CN107457767A - 一种紧急避障机器人及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧急避障机器人及其设计方法。该机器人包括底盘、置于底盘重心两侧的第一驱动轮、第二驱动轮、分别为第一驱动轮和第二驱动轮提供驱动力的第一驱动装置和第二驱动装置、避障传感器和中央处理器；在机器人的最大行驶速度V_t为定值时，底盘重心到底盘前方边缘的距离s至少等于在底盘重心到底盘前方边缘的距离s为定值时，机器人的最大行驶速度V_t不大于本发明方案可以解决紧急避障时由于惯性导致的机器人的损坏的问题，保障机器人的安全性和稳定性；机器人也可实现加速运行，且在硬件上不需要额外的配置，降低设计难度，减少设计成本。

Description

一种紧急避障机器人及其设计方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种紧急避障机器人及其设计方法。

背景技术

近年来机器人的发展比较迅速，其可实现很多的功能，例如，避障功能，给用户带来良好的体验。在避障过程中，不排除紧急避障的情况，例如当机器人在匀速尤其加速状态遇见障碍或者前方出现悬空的情况下需要立即停止；这种情况下，由于惯性的存在，机器人还是会继续前进或身体前倾，这就会导致机器人重心失衡发生碰撞或者掉落。

现有技术中，为了解决上述问题，设计的机器人通常都是在比较慢和接近匀速的状态下运行，或者在机器人底盘后方都会加入铁块增加稳定性来解决，一方面机器人只能以慢速和匀速进行运动，会降低用户体验；另一方面，添加铁块也会给机器人(特别是体积较小的机器人)的各方面设计带来困难，也会增加设计成本。

所以，急需一种机器人或者机器人的设计方案可以保障机器人在紧急避障状态下的安全性。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明的一种紧急避障机器人及其设计方法，以便解决或至少部分地解决上述问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种紧急避障机器人，所述机器人包括底盘、置于底盘重心两侧的第一驱动轮、第二驱动轮、分别为所述第一驱动轮和第二驱动轮提供驱动力的第一驱动装置和第二驱动装置、避障传感器和中央处理器；所述避障传感器被配置为采集所述机器人前方的障碍物信号并发送给所述中央处理器；所述中央处理器被配置为根据所述障碍物信号生成紧急避障命令，控制所述第一驱动装置停止向所述第一驱动轮提供驱动力以及控制所述第二驱动装置停止向所述第二驱动轮提供驱动力，直至所述机器人减速至零；

在所述机器人的最大行驶速度V_t为定值时，所述机器人的底盘重心到所述底盘前方边缘的距离s至少等于

在所述机器人的底盘重心到所述底盘前方边缘的距离s为定值时，所述机器人的最大行驶速度V_t不大于

其中，所述底盘重心与所述机器人的重心一致；t为所述机器人在进行紧急避障操作时从发现障碍到速度停止的时间，根据多次统计实验获取得到。

根据本发明的另一个方面，提供了一种紧急避障机器人的设计方法，其特征在于，所述机器人包括底盘、置于底盘重心两侧的第一驱动轮、第二驱动轮、分别为所述第一驱动轮和第二驱动轮提供驱动力的第一驱动装置和第二驱动装置、避障传感器和中央处理器；所述避障传感器被配置为采集所述机器人前方的障碍物信号并发送给所述中央处理器；所述中央处理器被配置为根据所述障碍物信号生成紧急避障命令，控制所述第一驱动装置停止向所述第一驱动轮提供驱动力以及控制所述第二驱动装置停止向所述第二驱动轮提供驱动力，直至所述机器人减速至零；所述方法包括：

在所述机器人的最大行驶速度V_t为定值时，设计所述机器人的底盘重心到所述底盘前方边缘的距离s至少等于

在所述机器人的底盘重心到所述底盘前方边缘的距离s为定值时，设计所述机器人的最大行驶速度V_t不大于

其中，所述底盘重心与所述机器人的重心一致；t为所述机器人在进行紧急避障操作时从发现障碍到速度停止的时间，根据多次统计实验获取得到。

综上所述，本技术方案根据机器人的底盘重心到底盘前方边缘的距离、机器人的最大速度、以及紧急避障时从发现障碍到速度停止时间三者的关系，对机器人进行设计。基于的设计原理是：进行紧急避障时，若机器人重心的移动距离小于机器人的底盘重心到底盘前方边缘的距离，可以有效避免机器人在紧急避障时的重心失衡。本技术方案有效解决了紧急避障时由于惯性导致的机器人的损坏的问题，保障了机器人的安全性和稳定性；对机器人的运行状态不限定，加速运行的机器人也可实现紧急避障，且在硬件上不需要额外的配置，降低设计难度，减少设计成本。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种紧急避障机器人的功能结构示意图；

图2为本发明一个实施例提供的一种紧急避障机器人的仰视结构图；

图3为本发明一个实施例提供的一种紧急避障机器人的设计方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明的涉及思路是：本技术方案根据机器人的底盘重心到底盘前方边缘的距离、机器人的最大速度、以及紧急避障时从发现障碍到速度停止时间三者的关系，对机器人进行设计，保证机器人在紧急避障时，其重心的移动距离小于机器人的底盘重心到底盘前方边缘的距离，可以避免机器人在紧急避障时由于惯性导致的重心失衡而损坏的问题。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。在下述的具体实施方式中，第一驱动轮和第二驱动轮分别位于机器人的左右两侧，称为左驱动轮和右驱动轮。那么，第一驱动装置则为左驱动装置，第二驱动装置则为右驱动装置。但需要说明的是，在本发明的方案中第一驱动轮和第二驱动轮的位置关系不应作具体限定，左右关系只是本发明的一个优选实施例。

图1为本发明一个实施例提供的一种紧急避障机器人的功能结构示意图。如图1所示，该机器人100包括：

底盘110、置于底盘重心两侧的左驱动轮120、右驱动轮130、分别为左驱动轮和右驱动轮提供驱动力的左驱动装置121和右驱动装置131、避障传感器140和中央处理器150；避障传感器140被配置为采集机器人前方的障碍物信号并发送给中央处理器150；中央处理器150被配置为根据障碍物信号生成紧急避障命令，控制左驱动装置121停止向左驱动轮120提供驱动力以及控制右驱动装置131停止向右驱动轮130提供驱动力，直至机器人减速至零。

图2为本发明一个实施例提供的一种紧急避障机器人的仰视结构图。因为图2为机器人的仰视图，在图中只显示了底盘110、左驱动轮120和右驱动轮130。在本实施例中，底盘110为圆形，该机器人有两种情况，具体如下：

(1)在机器人的最大行驶速度V_t为定值时，底盘110的重心到底盘110正前方边缘的距离s至少等于

(2)在底盘110重心到底盘前方边缘的距离s为定值时，机器人的最大行驶速度V_t不大于

其中，因为本是实施例基于的原理是进行紧急避障时，若机器人重心的移动距离小于机器人的底盘重心到底盘前方边缘的距离，可以有效避免机器人在紧急避障时的重心失衡。为准确的判断机器人重心的移动距离，机器人的底盘重心与机器人的重心一致，这样就可以通过底盘重心到底盘前方边缘的距离表示机器人重心的移动距离；t为机器人在进行紧急避障操作时从发现障碍到速度停止的时间，即机器人的避障传感器140从发现障碍到反馈停止的时间以及驱动轮从当前速度减速至零所需的时间之和，该值主要是根据多次统计实验获取得到的一个合理值，实验方法可以采用现有技术中的方法。

在本实施例中的机器人的结构设计、设定的最大行驶速度以及从发现障碍到速度停止的时间存在一定的关系，这是因为，机器人在紧急避障时，例如在遇见机器人前方悬空状态时，应该是驱动轮失去驱动力从当前速度减速至零的过程，这个过程的用时很短，如果机器人太小，且速度过大时，机器人容易因为惯性引起重心失衡，而导致摔倒或跌落。为防止在机器人紧急避障时由于惯性引起的重心失衡，考虑到只要在机器人紧急避障时从当前速度减速至零的过程中，机器人的重心移动的距离在底盘110的重心到底盘110正前方边缘的距离的范围内即可，此过程和机器人当前速度、底盘110的重心到底盘110正前方边缘的距离和机器人的从发现障碍到速度停止的时间有关。具体可以根据牛顿第二定律进行上述三者关系的确定。

由牛顿第二定律可知，在极限情况下，即机器人重心移动的距离恰好等于底盘110的重心到底盘110正前方边缘的距离时，

v_t ²-v₀ ²＝2as

其中，s机器人的重心移动的距离，因为机器人的重心和底盘110的重心是一致的，底盘是一个圆形，所以s应该为底盘110的重心到底盘110正前方边缘的距离，如图2所示；v_o为机器人在紧急避障时结束时的速度，此速度为零，即速度停止；v_t为机器人在发现障碍时的当前行驶速度；a为加速度，因为机器人在紧急避障时，已经停止向驱动轮提供驱动力，所以这里的加速度应该与机器人本身的质量有关系；t从发现障碍到速度停止的时间，是根据多次统计实验获取得到的一个合理值。

因为v_o＝0，所以上述的两个公式可以简化为：

v_t ²＝2as

上述公式经过消除a的化简，可以得到：即机器人的底盘重心到底盘前方边缘的距离、机器人的最大速度、以及紧急避障时从发现障碍到速度停止时间三者的关系。

因为上述推导过程是基于机器人重心移动的距离恰好等于底盘110的重心到底盘110正前方边缘的距离的情况下，但是在最终的机器人设计时，只要满足即可。

因为t是通过实验得到的一个合理值，这个合理值对于该类型的机器人应该是普遍适用的，可认为是已知的。那么在进行机器人的设计时，首先根据机器人的设计需求，判断机器人的底盘的大小是否固定，即s是否固定值，如果s固定，那么由上述公式可知，设定的机器人的最大行驶速度应该不大于如果机器人的底盘的大小不是固定的，但机器人最大行驶速度v_t为定值时，可以确定机器人的底盘重心到底盘前方边缘的距离s至少等于

可见，本技术方案根据机器人的底盘重心到底盘前方边缘的距离、机器人的最大速度、以及紧急避障时从发现障碍到速度停止时间三者的关系，对机器人进行设计，其重心的移动距离小于机器人的底盘重心到底盘前方边缘的距离，有效避免机器人在紧急避障时的重心失衡，进而解决紧急避障时由于惯性导致的机器人的损坏的问题，保障了机器人的安全性和稳定性；机器人也可实现加速运行，且在硬件上不需要额外的配置，降低设计难度，减少设计成本。

在本发明的一个实施例中，避障传感器140为红外传感器。

目前机器人主要通过红外线或者超声波来判断是否有障碍，超声波主要检测前方障碍，红外可以检测下方悬空和前方障碍。超声波在较远距离就可以发现障碍，这个时候无论匀速或者加速都有足够时间逐渐降速停止运行，不会受惯性影响发生意外，但它的缺点是由于超声波检测距离较远，机器人停止的时候距离障碍还有一段距离，这样就不够人性化因为用户希望它往前再走一段距离然后再停止；同时超声波检测是以一种波形环状扩展的形式检测障碍而不是和红外一样以直线检测，这样在复杂的环境下容易误判障碍而停止，如在左前方或者右前方有障碍其实并不影响它直线前行。

所以，基于本实施例中的紧急避障机器人来说，可以实现例如悬空的避障，这样情况下，只能用红外检测而不能用超声波检测，所以在本实施例中，避障传感器140为红外传感器。

在本发明的一个实施例中，为保障机器人在最短的时间发现障碍，在避障传感器140设置于与左驱动轮和右驱动轮的连接线的中垂面上且位于机器人身体的最前方。

在本实施例中，这里左驱动轮和右驱动轮的连接线的中垂面是与地面垂直，且与机器人身体的前方有交线，那么避障传感器140就设置在该交线上，因为机器人身体的前方不一定就是一个平面，即交线不一定是一个直线，所以避障传感器140不仅仅设置在上述的交线上，还应该是交线上的机器人身体的最前方的位置。

在机器人进行紧急避障时，为了使得机器人可以更快速的减速至零。在本发明的一个实施例中，中央处理器150，还被配置为判断机器人的当前速度是否小于预设阈值，若判断为是，则控制左驱动装置向左驱动轮提供反向驱动力以及控制右驱动装置向右驱动轮提供反向驱动力，直至机器人减速至零。

本实施例中，只有在速度降低至一定值的时候，才进行反向驱动力的提供，一方面对驱动轮进行保护，另一方面，可以使反向驱动力产生的效果可以更快的体现出来，防止资源的浪费。这里的反向指的是与机器人当前的前进方向相反的方向。在正常的减速过程中应该是依靠机器人本身的加速度进行减速，如果给驱动轮施加一个相反的驱动力后，驱动轮可以进行反向旋转，可以使得机器人前进的速度更快降至零。

本发明还提供了一种紧急避障机器人的设计方法。该方法适用的机器人包括底盘、置于底盘重心两侧的左驱动轮、右驱动轮、分别为左驱动轮和右驱动轮提供驱动力的左驱动装置和右驱动装置、避障传感器和中央处理器；避障传感器被配置为采集机器人前方的障碍物信号并发送给中央处理器；中央处理器被配置为根据障碍物信号生成紧急避障命令，控制左驱动装置停止向左驱动轮提供驱动力以及控制右驱动装置停止向右驱动轮提供驱动力，直至机器人减速至零。该方法包括：

在机器人的最大行驶速度V_t为定值时，设计底盘重心到底盘前方边缘的距离s至少等于

在底盘重心到底盘前方边缘的距离s为定值时，设计机器人的最大行驶速度V_t不大于

其中，底盘重心与机器人的重心一致；t为机器人在进行紧急避障操作时从发现障碍到速度停止的时间，根据多次统计实验获取得到。

图3为本发明一个实施例提供的一种紧急避障机器人的设计方法的流程示意图。如图3所示，该方法包括：

步骤S310，在设计机器人之初，根据机器人的需求，判断机器人的底盘重心到底盘前方边缘的距离s是否设计为定值。

步骤S320，如果判断为否，则设计底盘重心到底盘前方边缘的距离s至少等于

步骤S330，如果判断为是，则设计机器人的最大行驶速度V_t不大于

在本发明的一个实施例中，将避障传感器设计为红外传感器，设置在机器人身体的最前方。

在本发明的一个实施例中，将所述避障传感器设置于与所述左驱动轮和所述右驱动轮的连接线的中垂面上且位于所述机器人身体的最前方。

在本发明的一个实施例中，设计中央处理器，还被配置为判断所述机器人的当前速度是否小于预设阈值，若判断为是，则控制所述左驱动装置向所述左驱动轮提供反向驱动力以及控制所述右驱动装置向所述右驱动轮提供反向驱动力，直至所述机器人减速至零。

综上所述，本技术方案根据机器人的底盘重心到底盘前方边缘的距离、机器人的最大速度、以及紧急避障时从发现障碍到速度停止时间三者的关系，对机器人进行设计。基于的设计原理是：进行紧急避障时，若机器人重心的移动距离小于机器人的底盘重心到底盘前方边缘的距离，可以有效避免机器人在紧急避障时的重心失衡。本技术方案有效解决了紧急避障时由于惯性导致的机器人的损坏的问题，保障了机器人的安全性和稳定性；对机器人的运行状态不限定，加速运行的机器人也可实现紧急避障，且在硬件上不需要额外的配置，降低设计难度，减少设计成本。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种紧急避障机器人，所述机器人包括底盘、置于底盘重心两侧的第一驱动轮、第二驱动轮、分别为所述第一驱动轮和第二驱动轮提供驱动力的第一驱动装置和第二驱动装置、避障传感器和中央处理器；所述避障传感器被配置为采集所述机器人前方的障碍物信号并发送给所述中央处理器；所述中央处理器被配置为根据所述障碍物信号生成紧急避障命令，控制所述第一驱动装置停止向所述第一驱动轮提供驱动力以及控制所述第二驱动装置停止向所述第二驱动轮提供驱动力，直至所述机器人减速至零；其特征在于，

在所述机器人的最大行驶速度V_t为定值时，所述机器人的底盘重心到底盘前方边缘的距离s至少等于

在所述机器人的底盘重心到底盘前方边缘的距离s为定值时，所述机器人的最大行驶速度V_t不大于

其中，所述底盘重心与所述机器人的重心一致；t为所述机器人在进行紧急避障操作时从发现障碍到速度停止的时间，根据多次统计实验获取得到。

2.如权利要求1所述的紧急避障机器人，其特征在于，所述避障传感器为红外传感器。

3.如权利要求1或2所述的紧急避障机器人，其特征在于，

所述避障传感器设置于与所述第一驱动轮和所述第二驱动轮的连接线的中垂面上且位于所述机器人身体的最前方。

4.如权利要求1所述的紧急避障机器人，其特征在于，所述中央处理器，还被配置为判断所述机器人的当前速度是否小于预设阈值，若判断为是，则控制所述第一驱动装置向所述第一驱动轮提供反向驱动力以及控制所述第二驱动装置向所述第二驱动轮提供反向驱动力，直至所述机器人减速至零。

5.一种紧急避障机器人的设计方法，其特征在于，所述机器人包括底盘、置于底盘重心两侧的第一驱动轮、第二驱动轮、分别为所述第一驱动轮和第二驱动轮提供驱动力的第一驱动装置和第二驱动装置、避障传感器和中央处理器；所述避障传感器被配置为采集所述机器人前方的障碍物信号并发送给所述中央处理器；所述中央处理器被配置为根据所述障碍物信号生成紧急避障命令，控制所述第一驱动装置停止向所述第一驱动轮提供驱动力以及控制所述第二驱动装置停止向所述第二驱动轮提供驱动力，直至所述机器人减速至零；其特征在于，所述方法包括：

在所述机器人的最大行驶速度V_t为定值时，设计所述机器人的底盘重心到底盘前方边缘的距离s至少等于

在所述机器人的底盘重心到底盘前方边缘的距离s为定值时，设计所述机器人的最大行驶速度V_t不大于

其中，所述底盘重心与所述机器人的重心一致；t为所述机器人在进行紧急避障操作时从发现障碍到速度停止的时间，根据多次统计实验获取得到。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述避障传感器设计为红外传感器。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，

将所述避障传感器设置于与所述第一驱动轮和所述第二驱动轮的连接线的中垂面上且位于所述机器人身体的最前方。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述中央处理器，还被配置为判断所述机器人的当前速度是否小于预设阈值，若判断为是，则控制所述第一驱动装置向所述第一驱动轮提供反向驱动力以及控制所述第二驱动装置向所述第二驱动轮提供反向驱动力，直至所述机器人减速至零。