，包括以下步骤：

步骤1:将移动机器人的车头对准楼梯并驶向台阶踏步,上扬双杆臂5使其中心线与履带9底面垂直，记该位置为双杆臂5的初始位置，进行步骤2；

保持移动机器人行驶方向与最顶一级的台阶的踏步前缘垂直的具体方法为：当车体前端的两个数字防跌落传感器12中只有一个检测到有悬崖信号，则说明车身没有摆正，需要调整左右履带的转速，使得移动机器人往没有检测到悬崖信号的一端后退；当两个数字防跌落传感器12同时检测到悬崖信号时，说明车身摆正，进行步骤2。

步骤2：逆时针旋转双杆臂5使其中心线与履带9底面成β夹角，驱动移动机器人前进至移动机器人重心过踏步前缘，如图4B所示，当移动机器人重心刚过踏步前缘时，车体由于重力作用产生倾斜，如图4C所示，进行步骤3。

步骤3：保持双杆臂5中心线与履带9底面成β夹角，此时FL＝FR<0,驱动移动机器人前进，当FL＝FR<0变为FL＝FR>0时，认为双杆臂5前端同时与下一级台阶踏步面接触，移动机器人完全与楼梯对正。

当只有一个力矩值从负值变为正值时，移动机器人停止前进，说明此时只有一个杆臂与踏步面接触，认为此时移动机器人没有与楼梯完全对正；这里假设F从负值增大为正值，而FR仍为负值，认为此时左侧杆臂与踏步面接触，驱动右侧的前轮3向前转动，直至FL＝FR>0时，前轮3停止转动，此时移动机器人完全与楼梯对正。

此步骤关键一点是双杆臂5与下一级台阶踏步面接触面和车体与本级台阶踏步前缘的接触面合力支撑住整个移动机器人以防止受重力作用滑跌。如图4D所示，可以算出该移动机器人能顺利通过的最大台阶高度H。记移动机器人长度为L₁，高度为h，双杆臂长度为L₂，前后车轮圆心相距L₃。临界情况为机器人重心点O正好与踏步前缘支点C共线，由ΔAOB～ΔCOD可得 $\frac{OA}{AB}=\frac{OC}{OD},$ 设OB＝X，即 $\frac{\frac{L3}{2}}{\sqrt{{\left(\frac{L3}{2}\right)}^2-X^2}}=\frac{X+L_2-H}{\frac{h}{2}},$ 则可推出：

$H=X+L_2-\frac{L_3\&times;\frac{h}{2}}{\sqrt{{L_3}^2-16X^2}}$

另有角度关系:β＝90°+α，

在实例中L₂＝150mm，L₃＝140mm，h＝60mm,得到台阶的最大高度H为157mm,此时OB＝49.5mm，由此可得β＝135°。本实施例中台阶高150mm， 故可以顺利下楼梯，进行步骤4。步骤2中出现的β取135°。如果超过最大高度H，则驳回下楼指令，并发送警告信息给操作人员后结束自主下楼控制流程。

步骤4：逆时针旋转双杆臂5，配合双杆臂5的旋转驱动移动机器人，如图4E所示，直至双杆臂5与车体履带9近似平行，此时移动机器人的前端顺利通过这级台阶，如图4F所示，进行步骤5。

当双杆臂平行于移动机器人车体时，如图4F所示，记移动机器人前轮与台阶踏步面的距离为d,双杆臂与台阶踏步面成θ角,建立以踏步前缘支点C为原点的二维坐标系，设移动机器人的重心O坐标为(x,y),并设AB＝z，由∠AOB＝∠BAD＝θ可得：

cos∠AOB＝cos∠BAD，即 $\frac{x}{\sqrt{x^2+z^2}}=\frac{\frac{h}{2}}{y+z}$ 推出 $y=\frac{h\sqrt{x^2+z^2}}{2x}-z$

可计算出移动机器人前轮与台阶踏步面的距离d，移动机器人重心位置O(x,y)和双杆臂与台阶踏步面夹角θ的公式：

$\mathrm{\&theta;}={\sin }^{-1}\frac{z}{\sqrt{x^2+z^2}},d=L_{2}sin\mathrm{\&theta;},z=f(x,y,h)=\left\{z\right|y=\frac{h\sqrt{x^2+z^2}}{2x}-z\}$

步骤5：驱动移动机器人行驶，逆时针旋转双杆臂5，如图4G所示，再驱动机器人使得前轮3与下一级台阶踏步面接触，后轮4靠在台阶踏步前缘，如图4H所示，进行步骤6。

此步骤是通过调整所述双杆臂的转角逐步降低沿着楼梯边移动的履带式移动机器人前轮与台阶踏步面的距离。如图4G所示，记移动机器人前轮与台阶踏步面的距离为d，双杆臂与台阶踏步面成θ角，建立以踏步前缘支点C为原点的二维坐标系，设移动机器人的重心O坐标为(x,y)＝(x₁+x₂，y),其中OF＝x₁，EC＝x₂，设FG＝z,台阶高度H，机器人高度h，双杆臂长度L₂，前后车轮圆心相距L₃。由ΔABG～ΔAOF～ΔCAE得：

$\frac{x_1}{L_3}=\frac{\sqrt{{\frac{h}{4}}^2-{x_2}^2}}{h},2(\sqrt{{\frac{h}{4}}^2-{x_2}^2}+y)=\sqrt{{\frac{h}{4}}^2-{x_2}^2}+y+z,$

再结合d＝H-y-z,计算出移动机器人前轮与台阶踏步面的距离d，移动机器人重心位置O(x,y)和双杆臂与台阶踏步面夹角θ的公式：

$\mathrm{\&theta;}={\sin }^{-1}\frac{H-2y-\frac{x_{1}h}{L_3}}{L_2},d=L_{2}sin\mathrm{\&theta;}$

步骤6：逆时针旋转双杆臂5，使双杆臂摆回初始位置从而为继续下台阶做准备，如图4I所示；驱动移动机器人使后轮4沿踏步踢面滑下至车体平行于台阶踏步面，完成自 主下楼梯过程，如图4J所示。

在自主下楼梯过程中为保证移动机器人的安全，要求机器人始终垂直于楼梯。保持前进方向始终与离车体前端最近一级台阶的踏步前缘垂直的具体方法为：因为步骤1中已经实现移动机器人行驶方向与最顶一级的台阶的踏步前缘垂直，采用码盘实时调整左右履带9的转速差，使其保持为零，则意味着移动机器人前进方向与离车体前端最近一级台阶的踏步前缘垂直。

Claims (2)

1.一种履带式移动机器人自主下楼梯的控制方法，所述履带式移动机器人包括前轮、后轮以及包覆在所述前轮和后轮上的履带，其特征在于：在所述前轮设置有转动角度可控的双杆臂，在所述双杆臂的旋转轴两端分别设置一个用于检测双杆臂每个杆臂力矩的三轴力传感器，通过调整所述双杆臂的转角逐步降低沿着楼梯边移动的履带式移动机器人前轮与下阶台阶踏步面的距离。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：通过调整所述双杆臂的转角逐步降低沿着楼梯边移动的履带式移动机器人前轮与下阶楼梯平面的距离的具体方法是：

步骤1:将移动机器人的车头对准楼梯并驶向台阶踏步,上扬双杆臂使其中心线与履带底面垂直，记该位置为双杆臂的初始位置，进行步骤2；

步骤2:逆时针旋转双杆臂使其中心线与履带底面成β夹角，

其中X满足如下关系式：

$H=X+L_2-\frac{L_3\&times;\frac{h}{2}}{\sqrt{{L_3}^2-16X^2}}$

其中，H为台阶高度，h为移动机器人的高度，L₂为双杆臂长度，L₃为前后车轮圆心之间的距离；

驱动移动机器人前进至移动机器人重心过踏步前缘，车体在重力作用产生倾斜，此时双杆臂上力传感器检测的扭矩小于0，进行步骤3；

步骤3:保持双杆臂中心线与履带底面成β夹角，驱动移动机器人前进，当双杆臂上力传感器检测的扭矩由小于0变为大于0时，停止驱动移动机器人前进，直至双杆臂前端与下一级台阶踏步面接触，移动机器人与楼梯对正，进行步骤4；

步骤4：逆时针旋转双杆臂，配合双杆臂的旋转驱动移动机器人使移动机器人的前端顺利通过这级台阶，进行步骤5；

步骤5：逆时针旋转双杆臂，驱动移动机器人行驶使得前轮与下一级台阶踏步面接触，后轮靠在台阶踏步前缘，进行步骤6；

步骤6：逆时针旋转双杆臂，使双杆臂摆回初始位置从而为继续下台阶做准备，驱动移动机器人使后轮沿踏步踢面滑下至车体平行于台阶踏步面,完成自主下楼梯过程。