CN110170998B - 一种智能多地形勘察机器人及其勘察方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能多地形勘察机器人及其勘察方法，包括自平衡机身、驱动组件、感知组件三部分。其中，自平衡机身包括由多个U形钢板相互转动连接而成的柔性躯干，铰接在所述柔性躯干一端预定位置处的调节支撑腿，以及连接所述调节支撑腿和柔性躯干的平衡感应组件；驱动组件包括固定在所述自平衡机身下部的底盘，安装在所述底盘一端的主动轮，以及安装在所述柔性躯干一端的万向从动轮；感知组件包括固定在所述柔性躯干预定位置处的声音采集器、触感传感器、光线感测器、以及双目视觉组。本发明利用柔性躯干和调节支撑腿的协同配合，使得该机器人能够高效率地翻越复杂地形，动作迅速、能耗低，通过自平衡技术实现实时自动平衡，防止侧翻。

Description

一种智能多地形勘察机器人及其勘察方法

技术领域

本发明涉及一种智能机器人，具体涉及一种智能多地形勘察机器人及其勘察方法。

背景技术

勘察机器人是一种用于侦察、巡逻、探测等用途的机器人，能够完成在各种天气状况、各种地形地貌环境中的作业。由于侦察的地形复杂多变，这对机器人的灵活性需要很高要求。

现有技术中用于多地形勘察用的机器人通常利用履带的动力进行爬坡等各项动作，这种机器人较为笨重，且驱动履带需要较大的动力供应，能耗高；同时履带机器人在进行爬坡时容易因动力不足导致侧翻等严重问题。

发明内容

发明目的：提供一种智能多地形勘察机器人及其勘察方法，通过设置柔性躯干和调节支撑腿，有效解决了现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种智能多地形勘察机器人，包括自平衡机身、驱动组件、感知组件三部分。

其中，自平衡机身，包括由多个U形钢板相互转动连接而成的柔性躯干，以及铰接在所述柔性躯干一端预定位置处的调节支撑腿；

驱动组件，包括固定在所述自平衡机身下部的底盘，安装在所述底盘一端的主动轮，以及安装在所述柔性躯干一端的万向从动轮；

感知组件，包括固定在所述柔性躯干预定位置处的声音采集器、触感传感器、光线感测器、以及双目视觉组。

在进一步的实施例中，所述柔性躯干呈Y形，包括长杆，与所述长杆的中部铰接的一对短杆，以及固定在所述长杆一端、且与之垂直的转接杆；所述柔性躯干上设有多个蜂窝孔；所述长杆与短杆的铰接处设有转动阻尼器。蜂窝孔用于减轻柔性躯干的重量，防止机身整体过重导致越野性能受到影响。转动阻尼器根据回转速度的变化，扭矩也发生变化，其变化规律为：速度提高，扭矩也提高，速度放慢，扭矩也随之下降。

在进一步的实施例中，所述长杆的一端固定有快速响应舵机，所述快速响应舵机的输出轴安装有第一齿轮，所述转接杆上转动连接有U形关节，所述U形关节与转接杆的连接处设有双向推力角接触球轴承，所述双向推力角接触球轴承上过盈安装有转轴，所述转轴上安装有第二齿轮，所述第二齿轮与所述第一齿轮啮合。快速响应舵机能够在瞬间响应，快速做出动作。

在进一步的实施例中，所述调节支撑腿通过伺服电机与所述U形关节转动连接；所述伺服电机与U形关节之间设有光电编码器。当感知组件判定前方遇到陡坡，且周边无法绕行时，调节支撑腿启动，快速响应舵机带动第一齿轮转动，第一齿轮带动与之啮合的第二齿轮转动，第二齿轮带动U形关节转动，伺服电机带动调节支撑腿摆动。

在进一步的实施例中，所述底盘的一侧固定有双向输出轴电机，所述主动轮固定在所述双向输出轴电机两侧的输出轴上；所述柔性躯干的末端安装有尾舵，所述尾舵上固定有单向输出轴电机，所述万向从动轮固定在所述单向输出轴电机的输出轴上。双向输出轴电机用于为主动轮提供同步动力，尾舵用于在预定角度范围内摆动万向从动轮，控制机器人转向。

在进一步的实施例中，所述万向从动轮包括至少三个以预定间距排列的链轮，以预定张紧力绕设在所述链轮上的传动链，套设在所述传动链上预定位置处的多个连接板，转动连接在所述连接板上的T形安装座，以及转动设置在所述T形安装座两端的滚轮。万向从动轮能够在任意方向行进，通过尾舵改变方向，万向从动轮能够自动适应转向角度。

在进一步的实施例中，所述传动链包括通过销轴连接的内链节、外链节，以及分别设置在所述内链节和外链节内的滚柱；所述连接板套设在所述内链节的滚柱上；所述链轮包括圆周阵列的多个链齿，所述链齿之间的过渡区域呈圆弧状，以便于链节进入和退出啮合，相比于皮带传动，传动链的传动比更加准确、可靠。

在进一步的实施例中，所述声音采集器包括电容式驻极体采样模块，以及与所述电容式驻极体采样模块电性连接的AD转换模块；所述触感传感器包括导电橡胶和微动开关；所述光线感测器包括投光器及受光器；所述双目视觉组包括一对以预定瞳距和视野范围排布的工业摄像头。声音采集器能够采集远处的声音并通过AD转换模块进行数字化处理并放大信号。

在进一步的实施例中，所述平衡感应组件包括X轴角度传感器、Y轴角度传感器、Z轴角度传感器、以及加速度计；所述平衡感应组件与所述伺服电机电性连接。X轴角度传感器、Y轴角度传感器、Z轴角度传感器能够分别实时感应X、Y、Z三个方向的角度倾斜变化，并将这种角度变化转变为电信号，最终控制伺服电机产生与倾斜角度相反的作用力来抵消倾斜实现动态平衡；加速度计能够测量运载体线加速度。

一种智能多地形勘察机器人的勘察方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、驱动组件工作，双向输出轴电机启动，带动主动轮输出前进动力；尾舵启动，带动万向从动轮输出转向动力；

S2、当该机器人经过坎坷的地形时，柔性躯干通过长杆和短杆的活动配合自动适应路面起伏，转动阻尼器用于缓冲柔性躯干的调节幅度，保持机器人整体平稳；

S3、感知组件协同工作；

S301、声音采集器采集周边预定范围内的音频信息并处理成数字信号；

S302、触感传感器感应是否接触到外界物体或测量被接触物体的特征；

S303、光线感测器感应环境光线，根据环境光线的强度控制双目视觉组是否启用夜视仪功能；

S304、双目视觉组实时工作，采集机器人前方图像；

S4、当感知组件判定前方遇到陡坡，且周边无法绕行，调节支撑腿启动；

S401、快速响应舵机带动第一齿轮转动，第一齿轮带动与之啮合的第二齿轮转动，第二齿轮带动U形关节转动，伺服电机带动调节支撑腿摆动；

S402、通过控制快速响应舵机和伺服电机朝预定方向转动，带动U形关节和调节支撑腿摆向路面，当调节支撑腿接触路面后，利用调节支撑腿支撑起整个机器人离开路面预定高度；

S403、当机器人离开路面后，通过控制快速响应舵机和伺服电机朝S402中反方向转动，带动机器人向前收缩最终回到路面；

S404、重复S402和S403的步骤，直至机器人越过障碍物。

有益效果：本发明涉及一种智能多地形勘察机器人及其勘察方法，能够适应复杂多变的地形，效率高、噪音小。具体的，通过设置柔性躯干和调节支撑腿，利用调节支撑腿离开路面，接着带动机器人向前收缩，最终回到路面，如此往复翻越凹凸不平的路面。此外，主动轮用于提供前进方向的动力，万向从动轮能够在任意方向行进，通过尾舵改变方向，能够自动适应转向角度。柔性躯干为机器人整体提供柔性支持，能够在机器人越野时最大限度地减小机械振动，为机身提供良好的缓冲能力。此外，通过在机身的预定位置处安装声音采集器、触感传感器、光线感测器、以及双目视觉组，上述传感器协同工作为机器人提供智能化支持。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中柔性躯干的结构示意图。

图3为本发明中万向从动轮的结构示意图。

图4为图3中的局部放大视图。

图中各附图标记为：柔性躯干1、长杆101、蜂窝孔101a、短杆102、转接杆103、双目视觉组2、快速响应舵机3、第一齿轮4、调节支撑腿5、声音采集器6、第二齿轮7、双向输出轴电机8、主动轮9、万向从动轮10、链轮1001、滚轮1002、内链节1003、外链节1004、T形安装座1005、连接板1006、光线感测器11、底盘12。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1至图4所示，本发明公开了一种智能多地形勘察机器人及其勘察方法，包括柔性躯干1、调节支撑腿5、底盘12、主动轮9、万向从动轮10、声音采集器6、触感传感器、光线感测器11、双目视觉组2；所述柔性躯干1由多根U形钢板相互转动连接而成，所述调节支撑腿5铰接在所述柔性躯干1一端的预定位置处，所述底盘12固定在所述自平衡机身的下部，所述主动轮9安装在所述底盘12的一端，所述万向从动轮10安装在所述柔性躯干1的一端，所述声音采集器6、触感传感器、光线感测器11、双目视觉组2分别固定在所述柔性躯干1的预定位置处。

作为一个优选方案，所述柔性躯干1呈Y形，包括长杆101，与所述长杆101的中部铰接的一对短杆102，以及固定在所述长杆101一端、且与之垂直的转接杆103；所述柔性躯干1上设有多个蜂窝孔101a；所述长杆101与短杆102的铰接处设有转动阻尼器。蜂窝孔101a用于减轻柔性躯干1的重量，防止机身整体过重导致越野性能受到影响。转动阻尼器根据回转速度的变化，扭矩也发生变化，其变化规律为：速度提高，扭矩也提高，速度放慢，扭矩也随之下降。所述长杆101的一端固定有快速响应舵机3，所述快速响应舵机3的输出轴安装有第一齿轮4，所述转接杆103上转动连接有U形关节，所述U形关节与转接杆103的连接处设有双向推力角接触球轴承，所述双向推力角接触球轴承上过盈安装有转轴，所述转轴上安装有第二齿轮7，所述第二齿轮7与所述第一齿轮4啮合。快速响应舵机3能够在瞬间响应，快速做出动作。所述调节支撑腿5通过伺服电机与所述U形关节转动连接；所述伺服电机与U形关节之间设有光电编码器。当感知组件判定前方遇到陡坡，且周边无法绕行时，调节支撑腿5启动，快速响应舵机3带动第一齿轮4转动，第一齿轮4带动与之啮合的第二齿轮7转动，第二齿轮7带动U形关节转动，伺服电机带动调节支撑腿5摆动。所述底盘12的一侧固定有双向输出轴电机8，所述主动轮9固定在所述双向输出轴电机8两侧的输出轴上；所述柔性躯干1的末端安装有尾舵，所述尾舵上固定有单向输出轴电机，所述万向从动轮10固定在所述单向输出轴电机的输出轴上。双向输出轴电机8用于为主动轮9提供同步动力，尾舵用于在预定角度范围内摆动万向从动轮10，控制机器人转向。所述万向从动轮10包括至少三个以预定间距排列的链轮1001，以预定张紧力绕设在所述链轮1001上的传动链，套设在所述传动链上预定位置处的多个连接板1006，转动连接在所述连接板1006上的T形安装座1005，以及转动设置在所述T形安装座1005两端的滚轮1002。万向从动轮10能够在任意方向行进，通过尾舵改变方向，万向从动轮10能够自动适应转向角度。所述传动链包括通过销轴连接的内链节1003、外链节1004，以及分别设置在所述内链节1003和外链节1004内的滚柱；所述连接板1006套设在所述内链节1003的滚柱上；所述链轮1001包括圆周阵列的多个链齿，所述链齿之间的过渡区域呈圆弧状，以便于链节进入和退出啮合，相比于皮带传动，传动链的传动比更加准确、可靠。所述声音采集器6包括电容式驻极体采样模块，以及与所述电容式驻极体采样模块电性连接的AD转换模块；所述触感传感器包括导电橡胶和微动开关；所述光线感测器11包括投光器及受光器；所述双目视觉组2包括一对以预定瞳距和视野范围排布的工业摄像头。声音采集器6能够采集远处的声音并通过AD转换模块进行数字化处理并放大信号。

通过上述技术方案，本发明具体的工作过程如下：首先，驱动组件工作：双向输出轴电机8启动，带动主动轮9输出前进动力；尾舵启动，带动万向从动轮10输出转向动力；当该机器人经过坎坷的地形时，柔性躯干1通过长杆101和短杆102的活动配合自动适应路面起伏，转动阻尼器用于缓冲柔性躯干1的调节幅度，保持机器人整体平稳；接着，感知组件协同工作：声音采集器6采集周边预定范围内的音频信息并处理成数字信号；触感传感器感应是否接触到外界物体或测量被接触物体的特征；光线感测器11感应环境光线，根据环境光线的强度控制双目视觉组2是否启用夜视仪功能；双目视觉组2实时工作，采集机器人前方图像；当感知组件判定前方遇到陡坡，且周边无法绕行时，调节支撑腿5启动；快速响应舵机3带动第一齿轮4转动，第一齿轮4带动与之啮合的第二齿轮7转动，第二齿轮7带动U形关节转动，伺服电机带动调节支撑腿5摆动；通过控制快速响应舵机3和伺服电机朝预定方向转动，带动U形关节和调节支撑腿5摆向路面，当调节支撑腿5接触路面后，利用调节支撑腿5支撑起整个机器人离开路面预定高度；当机器人离开路面后，通过控制快速响应舵机3和伺服电机朝反方向转动，带动机器人向前收缩最终回到路面；重复上述步骤直至机器人越过障碍物。

值得一提的是，所述平衡感应组件包括X轴角度传感器、Y轴角度传感器、Z轴角度传感器、以及加速度计；所述平衡感应组件与所述伺服电机电性连接。X轴角度传感器、Y轴角度传感器、Z轴角度传感器能够分别实时感应X、Y、Z三个方向的角度倾斜变化，并将这种角度变化转变为电信号，最终控制伺服电机产生与倾斜角度相反的作用力来抵消倾斜实现动态平衡；加速度计能够测量运载体线加速度。通过自平衡技术实现实时自动平衡，防止侧翻。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (7)

1.一种智能多地形勘察机器人，其特征是包括：

自平衡机身，包括由多个U形钢板相互转动连接而成的柔性躯干，铰接在所述柔性躯干一端预定位置处的调节支撑腿，以及连接所述调节支撑腿和柔性躯干的平衡感应组件；所述柔性躯干呈Y形，包括长杆，与所述长杆的中部铰接的一对短杆，以及固定在所述长杆一端、且与之垂直的转接杆；所述柔性躯干上设有多个蜂窝孔；所述长杆与短杆的铰接处设有转动阻尼器；所述长杆的一端固定有快速响应舵机，所述快速响应舵机的输出轴安装有第一齿轮，所述转接杆上转动连接有U形关节，所述U形关节与转接杆的连接处设有双向推力角接触球轴承，所述双向推力角接触球轴承上过盈安装有转轴，所述转轴上安装有第二齿轮，所述第二齿轮与所述第一齿轮啮合；所述调节支撑腿通过伺服电机与所述U形关节转动连接；所述伺服电机与U形关节之间设有光电编码器；

驱动组件，包括固定在所述自平衡机身下部的底盘，安装在所述底盘一端的主动轮，以及安装在所述柔性躯干一端的万向从动轮；

感知组件，包括固定在所述柔性躯干预定位置处的声音采集器、触感传感器、光线感测器、以及双目视觉组。

2.根据权利要求1所述的一种智能多地形勘察机器人，其特征在于：所述底盘的一侧固定有双向输出轴电机，所述主动轮固定在所述双向输出轴电机两侧的输出轴上；所述柔性躯干的末端安装有尾舵，所述尾舵上固定有单向输出轴电机，所述万向从动轮固定在所述单向输出轴电机的输出轴上。

3.根据权利要求1所述的一种智能多地形勘察机器人，其特征在于：所述万向从动轮包括至少三个以预定间距排列的链轮，以预定张紧力绕设在所述链轮上的传动链，套设在所述传动链上预定位置处的多个连接板，转动连接在所述连接板上的T形安装座，以及转动设置在所述T形安装座两端的滚轮。

4.根据权利要求3所述的一种智能多地形勘察机器人，其特征在于：所述传动链包括通过销轴连接的内链节、外链节，以及分别设置在所述内链节和外链节内的滚柱；所述连接板套设在所述内链节的滚柱上；所述链轮包括圆周阵列的多个链齿，所述链齿之间的过渡区域呈圆弧状。

5.根据权利要求1所述的一种智能多地形勘察机器人，其特征在于：所述声音采集器包括电容式驻极体采样模块，以及与所述电容式驻极体采样模块电性连接的AD转换模块；所述触感传感器包括导电橡胶和微动开关；所述光线感测器包括投光器及受光器；所述双目视觉组包括一对以预定瞳距和视野范围排布的工业摄像头。

6.根据权利要求1所述的一种智能多地形勘察机器人，其特征在于：所述平衡感应组件包括X轴角度传感器、Y轴角度传感器、Z轴角度传感器、以及加速度计；所述平衡感应组件与所述伺服电机电性连接。

7.基于权利要求1至6任一项所述的智能多地形勘察机器人的勘察方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、驱动组件工作，双向输出轴电机启动，带动主动轮输出前进动力；尾舵启动，带动万向从动轮输出转向动力；

S2、当该机器人经过坎坷的地形时，柔性躯干通过长杆和短杆的活动配合自动适应路面起伏，转动阻尼器用于缓冲柔性躯干的调节幅度，保持机器人整体平稳；

S3、感知组件协同工作；

S301、声音采集器采集周边预定范围内的音频信息并处理成数字信号；

S302、触感传感器感应是否接触到外界物体或测量被接触物体的特征；

S303、光线感测器感应环境光线，根据环境光线的强度控制双目视觉组是否启用夜视仪功能；

S304、双目视觉组实时工作，采集机器人前方图像；

S4、当感知组件判定前方遇到陡坡，且周边无法绕行，调节支撑腿启动；

S401、快速响应舵机带动第一齿轮转动，第一齿轮带动与之啮合的第二齿轮转动，第二齿轮带动U形关节转动，伺服电机带动调节支撑腿摆动；

S402、通过控制快速响应舵机和伺服电机朝预定方向转动，带动U形关节和调节支撑腿摆向路面，当调节支撑腿接触路面后，利用调节支撑腿支撑起整个机器人离开路面预定高度；

S403、当机器人离开路面后，通过控制快速响应舵机和伺服电机朝S402中反方向转动，带动机器人向前收缩最终回到路面；

S404、重复S402和S403的步骤，直至机器人越过障碍物。

Images