CN110370282A - 一种用于服务机器人的避障结构及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于服务机器人的避障结构，包括机体和三个行走机构，每个所述行走机构包括一对爪轮，两个所述爪轮之间固定连接有轮轴，所述机体的底部固定连接有与爪轮对应的支撑腿，多个所述支撑腿之间固定安装有横板，所述机体前后两端均安装有红外线摄像头，每个所述支撑腿上开设有滑槽，所述轮轴上对称转动套接有第二转动套，所述第二转动套的一侧固定连接有滑块，所述滑块与滑槽滑动连接。本发明使用横跨障碍物的方式来通过路障，相较于直接的轮胎滚过的方式，能够大大降低轮动震动过程对机器人的伤害，有效的减少了过路障可能存在的颠簸过程，且相对于使用直立行走的移动方式，也更加快捷，结构设计上更加简单。

Description

一种用于服务机器人的避障结构及其系统

技术领域

本发明涉及机器人避障技术领域，尤其涉及一种用于服务机器人的避障结构及其系统。

背景技术

家庭服务智能机器人是一个典型的机电一体化系统，它融合了机械、电子、传感器、计算机软件硬件、模式识别、人工智能、工业设计等众多先进技术，是智能机器人目前研究的一个重要热点，机器人能够如同人一样行走到达目的地是一个重要的研究方向。

机器人采用类人的站立走动方式，实际上如若将人的运动系统设计在机器人上在技术实现是非常难的，且家庭服务型的机器人面对的实际情况并没有那么复杂，如若采用直立行走的方式移动，规避障碍的过程中机器人的平衡系统设计会十分的复杂，直立行走相较于轮胎在行走速度上也具有明显的差异，但是轮胎驱动移动在规避障碍物上会存在一定的困难，大多数采用绕行的方式进行规避，绕行会增加路径规划运算以及在行走环境存在的局限性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，如：使用轮胎的家庭服务智能机器人规避障碍物比较困难，而提出的一种用于服务机器人的避障结构及其系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种用于服务机器人的避障结构，包括机体和三个行走机构，每个所述行走机构包括一对爪轮，两个所述爪轮之间固定连接有轮轴，所述机体的底部固定连接有与爪轮对应的支撑腿，多个所述支撑腿之间固定安装有横板，所述机体前后两端均安装有红外线摄像头，每个所述支撑腿上开设有滑槽，所述轮轴上对称转动套接有第二转动套，所述第二转动套的一侧固定连接有滑块，所述滑块与滑槽滑动连接，所述横板上安装有多个与行走机构对应的升降机构和驱动机构。

优选的，升降机构包括第二机箱和螺纹轴，所述第二机箱内设置有升降电机，所述升降电机的驱动端固定套接有第二蜗轮，所述轮轴上转动套接有连接套，所述连接套的上端与螺纹轴的下端转动连接，所述螺纹轴上螺纹套接有第一蜗轮，所述第一蜗轮与第二蜗轮之间安装有蜗杆，所述蜗杆的两端分别与第二蜗轮、第一蜗轮的一侧啮合，所述蜗杆设置在横板内。

优选的，所述驱动机构包括联动轴和第一机箱，所述第一机箱内安装有驱动电机，所述驱电机的驱动端固定套接有第五锥齿轮，所述横板上转动安装有转轴，所述转轴的上端固定套接有直齿轮，所述转轴的下端固定套接有第三锥齿轮，所述第三锥齿轮与第五锥齿轮之间设置有连接轴，所述连接轴的两端分别固定套接有第四锥齿轮，两个所述第四锥齿轮分别与第三锥齿轮、第五锥齿轮啮合，所述联动轴的上端滑动套接有第一转动套，所述第一转动套转动安装在横板上，所述第一转动套与直齿轮啮合，所述联动轴的下端转动套接在轮轴上，所述联动轴的下端还固定套接有第一锥齿轮，所述轮轴上固定套接有与第一锥齿轮对应的第二锥齿轮且第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合。

优选的，所述联动轴的两侧对称开设有限位槽，所述第一转动套的内壁上设置有限位块，所述限位块滑动位于限位槽内，所述第一锥齿轮和第二锥齿轮的外围套有保护壳，所述保护壳转动套接在轮轴上。

一种用于服务机器人的避障系统，包括微控制器，所述微控制器的输出端连接有电机驱动模块、障碍规避分析模块、异常操作模块、数据收集模块，所述微控制器的输入端与障碍物检测模块和障碍规避分析模块连接，所述电机驱动模块和异常操作模块均可向数据收集模块传递信息，所述障碍物检测模块的输入端连接有红外线扫描模块和扫描信息集成模块，所述扫描信息集成模块的输出端与障碍物检测模块连接。

优选的，所述电机驱动模块控制着多个升降电机和多个驱动电机，所述红外线扫描模块与红外线摄像头电连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、使用横跨障碍物的方式来通过路障，相较于直接的轮胎滚过的方式，能够大大降低轮动震动过程对机器人的伤害，有效的减少了过路障可能存在的颠簸过程，且相对于使用直立行走的移动方式，也更加快捷，结构设计上更加简单。

2、智能化的选择避开和通过障碍物的方式，障碍规避分析模块能够智能分析选取最佳路径，并且该系统配备有数据收集模块，可用于后期的系统升级，结构优化等，为设计更好的服务型机器人提供数据资料。

附图说明

图1为本发明提出的一种用于服务机器人的避障结构侧面的结构示意图；

图2为本发明提出的一种用于服务机器人的避障结构正面的结构示意图；

图3为本发明提出的一种用于服务机器人的避障结构中横板的结构示意图；

图4为图2中A处的结构示意图；

图5为本发明提出的一种用于服务机器人的避障系统的模块示意图。

图中：1机体、2横板、3支撑腿、4红外线摄像头、5爪轮、6轮轴、7滑槽、8第一机箱、9第二机箱、10第一转动套、11直齿轮、12转轴、13螺纹轴、14滑块、15联动轴、16第一锥齿轮、17限位槽、18保护壳、19连接套、20第二锥齿轮、21第一蜗轮、22蜗杆、23第二蜗轮、24第三锥齿轮、25连接轴、26第四锥齿轮、27第五锥齿轮、28第二转动套。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“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。

参照图1-5，一种用于服务机器人的避障结构，包括机体1和三个行走机构，每个行走机构包括一对爪轮5，两个爪轮5之间固定连接有轮轴6，机体1的底部固定连接有与爪轮5对应的支撑腿3，多个支撑腿3之间固定安装有横板2，机体1前后两端均安装有红外线摄像头4，每个支撑腿3上开设有滑槽7，轮轴6上对称转动套接有第二转动套28，第二转动套28的一侧固定连接有滑块14，滑块14与滑槽7滑动连接，横板2上安装有多个与行走机构对应的升降机构和驱动机构；

其中，升降机构包括第二机箱9和螺纹轴13，第二机箱9内设置有升降电机，升降电机的驱动端固定套接有第二蜗轮23，轮轴6上转动套接有连接套19，连接套19的上端与螺纹轴13的下端转动连接，螺纹轴13上螺纹套接有第一蜗轮21，第一蜗轮21与第二蜗轮23之间安装有蜗杆22，蜗杆22的两端分别与第二蜗轮23、第一蜗轮21的一侧啮合，蜗杆22设置在横板2内，升降电机通过驱动端带动第二蜗轮23转动，由于第二蜗轮23与蜗杆22啮合、蜗杆22又与第一蜗轮21啮合，则当第二蜗轮23通过蜗杆22带动第一蜗轮21转动的时候，由于第一蜗轮21位置不变而第一蜗轮21又螺纹套接在螺纹轴13上，螺纹轴13将会升降，螺纹轴13在升降的过程中会带动轮轴6升降，即实现行走机构的升降，该升降机构可在机器人遇到障碍物的时候，用以直接跨越障碍物；

其中，驱动机构包括联动轴15和第一机箱8，第一机箱8内安装有驱动电机，驱电机的驱动端固定套接有第五锥齿轮27，横板2上转动安装有转轴12，转轴12的上端固定套接有直齿轮11，转轴12的下端固定套接有第三锥齿轮24，第三锥齿轮24与第五锥齿轮27之间设置有连接轴25，连接轴25的两端分别固定套接有第四锥齿轮26，两个第四锥齿轮26分别与第三锥齿轮24、第五锥齿轮27啮合，联动轴15的上端滑动套接有第一转动套10，第一转动套10转动安装在横板2上，第一转动套10与直齿轮11啮合，联动轴15的下端转动套接在轮轴6上，联动轴15的下端还固定套接有第一锥齿轮16，轮轴6上固定套接有与第一锥齿轮16对应的第二锥齿轮20且第一锥齿轮16与第二锥齿轮20啮合；

其中，由于各个行走机构均可以进行升降，故而每个行走机构的运转需要分别进行控制，第一机箱8内的驱动机构通过驱动端带动第五锥齿轮27转动，第五锥齿轮27与第三锥齿轮24之间设置有连接轴25和第四锥齿轮26进行传动，则第五锥齿轮27的转动将会带动第四锥齿轮26转动，该第四锥齿轮26通过连接轴25带动另一个第四锥齿轮26转动，第四锥齿轮26通过第三锥齿轮24带动转轴12转动，转轴12带动直齿轮11转动，直齿轮11的转动将会带动第一转动套10和联动轴15转动，联动轴15通过第一锥齿轮16、第二锥齿轮20实现轮轴6的转动，则轮轴6两端的爪轮5相应的将会转动，继而行走机构实现整个机器人的移动；

其中，联动轴15的两侧对称开设有限位槽17，第一转动套10的内壁上设置有限位块，限位块滑动位于限位槽17内，第一锥齿轮16和第二锥齿轮20的外围套有保护壳18，保护壳18转动套接在轮轴6上，由于第一转动套10内壁的限位块设置在限位槽17内，则当第一转动套10转动的时候必然带动联动轴15转动，但是限位槽17上下升降的过程中并不会对第一转动套10造成影响，该限位块是用于连接升降机构与驱动机构，升降机构的运作不会影响驱动机构。

一种用于服务机器人的避障系统，包括微控制器，微控制器的输出端连接有电机驱动模块、障碍规避分析模块、异常操作模块、数据收集模块，微控制器的输入端与障碍物检测模块和障碍规避分析模块连接，电机驱动模块和异常操作模块均可向数据收集模块传递信息，障碍物检测模块的输入端连接有红外线扫描模块和扫描信息集成模块，扫描信息集成模块的输出端与障碍物检测模块连接，电机驱动模块控制着多个升降电机和多个驱动电机，红外线扫描模块与红外线摄像头4电连接。

本发明中，正常行驶的时候，驱动机构带动爪轮5转动，即可实现在平面上的行走，且由于轮胎采用的是爪轮5,在不平整的路面上，存在较小障碍物的环境中可以良好的直接跨过，当遇到爪轮5无法直接轮动跨过的障碍物时，红外线摄像头4对需要经过的路面进行扫描，红外线扫描模块扫描计划路径上存在的障碍物，扫描出来的图像首先反馈给障碍物检测模块，障碍物检测模块再将图片信息输送给扫描信息集成模块，扫描信息集成模块对图像进行整合，形成立体障碍物图像，该图像通过障碍物检测模块输送给微控制器，微控制器将障碍物图像传输给障碍物规避分析模块，对障碍的大小形状进行分析，判断能否直接跨过，当障碍物宽度小于两个爪轮5间距的时候，高度小于爪轮5高度的时候，采用横跨障碍物的方式通过路障，否则采用绕行规避的方式通过路障；

机器人横跨障碍物的时候，微控制器根据障碍规避模块分析的结果来控制电机驱动模块，电机控制模块控制各个电机的运作，首先机体1最前端的行走机构需要通过升降机构升起，相应的第二机箱9内的升降电机通过驱动端、第二蜗轮23带动蜗杆22转动，蜗杆22带动第一蜗轮21转动，第一蜗轮21的转动将会实现螺纹轴13的升降，螺纹轴13升起之后将会带动轮轴6和相应位置的爪轮5上升，轮轴6在上升的过程中，联动轴15也将会相对第一转动套10滑动，第一转动套10内壁的限位块顺着限位槽17滑动，且限位槽17的升降不影响第一转动套10带动联动轴15转动；由于整个机体1由三组行走支撑着，一端的行走机构升起不会影响整体的平衡，剩下的两组行走机构继续向障碍物方向移动，使得前端的行走机构跨过障碍物并且顺利的通过，然后升降机构将相应位置爪轮5放置下来，依次类推，整体机体1前进的过程中一次只能升降一组的行走机构，直至有的行走机构横跨过有的障碍物即可；

当无论是横跨障碍物还是绕行都无法通过障碍物的时候，微控制器将会向异常操作模块输送信息，向控制人员传输障碍物无法通过的信息，继而进行后续的处理，且该机器人在行走的过程中，微控制器、电机驱动模块和异常操作模块都会向数据收集模块传输信息，整合后的信息用于检测机器人的运转状况，以及提供数据用于后期的技术升级。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于服务机器人的避障结构，包括机体(1)和三个行走机构，其特征在于，每个所述行走机构包括一对爪轮(5)，两个所述爪轮(5)之间固定连接有轮轴(6)，所述机体(1)的底部固定连接有与爪轮(5)对应的支撑腿(3)，多个所述支撑腿(3)之间固定安装有横板(2)，所述机体(1)前后两端均安装有红外线摄像头(4)，每个所述支撑腿(3)上开设有滑槽(7)，所述轮轴(6)上对称转动套接有第二转动套(28)，所述第二转动套(28)的一侧固定连接有滑块(14)，所述滑块(14)与滑槽(7)滑动连接，所述横板(2)上安装有多个与行走机构对应的升降机构和驱动机构。

2.根据权利要求1所述的一种用于服务机器人的避障结构，其特征在于，所述升降机构包括第二机箱(9)和螺纹轴(13)，所述第二机箱(9)内设置有升降电机，所述升降电机的驱动端固定套接有第二蜗轮(23)，所述轮轴(6)上转动套接有连接套(19)，所述连接套(19)的上端与螺纹轴(13)的下端转动连接，所述螺纹轴(13)上螺纹套接有第一蜗轮(21)，所述第一蜗轮(21)与第二蜗轮(23)之间安装有蜗杆(22)，所述蜗杆(22)的两端分别与第二蜗轮(23)、第一蜗轮(21)的一侧啮合，所述蜗杆(22)设置在横板(2)内。

3.根据权利要求1所述的一种用于服务机器人的避障结构，其特征在于，所述驱动机构包括联动轴(15)和第一机箱(8)，所述第一机箱(8)内安装有驱动电机，所述驱电机的驱动端固定套接有第五锥齿轮(27)，所述横板(2)上转动安装有转轴(12)，所述转轴(12)的上端固定套接有直齿轮(11)，所述转轴(12)的下端固定套接有第三锥齿轮(24)，所述第三锥齿轮(24)与第五锥齿轮(27)之间设置有连接轴(25)，所述连接轴(25)的两端分别固定套接有第四锥齿轮(26)，两个所述第四锥齿轮(26)分别与第三锥齿轮(24)、第五锥齿轮(27)啮合，所述联动轴(15)的上端滑动套接有第一转动套(10)，所述第一转动套(10)转动安装在横板(2)上，所述第一转动套(10)与直齿轮(11)啮合，所述联动轴(15)的下端转动套接在轮轴(6)上，所述联动轴(15)的下端还固定套接有第一锥齿轮(16)，所述轮轴(6)上固定套接有与第一锥齿轮(16)对应的第二锥齿轮(20)且第一锥齿轮(16)与第二锥齿轮(20)啮合。

4.根据权利要求3所述的一种用于服务机器人的避障结构及其系统，其特征在于，所述联动轴(15)的两侧对称开设有限位槽(17)，所述第一转动套(10)的内壁上设置有限位块，所述限位块滑动位于限位槽(17)内，所述第一锥齿轮(16)和第二锥齿轮(20)的外围套有保护壳(18)，所述保护壳(18)转动套接在轮轴(6)上。

5.一种用于服务机器人的避障系统，包括微控制器，其特征在于，所述微控制器的输出端连接有电机驱动模块、障碍规避分析模块、异常操作模块、数据收集模块，所述微控制器的输入端与障碍物检测模块和障碍规避分析模块连接，所述电机驱动模块和异常操作模块均可向数据收集模块传递信息，所述障碍物检测模块的输入端连接有红外线扫描模块和扫描信息集成模块，所述扫描信息集成模块的输出端与障碍物检测模块连接。

6.根据权利要求5所述的一种用于服务机器人的避障结构及其系统，其特征在于，所述电机驱动模块控制着多个升降电机和多个驱动电机，所述红外线扫描模块与红外线摄像头(4)电连接。