CN107444506B - 机器人附着式防倾覆装置及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明机器人附着式防倾覆装置涉及机器人技术领域，其目的是为了提供一种在不对机器人原有机械和电气结构做出调整的前提下，通过外挂安装方式来防止机器人发生倾覆的机器人附着式防倾覆装置，以提升机器人的稳定性和复杂地形适应能力。本发明机器人附着式防倾覆装置包括附着机构，可拆卸地与机器人连接；控制盒，与附着机构连接，控制盒内设置有控制单元和姿态检测机构；姿态检测机构，用于检测机器人的姿态信息并将姿态信息传输给控制单元；防倾覆机构，通过防倾覆机构的运动能够主动修正机器人姿态或被动支撑住机器人，防止机器人发生倾覆；驱动机构，与控制单元连接，用于驱动防倾覆机构运动；防倾覆机构通过驱动机构与控制盒连接。

Description

机器人附着式防倾覆装置及机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种机器人附着式防倾覆装置及机器人。

背景技术

近年来，履带式机器人由于有着通过性好、载重能力强等优点，在事故救援和灾情侦测方面得到了广泛应用。由于事故救援现场及灾区地形极为复杂，面临沟壑、陡坡、楼梯等各类道路崎岖的场景，因而履带机器人行进过程中极易倾覆，一旦发生倾覆，不仅会损坏机器人顶部外露设备，由于现有机器人靠自身力量难以翻转，将进一步使得侦测和救援任务失败，造成非常严重的后果。目前也有采用多节式履带结构或增加前后摆臂履带的设计来增强机器人的复杂地形适应能力，然而这些方法不仅会使机器人体积增大、重量增加，机械和电气结构以及控制系统也会更为复杂，成本很高，也降低了机器人的可靠性。另外，目前还没有好的方法来对现有机器人进行改进，以提高其防倾覆能力。如何在不增加原本机器人机械结构和控制系统复杂性的前提下，采用尽可能简便的方式提高履带式机器人的复杂地形适应能力和稳定性，防止履带式机器人发生倾覆，将是提升应急救援机器人环境适应性的一种思路，也是当前面临的一个技术难题。

发明内容

基于此，本发明要解决的技术问题是提供一种在不对机器人原有机械和电气结构做出调整的前提下，通过外挂安装方式来防止机器人发生倾覆的机器人附着式防倾覆装置，以提升机器人的稳定性和复杂地形适应能力。

一种机器人附着式防倾覆装置，包括：

附着机构，可拆卸地与机器人连接；

控制盒，与所述附着机构连接，所述控制盒内设置有控制单元和姿态检测机构，所述姿态检测机构，用于检测机器人的姿态信息并将所述姿态信息传输给控制单元；

防倾覆机构，通过所述防倾覆机构的运动能够主动修正机器人姿态或被动支撑住机器人，防止机器人发生倾覆；

驱动机构，与所述控制单元连接，用于驱动所述防倾覆机构运动；所述防倾覆机构通过驱动机构与所述控制盒连接。

在其中一个实施例中，所述附着机构包括相连接的卡钳结构和连接结构，所述连接结构与所述控制盒连接，所述卡钳结构与机器人可拆卸连接。

在其中一个实施例中，所述卡钳结构包括卡钳本体、分别设置在卡钳本体两端的底托和顶托，以及行程调节机构，所述顶托设置在卡钳本体上的行程槽内，且与所述底托相对设置，所述行程调节机构用于调节所述顶托与底托之间的距离。

在其中一个实施例中，所述行程调节机构包括行程调节旋钮和设置在行程槽内的齿条，所述齿条与所述顶托连接，所述行程调节旋钮上的齿轮与所述齿条配合驱动所述顶托移动。

在其中一个实施例中，所述顶托上设置有锁紧件，用于与机器人锁紧固定。

在其中一个实施例中，所述顶托与底托相对的一面上设置有锁紧垫片，所述底托与顶托相对的一面设置有衬块。

在其中一个实施例中，所述防倾覆机构包括雪橇式结构的摆臂，所述摆臂具有连接端和自由端，所述摆臂的连接端通过所述驱动机构与所述控制盒连接；所述摆臂的自由端为圆弧上翘结构。

在其中一个实施例中，所述摆臂并排设置有两个。

在其中一个实施例中，所述驱动机构包括二自由度舵机，所述二自由度舵机与所述防倾覆机构连接，所述二自由度舵机能够调节所述防倾覆机构的纵向偏转角度和横向偏转角度。

一种机器人，设置有至少上述任一项所述的机器人附着式防倾覆装置。

上述机器人附着式防倾覆装置，采用附着式安装方法与机器人进行连接，从电气和机械结构上来说与机器人本体均相对独立，可根据需要进行安装或拆除，也可以适配不同的机器人，具有很强的灵活性。不需要对现有机器人机械和电气结构进行调整，使用方便，成本低。

附图说明

图1为本发明机器人附着式防倾覆装置的系统图；

图2为本发明机器人附着式防倾覆装置的结构示意图；

图3为本发明机器人附着式防倾覆装置与机器人连接的结构示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为本发明机器人在俯仰方向可能发生倾覆时的机器人附着式防倾覆装置的工作示意图；

图6为本发明机器人在侧向方向可能发生倾覆时的机器人附着式防倾覆装置的工作示意图；

附图标记说明：

机器人100；履带110；

附着机构200；卡钳本体211；底托212；顶托213；行程调节旋钮221；齿条222；锁紧件231；锁紧垫片232；衬块233；控制盒安装托板241；固定螺栓242

控制盒300；姿态检测机构310；控制单元310；电源模块320；

驱动机构400；

防倾覆机构500；摆臂510。

具体实施方式

以下将结合说明书附图对本发明的具体实施方案进行详细阐述，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参照图1，本发明的一个实施例中的机器人附着式防倾覆装置，包括附着机构200、控制盒300、驱动机构400、防倾覆机构500。

附着机构200用于可拆卸地与机器人100连接。

控制盒300与附着机构200连接。控制盒300内设置有控制单元310和姿态检测机构310。姿态检测机构310用于检测机器人的姿态信息并将姿态信息传输给控制单元310。其中，姿态信息包括机器人的俯仰方向的俯仰角α、角速度、角加速度和侧倾时的侧倾角β、角速度、角加速度，当俯仰角α/角速度/角加速度或侧倾角β/角速度/角加速度达到或超过一定阈值时，表明机器人100将可能发生倾覆。优选地，姿态检测机构310为姿态传感器，选用九轴陀螺仪。控制单元310实时读取姿态传感器的数据，通过运行智能算法来对机器人的姿态进行预判，判断机器人是否会发生倾覆及可能的倾覆方向。若机器人可能发生倾覆，则输出相应的指令控制摆臂510在合适的角度支撑住地面，并对机器人姿态做出修正，控制单元310须具有实时计算能力，可选用STM32单片机或ARM单片机。

防倾覆机构500用于在机器人100可能发生倾覆的情况下采用主动或被动的方式修正机器人姿态或支撑住机器人，防止俯仰角α和侧倾角β进一步增大，从而避免机器人发生俯仰和侧向翻转。

驱动机构400与控制单元310连接，用于驱动防倾覆机构500运动。控制单元310根据姿态检测机构310检测到的姿态信息，控制防倾覆机构500的动作，通过不同方向的支撑来调整机器人的姿态，防止机器人倾覆。防倾覆机构500通过驱动机构400与控制盒300连接。防倾覆机构500与驱动机构400可采用螺纹连接固定。

上述的机器人附着式防倾覆装置采用附着式安装方法与机器人100进行连接，从电气和机械结构上来说与机器人本体均相对独立，可根据需要进行安装或拆除，也可以适配不同的机器人，具有很强的灵活性，且不需要对现有机器人机械和电气结构进行调整，使用方便，成本低。

在一个实施例中，参照图2-图4，附着机构200包括相连接的卡钳结构和连接结构，连接结构与控制盒300连接，卡钳结构与机器人可拆卸连接。连接结构具体包括控制盒安装托板241和固定螺栓242，控制盒安装托板241与控制盒300的底面贴合，通过四个固定螺栓242连接固定。

具体地，卡钳结构包括卡钳本体211、分别设置在卡钳本体211两端的底托212和顶托213，以及行程调节机构。卡钳本体211与控制盒安装托板241连接，且与控制盒300的一侧面紧贴。顶托213活动设置在卡钳本体211上的行程槽内，且与底托212相对设置。顶托213和底托212用于夹持机器人。行程调节机构用于调节顶托213与底托212之间的距离，从而使得防倾覆装置可以安装在不同尺寸的机器人上。

具体地，行程调节机构包括行程调节旋钮221和设置在行程槽内的齿条222，齿条222与顶托213连接，行程调节旋钮221上的齿轮与齿条222配合驱动顶托213移动，以调节行程。

进一步地，顶托213上还设置有锁紧件231，用于与机器人锁紧固定。锁紧件231优选为锁紧螺母。顶托213与底托212相对的一面上设置有锁紧垫片232，底托212与顶托213相对的一面设置有衬块233。锁紧垫片232和衬块233均由软质PVC材料或阻燃耐磨的橡胶材料制成，用于附着机构200与机器人本体之间紧固后的缓冲。锁紧螺母与锁紧垫片232相连接，锁紧螺母设置有两个，通过锁紧螺母旋扭使锁紧垫片232与机器人紧固。

在一个实施例中，防倾覆机构500包括雪橇式结构的摆臂510，摆臂510具有连接端和自由端，摆臂510的连接端通过驱动机构400与控制盒300连接。摆臂510的自由端为圆弧上翘结构。有利于摆臂510平缓地与底面支撑接触，同时加大与底面的接触面积，支撑效果更好。根据不同的地形选用不同尺寸的摆臂510。雪橇式结构的摆臂510可采用碳纤维材质，具有重量轻、耐高温、耐低温、耐腐蚀，且弹性模量大，因而碳纤维摆臂非常适用于危化品事故侦测机器人。

进一步地，如图4所示，摆臂510并排设置有两个，增加了支撑点和支撑范围，进一步增强了支撑效果。

具体地，驱动机构400包括大扭矩的二自由度舵机，二自由度舵机与摆臂510的连接端连接，可以采用卡套式连接或螺栓连接。二自由度舵机能够调节摆臂510纵向偏转角度和横向偏转角度。为了确保摆臂510角度的精确控制，采用的舵机由精密步进电机驱动。

另外，为驱动机构400、控制单元310和姿态检测机构310供电的电源模块320，主要包含锂电池和电源管理器。从轻量化的角度来考虑，优先选用能量密度高、安全性能好的锂聚合物电池。电源管理器主要实现电压变换和过流保护功能，将锂电池供电电压变换为分别适合于九轴陀螺仪、控制单元310和驱动机构400的电压。

在同一个机器人上，可根据实际需要在前部、后部或侧方安装多套机器人附着式防倾覆装置。为了尽可能不对机器人重心造成大的影响，整个附着式防倾覆装置采用新型轻量化材料制作，在机器人上附着安装时也采用对称的方式进行安装。

防倾覆装置具有两种工作模式，既能被动支撑机器人，也能在发生危险的情况下自动调节摆臂510施放的角度和方向来"主动"地修正机器人姿态，以防止其发生倾覆。

在自动防倾覆模式下，陀螺仪将机器人俯仰角α/侧倾角β及俯仰角α加速度/侧倾角β加速度传入控制器，控制器根据特殊的智能判断算法对机器人倾覆趋势作出预判，当机器人俯仰角α/侧倾角β及俯仰角α加速度/侧倾角β加速度达到一定阈值，控制器判断机器人可能发生倾覆时，给摆臂510执行机构发送指令，驱动防倾覆摆臂510在可能发生倾覆的方向伸出，在此方向上支撑住地面，并动过驱动机构400动作来修正机器人姿态，防止机器人进一步向该方向倾覆，使得机器人能够对紧急情况自动作出反应，提升了机器人的自主性。

在被动防倾覆模式下，根据设定的倾覆阈值，调节摆臂510的角度，该角度和和方向应使得机器人在当前地形下行进时，俯仰角α或侧倾角β达到倾覆极限的情况下能够触及地面，以支撑住机器人，防止俯仰角α或侧倾角β进一步增大，从而有效防止机器人发生倾覆。

图5和图6分别列举了机器人可能在俯仰方向和侧向发生倾覆时的防倾覆装置工作示意图。

在使用单个机器人附着式防倾覆装置时，防倾覆装置优先安装在机器人后部，且安装在其轴线位置处，即在机器人的两条履带110中间位置，这样有两个好处：一是能确保附着式防倾覆装置对机器人轴向重心不会产生影响，二是能使得防倾覆摆臂510无论从左侧或右侧都能达到相同的支撑范围。

如图5所示，在机器人爬陡坡过程中，如果俯仰角α、角速度、角加速度超过一定程度，机器人可能向后向翻倾，控制单元310根据接收到的机器人姿态信息数据对倾覆状况作出预判，并给二自由度舵机发出控制指令，使得防倾覆摆臂510下压贴近地面支撑住机器人，防止其后倾。

如图6所示，在机器人通过侧向斜坡时，如果侧倾角β、角速度、角加速度超过一定程度，机器人可能发生侧翻，控制器对侧翻作出预判，并控制防倾覆的摆臂510向可能倾覆的方向动作，并下压贴近地面支撑住机器人，防止其侧倾。

如上只是两个简单的实例，可根据实际需求，在机器人前部、后部、左侧、右侧等部位安装多个防倾覆装置。需要注意的是，安装时需确保防倾覆装置自带的姿态检测机构能真实反映机器人的姿态，即其反映机器人俯仰和侧倾的两个轴线应分别对准机器人的前进方向和右侧方。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种机器人附着式防倾覆装置，其特征在于，包括：

附着机构，可拆卸地与机器人连接；

控制盒，与所述附着机构连接，所述控制盒内设置有控制单元和姿态检测机构，所述姿态检测机构，用于检测机器人的姿态信息并将所述姿态信息传输给控制单元；

防倾覆机构，通过所述防倾覆机构的运动能够主动或被动支撑住机器人，防止机器人发生倾覆；所述防倾覆机构包括摆臂，所述摆臂并排设置有两个；两个所述摆臂并排设置同一侧；

驱动机构，与所述控制单元连接，用于驱动所述防倾覆机构运动；所述防倾覆机构通过驱动机构与所述控制盒连接；

所述防倾覆机构包括雪橇式结构的摆臂，所述摆臂具有连接端和自由端，所述摆臂的连接端通过所述驱动机构与所述控制盒连接；所述摆臂的自由端为圆弧上翘结构。

2.根据权利要求1所述的机器人附着式防倾覆装置，其特征在于，所述附着机构包括相连接的卡钳结构和连接结构，所述连接结构与所述控制盒连接，所述卡钳结构与机器人可拆卸连接。

3.根据权利要求2所述的机器人附着式防倾覆装置，其特征在于，所述卡钳结构包括卡钳本体、分别设置在卡钳本体两端的底托和顶托，以及行程调节机构，所述顶托活动设置在卡钳本体上的行程槽内，且与所述底托相对设置，所述行程调节机构用于调节所述顶托与底托之间的距离。

4.根据权利要求3所述的机器人附着式防倾覆装置，其特征在于，所述行程调节机构包括行程调节旋钮和设置在行程槽内的齿条，所述齿条与所述顶托连接，所述行程调节旋钮上的齿轮与所述齿条配合驱动所述顶托移动。

5.根据权利要求3所述的机器人附着式防倾覆装置，其特征在于，所述顶托上设置有锁紧件，用于与机器人锁紧固定。

6.根据权利要求5所述的机器人附着式防倾覆装置，其特征在于，所述顶托与底托相对的一面上设置有锁紧垫片，所述底托与顶托相对的一面设置有衬块。

7.根据权利要求1所述的机器人附着式防倾覆装置，其特征在于，所述驱动机构包括二自由度舵机，所述二自由度舵机与所述防倾覆机构连接，所述二自由度舵机能够调节所述防倾覆机构的纵向偏转角度和横向偏转角度。

8.一种机器人，其特征在于，设置有至少一个如权利要求1-7任一项所述的机器人附着式防倾覆装置。

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