CN109850021A - 一种机器人爬坡的驱动力控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人爬坡的驱动力控制装置，具体涉及机器人领域，包括牵引头，所述牵引头一侧活动连接有箱体，所述牵引头底部设有牵引轮，所述箱体底部设有主动轮和从动轮，所述主动轮和从动轮外侧均固定连接有定齿轮，所述主动轮远离定齿轮的一侧设有驱动电机，所述驱动电机输出轴传动连接主动轮。本发明通过光电传感器感测地面坡度，当坡度达到设定值时，电动推杆推动爬坡机构下降，履带接触地面，增大摩擦力，定齿轮与第一齿条环啮合，使主动轮传动动轮盘，方便履带运动，爬坡时单片机控制变频调速器，限制驱动电机转速，降低机器人速度，防止机器人倾倒，减少装置磨损，平整路段时，主动轮和从动轮牵引箱体，提高机器人运行速度。

Description

一种机器人爬坡的驱动力控制装置

技术领域

本发明涉及机器人领域，更具体地说，本发明涉及一种机器人爬坡的驱动力控制装置。

背景技术

机器人在日常的生产生活中得到更广泛的应用，在工业、医疗、服务等领域发挥着重要作用。在机器人行走过程中，爬坡必不可少，机器人在进行爬坡时，由于坡度变化，导致机器人自身的倾斜角度随之发生变化。

专利申请公布号CN 108860364 A的中国专利公开了一种基于抗倾倒的爬坡运输机器人，包括主处理控制器和角度传感器，第一支撑结构与第二支撑结构之间设有第一固定结构；第一固定结构的一侧固定连接有第一伸缩装置，第一固定结构的另一侧固定连接有第二伸缩装置；第一固定结构上固定连接有第二固定结构；第二固定结构上装设有驱动轮结构。本发明通过在机器人本体上设置角度传感器来监测机器人所行走的坡面角度，在机器人爬坡时，伸缩装置对伸缩机构进行驱动伸缩，从而带动行走轮进行位置调节，有效防止爬坡机器人发生倾倒；通过在第一固定结构上设置动力装置，在第二固定结构上设置驱动轮，提升了机器人爬坡时的稳固性。

但是上述技术方案中提供的一种基于抗倾倒的爬坡运输机器人在实际运用时，仍旧存在较多缺点，如行走轮抓地不牢，与地面摩擦力小，容易发生滑动，影响爬坡，没有爬坡时的速度控制，不利于机器人工作的稳定性。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种机器人爬坡的驱动力控制装置，通过光电传感器感测牵引头与地面的倾角，判断坡度，当坡度达到设定坡度时，电动推杆推动提升架使爬坡机构下降，履带与地面接触，增大摩擦力，定齿轮与第一齿条环啮合，从而使主动轮传动动轮盘，方便履带运动，爬坡时单片机控制变频调速器，限制驱动电机转速，从而降低机器人速度，防止机器人倾倒，减少装置磨损，平整路段时，主动轮和从动轮牵引箱体，提高机器人运行速度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种机器人爬坡的驱动力控制装置，包括牵引头，所述牵引头一侧活动连接有箱体，所述牵引头底部设有牵引轮，所述箱体底部设有主动轮和从动轮，所述主动轮和从动轮外侧均固定连接有定齿轮，所述主动轮远离定齿轮的一侧设有驱动电机，所述驱动电机输出轴传动连接主动轮，所述箱体两侧均设有爬坡机构，所述爬坡机构包括两个水平设置的固定三角架，两个所述固定三角架之间固定连接有提升架，所述箱体两侧均固定连接有电动推杆，所述电动推杆输出端与提升架固定连接，所述固定三角架顶端设有动轮盘，所述固定三角架底部两端均设有动撑轮，所述动轮盘和两个动撑轮外侧之间连接有履带，所述动轮盘中部设有凹形环槽，所述凹形环槽外侧设有第一齿条环，所述动轮盘外侧设有第二齿条环，所述牵引头内部设有电源模块、感知系统和控制系统，所述箱体内部设有执行系统，所述感知系统、控制系统和执行系统均与电源模块电性连接，所述感知系统、控制系统和执行系统分别用于机器人实时路况采集、智能判断及决策和运行调整；

所述感知系统包括感知电路，所述牵引头远离箱体的一侧底部设有超声波传感器，所述超声波传感器顶部设有光电传感器，所述光电传感器两侧均设有摄像头，所述超声波传感器、光电传感器和摄像头均与感知电路电性连接；

所述控制系统包括控制电路，所述控制电路连接端设有单片机和编程器，所述单片机内部设有计时单元，所述计时单元用于计算牵引头倾斜超过设定角时间，所述编程器用于人工输入设定程序和输出编程命令；

所述执行系统包括控制电路，所述控制电路连接端设有调速机构和避障机构，所述爬坡机构与控制电路电性连接，所述调速机构包括变频调速器，所述变频调速器与驱动电机电性连接。

在一个优选地实施方式中，所述避障机构包括转向电机和转向轴，所述转向电机输出轴传动连接转向轴，所述转向轴与牵引头一体化设置，所述转向轴与箱体转动连接。

在一个优选地实施方式中，所述箱体两侧均固定连接有固定块，所述固定块底部固定连接有限位杆，所述限位杆外侧套设有减震弹簧，所述限位杆贯穿提升架，所述减震弹簧设置在固定块与提升架之间。

在一个优选地实施方式中，所述电动推杆的数量设置为两个，两个所述电动推杆对称分布在提升架两端，所述电动推杆一侧设有滑槽，所述提升架靠近箱体的一侧设有滑块，所述滑槽与滑块相匹配。

在一个优选地实施方式中，所述光电传感器设置在牵引头的垂直平分线上，两个所述摄像头对称分布在光电传感器两侧，所述驱动电机设置为无刷电机。

在一个优选地实施方式中，所述定齿轮与凹形环槽相匹配，所述定齿轮与第一齿条环相啮合，所述动撑轮外侧设有第二齿条环，所述第二齿条环与履带内侧啮合连接。

在一个优选地实施方式中，所述单片机输入端设有A/D转换器，所述单片机输出端设有D/A转换器，所述超声波传感器、光电传感器和摄像头均与A/D转换器电性连接，所述电动推杆、变频调速器和转向电机均与D/A转换器电性连接。

本发明的技术效果和优点：

1、通过光电传感器感测牵引头与地面的倾角，判断坡度，当坡度达到设定坡度时，电动推杆推动提升架使爬坡机构下降，履带与地面接触，增大摩擦力，定齿轮与第一齿条环啮合，从而使主动轮传动动轮盘，方便履带运动，爬坡时单片机控制变频调速器，限制驱动电机转速，从而降低机器人速度，防止机器人倾倒，减少装置磨损，平整路段时，主动轮和从动轮牵引箱体，提高机器人运行速度；

2、通过超声波传感器感测牵引头前方路况，并使用摄像头拍摄实时图像，将路况信息发送给单片机，当牵引头前方出现障碍物，单片机根据实时图像和超声波传感器感测障碍距离分析避障路线，单片机控制转向电机工作，转向电机输出轴传动连接转向轴使牵引头调整角度，避开障碍物，保证机器人正常运行；

3、通过两个摄像头对称分布在超声波传感器两侧，方便观察前方路况，扩大视角，减少盲区，有利于提高机器人的控制精度，计时模块头计算牵引头过角时间，配合摄像头观测爬坡长度，避免小坡对机器人的干扰，限位杆贯穿提升架并配合减震弹簧，有利于保证爬坡机构升降稳定性，同时缓冲减震，延长装置使用寿命。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的整体俯视图。

图3为本发明定齿轮与动轮盘的连接结构示意图。

图4为本发明图1的A部结构放大图。

图5为本发明的系统机构框图。

图6为本发明的控制系统结构示意图

附图标记为：1牵引头、2箱体、3牵引轮、4主动轮、5从动轮、6定齿轮、7驱动电机、8固定三角架、9提升架、10电动推杆、11动轮盘、12动撑轮、13履带、14凹形环槽、15电源模块、16感知系统、17控制系统、18执行系统、19超声波传感器、20光电传感器、21摄像头、22单片机、23编程器、24变频调速器、25转向电机、26转向轴、27限位杆、28减震弹簧、29滑槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

根据图1-6所示的一种机器人爬坡的驱动力控制装置，包括牵引头1，所述牵引头1一侧活动连接有箱体2，所述牵引头1底部设有牵引轮3，所述箱体2底部设有主动轮4和从动轮5，所述主动轮4和从动轮5外侧均固定连接有定齿轮6，所述主动轮4远离定齿轮6的一侧设有驱动电机7，所述驱动电机7输出轴传动连接主动轮4，所述箱体2两侧均设有爬坡机构，所述爬坡机构包括两个水平设置的固定三角架8，两个所述固定三角架8之间固定连接有提升架9，所述箱体2两侧均固定连接有电动推杆10，所述电动推杆10输出端与提升架9固定连接，所述固定三角架8顶端设有动轮盘11，所述固定三角架8底部两端均设有动撑轮12，所述动轮盘11和两个动撑轮12外侧之间连接有履带13，所述动轮盘11中部设有凹形环槽14，所述凹形环槽14外侧设有第一齿条环，所述动轮盘11外侧设有第二齿条环，所述牵引头1内部设有电源模块15、感知系统16和控制系统17，所述箱体2内部设有执行系统18，所述感知系统16、控制系统17和执行系统18均与电源模块15电性连接，所述感知系统16、控制系统17和执行系统18分别用于机器人实时路况采集、智能判断及决策和运行调整；

所述感知系统16包括感知电路，所述牵引头1远离箱体2的一侧底部设有超声波传感器19，所述超声波传感器19顶部设有光电传感器20，所述光电传感器20两侧均设有摄像头21，所述超声波传感器19、光电传感器20和摄像头21均与感知电路电性连接；

所述控制系统17包括控制电路，所述控制电路连接端设有单片机22和编程器23，所述单片机22内部设有计时单元，所述计时单元用于计算牵引头1倾斜超过设定角时间，所述编程器23用于人工输入设定程序和输出编程命令；

所述执行系统18包括控制电路，所述控制电路连接端设有调速机构和避障机构，所述爬坡机构与控制电路电性连接，所述调速机构包括变频调速器24，所述变频调速器24与驱动电机7电性连接；

通过光电传感器20感测牵引头1与地面的倾角，判断地面坡度，当坡度达到设定坡度时，电动推杆10推动提升架9使爬坡机构下降，履带13与地面接触，增大摩擦力，定齿轮6与第一齿条环啮合，从而使主动轮4传动动轮盘11，第二齿条环啮合履带13内部，方便履带13运动，爬坡时单片机22控制变频调速器24，限制驱动电机7的电能，从而降低机器人的爬坡速度，使之运行平稳，防止机器人倾倒，有利于减少装置的磨损，到达平整路段时，单片机22控制电动推杆提升爬坡机构，使主动轮4和从动轮5牵引箱体2，提高机器人运行速度。

实施例2：

根据图1-4所示的一种机器人爬坡的驱动力控制装置，所述避障机构包括转向电机25和转向轴26，所述转向电机25输出轴传动连接转向轴26，所述转向轴26与牵引头1一体化设置，所述转向轴26与箱体2转动连接，过超声波传感器19感测牵引头1前方路况，并使用摄像头21拍摄实时图像，将路况信息发送给单片机22，当牵引头1前方出现障碍物，单片机22根据实时图像和超声波传感器19感测障碍距离分析避障路线，单片机22控制转向电机25工作，转向电机25输出轴传动连接转向轴26使牵引头1调整角度，避开障碍物，保证机器人正常运行；

根据图4所示的一种机器人爬坡的驱动力控制装置，所述箱体2两侧均固定连接有固定块，所述固定块底部固定连接有限位杆27，所述限位杆27外侧套设有减震弹簧28，所述限位杆27贯穿提升架9，所述减震弹簧28设置在固定块与提升架9之间，限位杆27贯穿提升架9并配合减震弹簧28，有利于保证爬坡机构升降稳定性，同时缓冲减震，延长装置使用寿命；

根据图4所示的一种机器人爬坡的驱动力控制装置，所述电动推杆10的数量设置为两个，两个所述电动推杆10对称分布在提升架9两端，所述电动推杆10一侧设有滑槽29，所述提升架9靠近箱体2的一侧设有滑块，所述滑槽29与滑块相匹配；

进一步的，所述光电传感器20设置在牵引头1的垂直平分线上，两个所述摄像头21对称分布在光电传感器20两侧，所述驱动电机7设置为无刷电机，通过两个摄像头21对称分布在超声波传感器19两侧，方便观察前方路况，扩大视角，减少盲区，有利于提高机器人的控制精度，计时模块头计算牵引头1过角时间，配合摄像头21观测爬坡长度，避免小坡对机器人的干扰；

进一步的，所述定齿轮6与凹形环槽14相匹配，所述定齿轮6与第一齿条环相啮合，所述动撑轮12外侧设有第二齿条环，所述第二齿条环与履带13内侧啮合连接；

进一步的，所述单片机22输入端设有A/D转换器，所述单片机22输出端设有D/A转换器，所述超声波传感器19、光电传感器20和摄像头21均与A/D转换器电性连接，所述电动推杆10、变频调速器24和转向电机25均与D/A转换器电性连接；

进一步的，所述超声波传感器19的型号设置为WUB4000-30GM75-N-V15型超声波传感器，所述光电传感器20的型号设置为R6449型光电传感器，所述单片机22的型号设置为M68HC16型单片机。

本发明工作原理：

参照说明书附图1-6，通过光电传感器20感测牵引头1与地面的倾角，判断地面坡度，当坡度达到设定坡度时，电动推杆10推动提升架9使爬坡机构下降，履带13与地面接触，增大摩擦力，定齿轮6与第一齿条环啮合，从而使主动轮4传动动轮盘11，第二齿条环啮合履带13内部，方便履带13运动，爬坡时单片机22控制变频调速器24，限制驱动电机7的电能，从而降低机器人的爬坡速度，使之运行平稳，防止机器人倾倒，有利于减少装置的磨损，到达平整路段时，单片机22控制电动推杆提升爬坡机构，使主动轮4和从动轮5牵引箱体2，提高机器人运行速度；

参照说明书附图2和6，通过超声波传感器19感测牵引头1前方路况，并使用摄像头21拍摄实时图像，将路况信息发送给单片机22，当牵引头1前方出现障碍物，单片机22根据实时图像和超声波传感器19感测障碍距离分析避障路线，单片机22控制转向电机25工作，转向电机25输出轴传动连接转向轴26使牵引头1调整角度，避开障碍物，保证机器人正常运行；

参照说明书附图1-4，通过两个摄像头21对称分布在超声波传感器19两侧，方便观察前方路况，扩大视角，减少盲区，有利于提高机器人的控制精度，计时模块头计算牵引头1过角时间，配合摄像头21观测爬坡长度，避免小坡对机器人的干扰，限位杆27贯穿提升架9并配合减震弹簧28，有利于保证爬坡机构升降稳定性，同时缓冲减震，延长装置使用寿命。

最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；

其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；

最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种机器人爬坡的驱动力控制装置，包括牵引头(1)，其特征在于：所述牵引头(1)一侧活动连接有箱体(2)，所述牵引头(1)底部设有牵引轮(3)，所述箱体(2)底部设有主动轮(4)和从动轮(5)，所述主动轮(4)和从动轮(5)外侧均固定连接有定齿轮(6)，所述主动轮(4)远离定齿轮(6)的一侧设有驱动电机(7)，所述驱动电机(7)输出轴传动连接主动轮(4)，所述箱体(2)两侧均设有爬坡机构，所述爬坡机构包括两个水平设置的固定三角架(8)，两个所述固定三角架(8)之间固定连接有提升架(9)，所述箱体(2)两侧均固定连接有电动推杆(10)，所述电动推杆(10)输出端与提升架(9)固定连接，所述固定三角架(8)顶端设有动轮盘(11)，所述固定三角架(8)底部两端均设有动撑轮(12)，所述动轮盘(11)和两个动撑轮(12)外侧之间连接有履带(13)，所述动轮盘(11)中部设有凹形环槽(14)，所述凹形环槽(14)外侧设有第一齿条环，所述动轮盘(11)外侧设有第二齿条环，所述牵引头(1)内部设有电源模块(15)、感知系统(16)和控制系统(17)，所述箱体(2)内部设有执行系统(18)，所述感知系统(16)、控制系统(17)和执行系统(18)均与电源模块(15)电性连接，所述感知系统(16)、控制系统(17)和执行系统(18)分别用于机器人实时路况采集、智能判断及决策和运行调整；

所述感知系统(16)包括感知电路，所述牵引头(1)远离箱体(2)的一侧底部设有超声波传感器(19)，所述超声波传感器(19)顶部设有光电传感器(20)，所述光电传感器(20)两侧均设有摄像头(21)，所述超声波传感器(19)、光电传感器(20)和摄像头(21)均与感知电路电性连接；

所述控制系统(17)包括控制电路，所述控制电路连接端设有单片机(22)和编程器(23)，所述单片机(22)内部设有计时单元，所述计时单元用于计算牵引头(1)倾斜超过设定角时间，所述编程器(23)用于人工输入设定程序和输出编程命令；

所述执行系统(18)包括控制电路，所述控制电路连接端设有调速机构和避障机构，所述爬坡机构与控制电路电性连接，所述调速机构包括变频调速器(24)，所述变频调速器(24)与驱动电机(7)电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种机器人爬坡的驱动力控制装置，其特征在于：所述避障机构包括转向电机(25)和转向轴(26)，所述转向电机(25)输出轴传动连接转向轴(26)，所述转向轴(26)与牵引头(1)一体化设置，所述转向轴(26)与箱体(2)转动连接。

3.根据权利要求1所述的一种机器人爬坡的驱动力控制装置，其特征在于：所述箱体(2)两侧均固定连接有固定块，所述固定块底部固定连接有限位杆(27)，所述限位杆(27)外侧套设有减震弹簧(28)，所述限位杆(27)贯穿提升架(9)，所述减震弹簧(28)设置在固定块与提升架(9)之间。

4.根据权利要求1所述的一种机器人爬坡的驱动力控制装置，其特征在于：所述电动推杆(10)的数量设置为两个，两个所述电动推杆(10)对称分布在提升架(9)两端，所述电动推杆(10)一侧设有滑槽(29)，所述提升架(9)靠近箱体(2)的一侧设有滑块，所述滑槽(29)与滑块相匹配。

5.根据权利要求1所述的一种机器人爬坡的驱动力控制装置，其特征在于：所述光电传感器(20)设置在牵引头(1)的垂直平分线上，两个所述摄像头(21)对称分布在光电传感器(20)两侧，所述驱动电机(7)设置为无刷电机。

6.根据权利要求1所述的一种机器人爬坡的驱动力控制装置，其特征在于：所述定齿轮(6)与凹形环槽(14)相匹配，所述定齿轮(6)与第一齿条环相啮合，所述动撑轮(12)外侧设有第二齿条环，所述第二齿条环与履带(13)内侧啮合连接。

7.根据权利要求2所述的一种机器人爬坡的驱动力控制装置，其特征在于：所述单片机(22)输入端设有A/D转换器，所述单片机(22)输出端设有D/A转换器，所述超声波传感器(19)、光电传感器(20)和摄像头(21)均与A/D转换器电性连接，所述电动推杆(10)、变频调速器(24)和转向电机(25)均与D/A转换器电性连接。