CN105109566A - 一种履带式移动机器人协作攀爬楼梯控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由两个同构的履带式移动机器人对接组成的机器人系统攀爬楼梯的运动控制方法。本发明通过转动两个履带式移动机器人之间连接的对接装置调整两个履带式移动机器人的运动方向，实现履带式移动机器人不同的运动方向，实现两个履带式移动机器人完成楼梯的攀爬。本发明通过两个履带式移动机器人的协作控制，攀爬楼梯的效率更高，可以实现更高楼梯的攀爬。本发明的控制方法，层次清晰，控制精确，运行稳定可靠。

Description

一种履带式移动机器人协作攀爬楼梯控制方法

技术领域

本发明涉及履带式移动机器人，尤其涉及两个履带式移动机器人协作攀爬楼梯过程中的运动控制。

背景技术

在发生火灾、矿难、核泄漏、恐怖袭击等事件时，往往需要进行搜救、反恐、排爆、侦察等危险任务。为了减少人员伤亡，常借助于体积小、适应能力强、运动灵活的履带式移动机器人。因此，履带式移动机器人成为移动机器人研究领域的一大热点。履带式移动机器人在执行任务时通常需要攀爬高低不一的楼梯，而现有的履带式移动机器人可以攀爬的楼梯较低或者攀爬效率较低。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是克服现有履带式移动机器人，尤其是小型便携式履带式移动机器人可以攀爬的楼梯较低或者攀爬效率较低的不足，提供一种有效的履带式移动机器人攀爬楼梯的运动控制方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种履带式移动机器人协作攀爬楼梯控制方法，包括两个带有双杆臂的履带式移动机器人，所述履带式移动机器人包括随动导轮和驱动轮、包覆在所述随动导轮和所述驱动轮上的履带；在所述驱动轮上设置有可绕所述驱动轮的轴心转动的双杆臂；在所述随动导轮的轴心上设有可绕所述随动导轮的轴心转动的对接装置；两个所述履带式移动机器人通过所述对接装置对接；通过所述对接装置的转动调整两个所述履带式移动机器人的运动方向实现楼梯的攀爬。

所述通过对接装置的转动调整两个所述履带式移动机器人的运动方向实现楼梯的攀爬具体步骤如下：

步骤1：驱动至少一个履带式移动机器人的履带运动使第一个履带式移动机器人的前端接触楼梯前壁；转动第二个履带式移动机器人的双杆臂使其末点与第二个履带式移动机器人的末点连线与地面垂直；

步骤2：控制第一个履带式移动机器人的对接装置沿顺时针转动，使得第一个履带式移动机器人前端抬起，同时驱动两个履带式移动机器人的履带运动；

步骤3：控制第二个履带式移动机器人的对接装置沿逆时针转动，使得第一个履带式移动机器人后端抬起，同时驱动两个履带式移动机器人的履带运动；

步骤4：在第一个履带式移动机器人和第二个履带式移动机器人垂直时，控制第一个履带式移动机器人的对接装置沿逆时针转动，控制第二个履带式移动机器人的对接装置沿顺时针转动，使得第二个履带式移动机器人的前端抬起，同时驱动第一个机器人的履带运动，直到两个履带式移动机器人和对接装置在一条直线上；

步骤5：驱动两个履带式移动机器人的履带运动，直到两个履带式移动机器人与地面垂直，此时第二个履带式移动机器人的的双杆臂的末点与地面接触；

步骤6：控制第一个履带式移动机器人的对接装置沿逆时针转动，使得第一个履带式移动机器人落在楼梯台阶上；

步骤7：控制两个履带式移动机器人的对接装置均沿顺时针转动，同时驱动两个履带式移动机器人的履带，使得第二个履带式移动机器人的前端离开楼梯；后端和楼梯保持接触并沿着楼梯向上爬行，直到第二个履带式移动机器人的后端到达楼梯的顶部；

步骤8：控制第一个履带式移动机器人的对接装置沿顺时针转动，控制第二个履带式移动机器人的对接装置沿逆时针转动，同时驱动第一个履带式移动机器人的履带，使得第二个履带式移动机器人的前端向楼梯移动；至第二个履带式移动机器人和对接装置成钝角；

步骤9：控制两个履带式移动机器人的对接装置均沿逆时针转动，并驱动两个履带式移动机器人的履带，使两个履带式移动机器人均落在楼梯的上壁的同时两个履带式移动机器人在一条直线上；转动第二个履带式移动机器人后端的杆臂，使其恢复步骤1的状态；

步骤10：重复步骤1至步骤9，继续下面楼梯的攀爬。

所述攀爬楼梯的的最高高度h为：h＝l+d；其中l为履带式移动机器人的随动导轮和驱动轮轴心间的距离，d为两个履带式移动机器人的随动导轮的轴心间的距离。

有益效果：本发明通过转动两个履带式移动机器人之间连接的对接装置调整两个履带式移动机器人的运动方向，实现履带式移动机器人不同的运动方向，实现两个履带式移动机器人完成楼梯的攀爬。本发明通过两个履带式移动机器人的协作控制，攀爬楼梯的效率更高，可以实现更高楼梯的攀爬。本发明的控制方法，层次清晰，控制精确，运行稳定可靠。

附图说明

图1是本发明具体实施例的示意图。

图1A是本发明实施的单个带有公口的履带式移动机器人的示意图。

图1B是本发明实施的单个带有公口的履带式移动机器人的前视图。

图1C是本发明实施的单个带有公口的履带式移动机器人的右视图。

图1D是本发明实施的单个带有公口的履带式移动机器人的俯视图。

图2A是本发明实施的单个带有母口的履带式移动机器人的示意图。

图2B是本发明实施的单个带有母口的履带式移动机器人的前视图。

图2C是本发明实施的单个带有母口的履带式移动机器人的右视图。

图2D是本发明实施的单个带有母口的履带式移动机器人的俯视图。

图3A-3B是本发明实施的对接装置示意图。

图4A是本发明实施的两个履带式移动机器人组成的机器人系统示意图。

图4B-4M是本发明实施的两个履带式移动机器人组成的机器人系统的攀爬楼梯过程示意图。

具体实施方式

如图1是本发明具体实施例的示意图。本发明包括两个带有双杆臂的履带式移动机器人，由一个带有公口对接装置412的履带式移动机器人和一个带有母口对接装置414的履带式移动机器人通过对接组成。带有公口对接装置和带有母口对接装置的履带式移动机器人均包括机架410、随动导轮408、驱动轮404、包覆在所述随动导轮408和所述驱动轮404上的履带406；在所述驱动轮404上设置有可绕所述驱动轮404的轴心转动的双杆臂402。杆臂可以绕驱动轮的轴心转动，转动方向如图1所示；公口对接装置412和母口对接装置414均可以绕两个履带式移动机器人的随动导轮的轴心转动，转动方向如图1所示。履带式移动机器人系统利用杆臂和对接装置的转动以及驱动轮带动履带的运动可以实现攀爬楼梯的功能。

如图1A-1D和2A-2D分别是本发明实施的单个带有公口的和带有母口的履带式移动机器人的示意图、前视图、右视图和俯视图。如图3A-3B和4A分别是对接装置和两个履带式移动机器人组成的机器人系统示意图。

对接装置包括对接公口装置和对接母口装置。对接公口装置包括固定于机架410的电机302和随动导轮轴304、套在随动导轮轴304上的对接轴306、分别固定在电机302和对接轴306上的一对锥齿轮308、对接公口310、电机312、凸轮313、一对楔子314、一对套在楔子上的弹簧316和公口盖318。对接母口装置包括固定于机架的电机320和随动导轮轴322、套在随动轮轴322上的对接轴324、分别固定在电机320和对接轴322上的一对锥齿轮326和对接母口328。电机302和320分别驱动锥齿轮308和326转动，从而驱动对接轴306和324的转动，进而使得对接装置绕随动轮轴转动，电机312在凸轮313和弹簧316的配合下驱动楔子314的伸缩。在准备对接时，楔子缩在对接公口310里面。当对接公口310契合到母口里面后楔子伸出，卡住母口，从而完成对接。

如图4B-4M是本发明实施的两个履带式移动机器人组成的机器人系统的攀爬楼梯的过程示意图。一个履带式移动机器人系统由一个带有公口对接装置412的履带式移动机器人和一个带有母口对接装置414的履带式移动机器人通过对接组成。带有公口对接装置和带有母口对接装置的履带式移动机器人均包括机架410、随动导轮408、驱动轮404、履带406和杆臂402。杆臂可以绕驱动轮的轴心转动，对接装置可以绕随动导轮的轴心转动。两个履带式移动机器人组成的机器人系统攀爬楼梯的具体过程描述如下：

步骤1：驱动机器人系统，使它接触楼梯前壁，准备攀爬楼梯。如图4B，当这个履带式移动机器人系统遇到楼梯422时，第二个机器人后端的杆臂436的末点423和机器人末点425连线和地面垂直，至少一个机器人的履带运动使第一个机器人424的前端426接触楼梯的前壁428。

步骤2：机器人系统的第一个机器人沿楼梯前壁向上攀爬。如图4C，按方向1转动对接装置430，并驱动两个机器人的履带，使第一个机器人424的前端426抬起的同时和楼梯的前壁428保持接触。设对接装置按方向1转动角速度为ω₁，机器人前后轮轴心的距离为l，轮轴心到与车轮接触履带凸体外表面的距离为r，则在转动了θ角后，机器人和楼梯的接触点为O，接触点到转动轴心的垂直和水平距离分别为d_y和d_x，接触点在水平和垂直方向上的运动速度为v_x1和v_y1，v_x1和v_y1分别是第二个和第一个履带机器人的履带运动速度：

v_x1＝ω₁d_y＝ω₁lsinθ

v_y1＝ω₁d_x＝ω₁(r+lcosθ)

步骤3：机器人系统的第一个机器人继续沿楼梯前壁向上攀爬。如图4D，当对接装置430和第一个机器人424成45角时，使对接装置430按照方向2转动，并驱动两个机器人的履带。这样在抬起第一个机器人的后端432的同时，保持第一个机器人的前端426和楼梯的前壁428接触。设对接装置按方向2转动角速度为ω₂，对接装置两个转动轴心的距离为d，则在转动了α角后，机器人和楼梯的接触点为O，接触点到转动轴心的垂直和水平距离分别为d_y和d_x，接触点在水平和垂直方向上的运动速度为v_x2和v_y2，v_x2和v_y2分别是第二个和第一个履带车的履带运动速度：

v_x2＝ω₂d_y＝ω₂(dsinα+lsin(α+π/4))

v_y2＝ω₂d_x＝ω₂(dcosα+lcos(α+π/4)+r)

步骤4：机器人系统的第一个机器人的前端到达楼梯上壁的上方。如图4E-G，在第一个机器人424和第二个机器人434垂直时，按照方向3和4转动对接装置430，设对接装置按方向3和方向4转动角速度为ω₆，并驱动第一个机器人的履带，直到两个机器人和对接装置330在一条直线上。

步骤5：机器人系统的第一个机器人整体到达楼梯上壁的上方。如图4H，驱动两个机器人的履带，直到机器人系统和地面保持垂直并贴着楼梯前壁428，第二个机器人434后端的的杆臂436辅助机器人系统维持这一状态。

步骤6：机器人系统的第一个机器人攀爬上楼梯。如图4I，按照方向4转动对接装置430，使得第一个机器人424落在楼梯的上壁438。为了保证该步的平稳顺利实施，楼梯的最高高度h为：

h＝l+d

步骤7：机器人系统的第二个机器人沿楼梯前壁向上攀爬。如图4J-K，反方向转动第二个机器人后端的杆臂436，使其位于机器人两侧。按照方向1和3转动对接装置430，同时驱动两个机器人的履带，使得第二个机器人的前端440离开楼梯前壁428，后端442和楼梯前壁428保持接触，并沿着楼梯前壁328向上爬行，直到第二个机器人的后端342到达楼梯前壁328的顶部。设对接装置按方向1转动角速度为ω₃，按方向3转动角速度为2ω₃，则在对接装置按方向1转动了β(0≤β≤70°)角后，机器人和楼梯的接触点为O，接触点到方向3转动轴心的垂直和水平距离分别为d_y1和d_x1，接触点到方向1转动轴心的垂直和水平距离分别为d_y2和d_x2，接触点在水平和垂直方向上的运动速度为v_x3和v_y3，v_x3和v_y3分别是第一个和第二个履带车的履带运动速度：

v_x3＝-2ω₃d_y1+ω₃d_y2＝ω₃(dcosα-lsinβ)

v_y3＝2ω₃d_x1+ω₃d_x2＝ω₃((3l-d)sinβ+3r)

步骤8：机器人系统的第二个机器人的前端到达楼梯上壁的上方。如图4K-L，按照方向1和2转动对接装置430，同时驱动第一个机器人424的履带，使得第二个机器人434的前端440向楼梯移动。当第二个机器人和对接装置430成钝角时，第二个机器人的前半部分已经在楼梯上壁438的上面，并且第二个机器人434仅和楼梯上壁的边沿444接触。设对接装置按方向1转动角速度为ω₄，按方向2转动角速度为1.5ω₄，则在对接装置按方向1转动了γ(0＜γ＜40°)角后，机器人和楼梯的接触点为O，接触点到方向2转动轴心的垂直距离为d_y1，接触点到方向1转动轴心的垂直距离为d_y2，接触点在水平方向上的运动速度为v_x4，v_x4是第一个履带车的履带运动速度：

$v_{x4}=1.5{\mathrm{\ω}}_4{d}_{y1}+{\mathrm{\ω}}_4{d}_{y2}={\mathrm{\ω}}_4\left(\frac{5}{2}lsin\right(\frac{1}{9}\mathrm{\π}+\frac{5}{2}\mathrm{\γ})+dsin(\frac{8}{9}\mathrm{\π}+\mathrm{\γ}))$

步骤9：机器人系统攀爬上楼梯。如图4L-M，按照方向2和4转动对接装置，设对接装置按方向4转动角速度为ω₅，按方向2转动角速度为4ω₅，使两个机器人在一条直线上，驱动两个机器人的履带，使两个机器人均落在楼梯的上壁438，转动第二个机器人后端的杆臂436，使其恢复步骤(1)的初始状态。

步骤10：重复步骤1～9，继续下面楼梯的攀爬。

本发明通过转动两个履带式移动机器人之间连接的对接装置调整两个履带式移动机器人的运动方向，实现履带式移动机器人不同的运动方向，实现两个履带式移动机器人完成楼梯的攀爬。本发明通过两个履带式移动机器人的协作控制，攀爬楼梯的效率更高，可以实现更高楼梯的攀爬。本发明的控制方法，层次清晰，控制精确，运行稳定可靠。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1.一种履带式移动机器人协作攀爬楼梯控制方法，包括两个带有双杆臂的履带式移动机器人，所述履带式移动机器人包括随动导轮(408)和驱动轮(404)、包覆在所述随动导轮(408)和所述驱动轮(404)上的履带(406)；在所述驱动轮(404)上设置有可绕所述驱动轮(404)的轴心(416)转动的双杆臂(402)；其特征在于：在所述随动导轮(408)的轴心上设有可绕所述随动导轮(408)的轴心转动的对接装置；两个所述履带式移动机器人通过所述对接装置对接；通过所述对接装置的转动调整两个所述履带式移动机器人的运动方向实现楼梯的攀爬。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述通过对接装置的转动调整两个所述履带式移动机器人的运动方向实现楼梯的攀爬具体步骤如下：

步骤1：驱动至少一个履带式移动机器人的履带运动使第一个履带式移动机器人的前端接触楼梯前壁；转动第二个履带式移动机器人的双杆臂使其末点与第二个履带式移动机器人的末点连线与地面垂直；

步骤2：控制第一个履带式移动机器人的对接装置沿顺时针转动，使得第一个履带式移动机器人前端抬起，同时驱动两个履带式移动机器人的履带运动；

步骤3：控制第二个履带式移动机器人的对接装置沿逆时针转动，使得第一个履带式移动机器人后端抬起，同时驱动两个履带式移动机器人的履带运动；

步骤4：在第一个履带式移动机器人和第二个履带式移动机器人垂直时，控制第一个履带式移动机器人的对接装置沿逆时针转动，控制第二个履带式移动机器人的对接装置沿顺时针转动，使得第二个履带式移动机器人的前端抬起，同时驱动第一个机器人的履带运动，直到两个履带式移动机器人和对接装置在一条直线上；

步骤5：驱动两个履带式移动机器人的履带运动，直到两个履带式移动机器人与地面垂直，此时第二个履带式移动机器人的的双杆臂的末点与地面接触；

步骤6：控制第一个履带式移动机器人的对接装置沿逆时针转动，使得第一个履带式移动机器人落在楼梯台阶上；

步骤7：控制两个履带式移动机器人的对接装置均沿顺时针转动，同时驱动两个履带式移动机器人的履带，使得第二个履带式移动机器人的前端离开楼梯；后端和楼梯保持接触并沿着楼梯向上爬行，直到第二个履带式移动机器人的后端到达楼梯的顶部；

步骤8：控制第一个履带式移动机器人的对接装置沿顺时针转动，控制第二个履带式移动机器人的对接装置沿逆时针转动，同时驱动第一个履带式移动机器人的履带，使得第二个履带式移动机器人的前端向楼梯移动；至第二个履带式移动机器人和对接装置成钝角；

步骤9：控制两个履带式移动机器人的对接装置均沿逆时针转动，并驱动两个履带式移动机器人的履带，使两个履带式移动机器人均落在楼梯的上壁的同时两个履带式移动机器人在一条直线上；转动第二个履带式移动机器人后端的杆臂，使其恢复步骤1的状态；

步骤10：重复步骤1至步骤9，继续下面楼梯的攀爬。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述攀爬楼梯的的最高高度h为：h＝l+d；其中l为履带式移动机器人的随动导轮和驱动轮轴心间的距离，d为两个履带式移动机器人的随动导轮的轴心间的距离。