CN110497981A - 一种跨越障碍机器人及其越障方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人领域，尤其涉及一种跨越障碍机器人，包括机器人本体、驱动轮、升降机构、支撑爪，所述驱动轮通过升降机构连接到机器人本体，驱动轮包括至少前后设置的两组，所述支撑爪设置在机器人本体上两组驱动轮中间，能自由伸缩，支撑爪包括至少前后设置的两组。本发明机器人具有越障能力强、适用范围广的优点。

Description

一种跨越障碍机器人及其越障方法

技术领域

本发明属于机器人领域，尤其涉及一种跨越障碍机器人及其越障方法。

背景技术

现有机器人主要为履带结构或轮式结构，但是该结构越障能力不强；现有机器人还有腿型结构，但是该结构稳定性不高，行走过程中容易翻倒或倾覆。

申请号为“201710422620.8”的中国发明专利公开了一种“能翻越障碍的机器人”，通过设置三个升降机构，使得主动轮和被动轮可以任意的抬起，从而通过交替的抬起主动轮和被动轮，使得整体越过障碍，具有越障能力不受驱动轮大小限制，能几乎能翻越与自身等高的障碍的优点。但是该发明技术方案在机器人翻越障碍过程，尤其是在前轮或后轮抬起的时候，机器人本体重心会因支撑轮的变化而变得不稳，容易翻倒或倾覆。

申请号为“201610858718.3”的中国发明专利公开了一种“无障碍智能机器人”，通过第二动力装置带动机器人运行，第一动力装置带动三角架和固定板移动，机器人向上运动则三角架向上运动，机器人向下运动则三角架向上运动，使机器人的重心始终在最高点，这样增加爬坡的坡度，智能机器人可以无障碍运行。但是该发明技术方案只对爬斜坡的工作条件适用性较好，对于凸起的障碍以及阶梯型障碍无法适用，适用性不广。

申请号为“201710433819.0”的中国发明专利公开了一种“移动机器人及该移动机器人跨越障碍物的方法”，通过控制单元依据感知数据控制移动机器人以第一旋转方向旋转第一角度，并控制第一驱动轮对第一障碍物进行跨越；控制单元控制移动机器人以第二旋转方向旋转第二角度，并控制第二驱动轮对第一障碍物进行跨越。但是该发明技术方案主要依靠驱动轮的相对旋转来实现，对于大型凸起障碍物、坑道障碍以及阶梯障碍无法有效跨越。

发明内容

作为本发明的一方面，提供一种跨越障碍机器人，具有越障能力强、适用范围广的优点。

一种跨越障碍机器人，包括机器人本体、驱动轮、升降机构、支撑爪，所述驱动轮通过升降机构连接到机器人本体，驱动轮包括至少前后设置的两组，所述支撑爪设置在机器人本体上两组驱动轮中间，能自由伸缩，支撑爪包括至少前后设置的两组。

机器人在平地上通过两组驱动轮行驶，一般情况下，升降机构使机器人本体保持处于最低的高度，重心降低，行驶平稳。

遇到稍高一些的障碍或陡坡障碍时，机器人驱动轮直接跨越障碍不过，通过支撑爪的伸出，驱动轮前轮离地，驱动轮后轮提供向前运动的动力，机器人本体越过障碍物。

遇到更高一些的障碍或陡阶梯障碍时，通过支撑爪前爪的伸出，驱动轮前轮离地，驱动轮后轮提供向前运动的动力，机器人本体跨越障碍到中途，接着支撑爪的前爪收缩，驱动轮前轮着地，支撑爪的后爪伸出，驱动轮后轮离地，驱动轮前轮提供向前运动的动力，机器人本体完全跨越障碍。

遇到很窄的坑道时，驱动轮直接从坑道上压过，机器人跨越障碍。

遇到较宽的坑道时，通过支撑爪前爪的伸出，驱动轮前轮离地，驱动轮后轮提供向前运动的动力，机器人本体跨越障碍到中途，接着支撑爪的前爪收缩，驱动轮前轮着地，支撑爪的后爪伸出，驱动轮后轮离地，驱动轮前轮提供向前运动的动力，机器人本体完全跨越障碍。

所述机器人本体，可以为各种任意形状和结构，包括圆盘形、方箱形、类圆柱形、拟人形、坦克形、底盘与机械手组合形。

所述机器人本体的形状，优选具有对称的结构，机器人本体的重心位于驱动轮的中间、位于支撑爪的中间。

机器人本体的重心位于驱动轮、支撑爪的中间，跨越障碍过程稳定，不容易翻倒或倾覆。

所述驱动轮，可以为2、3、4、5、6、7或8组，也可以根据实际需要继续延长，优选为2组或4组。

所述驱动轮，一组(或每组)的轮子数量可以为2、3、4、5、6、7或8个，也可以根据实际需要继续延长，优选为2个或4个。

所述驱动轮，也可以为前后设置的两组共3个轮子，具体为前组2个轮子、后组1个轮子或前组1个轮子、后组2个轮子。

所述驱动轮运动，由电机控制和驱动。驱动轮直线运动，由伺服电机或步进电机控制。

所述驱动轮，至少有一组具有转向功能，可以为前轮，也可以为后轮。

驱动轮转向，由步进电机控制和驱动，具体可以通过控制蜗杆肖式(WP型)、蜗杆滚轮式(WR型)、循环球式(BS型)或齿条齿轮式(RP型)转向器转向。

所述升降机构，具有刚性，驱动轮通过升降机构支撑机器人本体，升降机构的调节方式可以为液压调节、丝杆调节或齿轮调节。只要能满足升降的功能即可，具体的形式和形状不做限定，本领域技术人员可以选择现有技术中满足条件的升降机构。

驱动轮着地、升降机构伸开时，机器人本体被抬高；机器人本体被支撑爪支撑抬高时，升降机构收缩，驱动轮被收缩抬离地面。通过升降机构的调节，方便机器人做各种行走、跨越障碍的姿态调节。

所述支撑爪，可以包括支撑结构和收放结构，具体可以为起落架结构。

所述支撑爪，也可以为气动支撑杆或液压支撑杆结构，支撑爪的伸缩通过气体或液压来调节。

所述支撑爪与机器人本体为可旋转的连接，具体可以为铰接或万向连轴器连接。

所述支撑爪进行防滑处理，支撑爪撑地时不打滑。

作为本发明的另一方面，本发明提供一种机器人越障方法，具有方法简单、容易控制的优点。

机器人行走过程中会遇到各种不同的地形，障碍形状千奇百怪，为了简化以及说明典型的越障过程，本发明将在实施例部分详细说明陡斜坡障碍、方形障碍、坑障碍、阶梯障碍的越障过程。

一种机器人越障方法，主要包括以下过程：

S1：机器人通过驱动轮行进到障碍前；

S2：支撑爪伸出，支撑到地面；

S3：支撑爪继续伸缩并以支撑地面的点为支点做旋转运动，驱动轮离地，机器人本体移动跨越障碍。

有益效果：

1、本发明机器人包括机器人本体、驱动轮、升降机构、支撑爪，通过驱动轮、升降机构、支撑爪的相互配合，越障能力强、适用范围广。

2、本发明机器人本体的重心位于驱动轮、支撑爪的中间，跨越障碍过程稳定，不容易翻倒或倾覆。

3、本发明机器人的本体形状结构多样，可选范围多；升降机构、支撑爪的功能实现形式可以多样，可选范围多。

4、本发明越障过程机器人本体能保持水平或接近水平，越障过程平稳、稳定。5、本发明越障过程支撑爪、升降机构只做简单运动，控制和实现过程简单。

附图说明

图1为机器人结构示意图；

图2为机器人结构示意图；

图3为实施例1的支撑爪结构示意图；

图4为机器人爬斜坡过程示意图；

图5为机器人跨越坑道障碍示意图；

图6为机器人跨越凸出障碍示意图；

图7、图8依次为机器人跨越阶梯障碍示意图；

其中，1机器人本体，2驱动轮，3升降机构，4支撑爪，21驱动轮前轮，26驱动轮后轮，31前轮升降机构，36后轮升降机构，22驱动轮前轮，27驱动轮后轮，42支撑爪，23驱动轮前轮，28驱动轮后轮，33前轮升降机构，38后轮升降机构，42支撑爪，24驱动轮前轮，29驱动轮后轮，34前轮升降机构，39后轮升降机构，45支撑爪，46支撑爪，47支撑爪。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1、图2所示，一种跨越障碍机器人，包括机器人本体1、驱动轮2、升降机构3、支撑爪4，所述驱动轮2通过升降机构3连接到机器人本体1，驱动轮包括前后设置的两组，所述支撑爪4设置在机器人本体上两组驱动轮2中间，能自由伸缩，支撑爪4包括前后设置的两组。

前后两组驱动轮都同时具有直线运动和转向的功能，单组驱动轮分别由两个步进电机控制，一个控制直线行进，一个控制转向，步进电机的运行，由机器人的控制系统统一协调控制。

升降机构，具有刚性，驱动轮通过升降机构支撑机器人本体，升降机构的调节方式为液压调节。升降机构具体为液压千斤顶结构，驱动轮着地、千斤顶伸长时，机器人本体被抬高；机器人本体被支撑爪支撑抬高后，千斤顶收缩，驱动轮被收缩离地。通过升降机构的调节，方便机器人做各种行走、跨越障碍的姿态调节。

如图3所示，支撑爪为液压支撑杆结构，支撑爪的伸缩通过液压来调节，具体支撑爪为液压千斤顶结构。支撑爪圆形部分为液压千斤顶伸缩部分，支撑爪方形部分为液压千斤顶伸缩部分与机器人本体连接的构件，也可以作为液压控制机构的放置位置。

支撑爪与机器人本体为可旋转的连接，本实施例具体为铰接。

本实施例的跨越障碍机器人，通过驱动轮、升降机构、支撑爪的相互配合，实现机器人整体的移动和跨越障碍。机器人本体的重心位于驱动轮的中间、位于支撑爪的中间，机器人移动和跨越障碍过程稳定，不易翻到或倾覆。

实施例2

对于斜坡障碍，传统轮式机器人爬坡或下坡时，机器人本体会倾斜，斜坡倾斜角度过大，机器人就会翻到或倾覆。

如图4所示，机器人向左行进爬坡，图片从上到下依次显示爬坡过程。

一种机器人爬坡越障方法，包括以下步骤：

a1：机器人本体1保持低位，通过轮子滚动行进到斜坡前；

a2：机器人前轮21继续向前运动跨上斜坡，机器人后轮升降机构36伸长，逐渐使机器人本体1后端升高，保持机器人本体1水平或接近水平行进；

a3：机器人前轮21继续行进，机器人后轮26跨上斜坡，后轮升降机构36伸长到使机器人本体1水平或接近水平的位置，保持，机器人爬上斜坡障碍。

相比于传统的轮式机器人爬坡过程，机器人只能爬上倾斜度很小的斜坡，一般倾斜角不超过30度，最多不超过45度，本实施例机器人跨越斜坡过程，不仅能跨越倾斜角更大的斜坡，不受最大倾角45度的限制，跨越过程还稳定，机器人本体始终保持水平或接近水平，重心始终保持在前后轮的中间位置，跨越斜坡过程稳定。

机器人下坡越障方法与爬坡越障方法相反，如图4所示，机器人向右行进下坡，图片从下到上依次显示下坡过程，具体下坡步骤与爬坡步骤相反，此处不再详述。

实施例3

对于坑道障碍，传统的机器人没有有效的应对办法，一般是轮子直接掉到坑道中，很难再爬上来。

如图5所示，机器人从右向左行进跨越坑道，图片从上到下依次显示跨越坑道过程。

一种机器人跨越坑道方法，包括以下步骤：

b1：机器人本体1保持低位，通过轮子滚动行进到坑道前；

b2：机器人驱动轮前轮22行进到坑道边缘，前支撑爪42伸出，接触到接近坑道的地面A点；

b3：机器人后轮27提供前行的动力，支撑爪42以A为不动点做旋转运动，驱动轮前轮22离地，机器人本体向前运动；

b4：支撑爪42以A为不动点做旋转运动的同时伸长，驱动轮前轮22经坑道上方越过后着地；

b5：机器人驱动轮前轮22提供向前的动力，支撑爪42收缩回机器人本体，机器人驱动轮后轮27按照类似b2至b4的过程越过坑道，从而机器人跨越坑道。

本实施例机器人跨越坑道方法，适用性广，不局限于坑道的宽度和深度(相对于驱动轮大小)，也不受坑道内状态的影响。

实施例4

对于行走道路上凸出的障碍物，传统机器人无法直接跨越，所述凸出的障碍物可以为各种不同的形式和形状，在本实施例中，为了描述和表述方便，简化为方形。

如图6所示，机器人从右向左行进跨越凸出障碍，图片从上到下依次显示跨越凸出障碍过程。

一种机器人跨越凸出障碍的方法，包括以下步骤：

c1：机器人本体1保持低位，通过轮子滚动行进到凸出障碍前；

c2：机器人驱动轮前轮23行进到凸出障碍边缘，前轮升降机构33和后轮升降机构38同时伸长，使机器人本体1升高并保持水平；

c3：前支撑爪43伸出接触到接近凸出障碍的地面B点，支撑机器人本体1，同时前轮升降机构33收缩使驱动轮前轮23离地；

c4：机器人驱动轮后轮28提供前行的动力，支撑爪43以B为不动点做旋转运动，机器人本体1向前运动；

c5：支撑爪43以B为不动点做旋转运动的同时伸长，驱动轮前轮23经凸出障碍上方越过；

c6：前轮升降机构33伸长使驱动轮前轮23着地并支撑机器人本体，支撑爪43收缩回机器人本体；

c7：机器人驱动轮后轮28按照类似c2至c6的过程越过凸出障碍，从而机器人跨越凸出障碍。

传统的机器人跨越凸出障碍的方法，是直接从凸出障碍上压过去，受障碍物的形状、结构、凸出障碍的放置方式、材料的稳定性等影响很大，机器人不容易保持稳定，容易翻倒或倾覆。

本实施例机器人跨越凸出障碍的方法，是真正的从凸出障碍物上跨过去，不受障碍物的形状、结构、凸出障碍的放置方式、材料的稳定性等影响，而且跨越过程机器人本体保持水平或接近水平，跨越障碍过程稳定。

实施例5

对于阶梯型障碍，是机器人越障过程中遇到的很难的障碍，也是评价机器人越障能力强不强的一个指标。

如图7、图8依次所示，机器人从右向左行进跨越阶梯障碍，图片从上到下依次显示跨越阶梯障碍过程。

一种机器人跨越阶梯障碍的方法，包括以下步骤：

d1：机器人本体1通过轮子滚动行进到凸出障碍前；

d2：机器人驱动轮前轮24行进到阶梯边缘，前支撑爪45伸出，接触到接近阶梯的地面E点；

d3：机器人后轮29提供前行的动力，支撑爪45以E为不动点做旋转运动，驱动轮前轮24离地，机器人本体向前运动；

d4：支撑爪45以E为不动点做旋转运动的同时伸长，驱动轮前轮24跨上阶梯后着地，支撑爪45收缩回机器人本体；

d5：机器人驱动轮后轮29行进到阶梯边缘，支撑爪46伸出，接触到接近阶梯的地面G点；

d6：机器人前轮24提供前行的动力，支撑爪46以G为不动点做旋转运动，驱动轮后轮29离地，机器人本体向前运动；

d7：支撑爪47伸出，接触到阶梯上的地面H点，支撑爪46收缩回机器人本体；

d8：支撑爪47以H为不动点做旋转运动，驱动轮后轮29着地，落到阶梯上；

d9：支撑爪46收缩回机器人本体，机器人本体跨越阶梯障碍后向前行驶。

进一步，所述步骤d4后、d5前，还可以增加步骤d45，步骤d45为：前轮升降机构34、后轮升降机构39伸长，增加机器人本体的高度，保持机器人本体水平或接近水平。

步骤d45能增加跨越过程的稳定性，还可以使机器人可跨越阶梯的高度范围扩大。

机器人下阶梯障碍方法与爬阶梯障碍方法相反，依次如图8、图7所示，机器人从左向右行进下阶梯，图片从下到上依次显示下阶梯过程，具体下阶梯步骤与上阶梯步骤相反，此处不再详述。

最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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 (10)

1.一种跨越障碍机器人，其特征在于，包括机器人本体、驱动轮、升降机构、支撑爪，所述驱动轮通过升降机构连接到机器人本体，驱动轮包括至少前后设置的两组，所述支撑爪设置在机器人本体上两组驱动轮中间，能自由伸缩，支撑爪包括至少前后设置的两组。

2.根据权利要求1所述的跨越障碍机器人，其特征在于，所述机器人本体的形状为圆盘形、方箱形、类圆柱形、拟人形、坦克形或底盘与机械手组合形；和/或所述机器人本体的形状为对称结构；和/或所述机器人本体的重心位于驱动轮的中间、位于支撑爪的中间。

3.根据权利要求1所述的跨越障碍机器人，其特征在于，所述驱动轮由电机控制和驱动，所述驱动轮至少有一组具有转向功能；所述驱动轮转向由步进电机控制和驱动，通过控制蜗杆肖式(WP型)、蜗杆滚轮式(WR型)、循环球式(BS型)或齿条齿轮式(RP型)转向器转向。

4.根据权利要求3所述的跨越障碍机器人，其特征在于，所述驱动轮为2、3、4、5、6、7或8组，优选为2组或4组；和/或所述驱动轮的每组的轮子数量为2、3、4、5、6、7或8个，优选为2个或4个。

5.根据权利要求1所述的跨越障碍机器人，其特征在于，所述升降机构的调节方式为液压调节、丝杆调节或齿轮调节。

6.根据权利要求1所述的跨越障碍机器人，其特征在于，所述支撑爪为起落架结构、气动支撑杆或液压支撑杆结构；所述支撑爪与机器人本体为可旋转的连接，具体为铰接或万向连轴器连接；和/或所述支撑爪进行防滑处理。

7.根据权利要求1至6任一项所述的跨越障碍机器人爬坡越障方法，其特征在于，包括以下步骤：

a1：机器人本体(1)保持低位，通过轮子滚动行进到斜坡前；

a2：机器人前轮(21)继续向前运动跨上斜坡，机器人后轮升降机构(36)伸长，逐渐使机器人本体(1)后端升高，保持机器人本体(1)水平或接近水平行进；

a3：机器人前轮(21)继续行进，机器人后轮(26)跨上斜坡，后轮升降机构(36)伸长到使机器人本体(1)水平或接近水平的位置，保持，机器人爬上斜坡障碍。

8.根据权利要求1至6任一项所述的跨越障碍机器人跨越坑道方法，其特征在于，包括以下步骤：

b1：机器人本体(1)保持低位，通过轮子滚动行进到坑道前；

b2：机器人驱动轮前轮(22)行进到坑道边缘，前支撑爪(42)伸出，接触到接近坑道的地面(A)点；

b3：机器人后轮(27)提供前行的动力，支撑爪(42)以(A)为不动点做旋转运动，驱动轮前轮(22)离地，机器人本体向前运动；

b4：支撑爪(42)以(A)为不动点做旋转运动的同时伸长，驱动轮前轮22经坑道上方越过后着地；

b5：机器人驱动轮前轮(22)提供向前的动力，支撑爪(42)收缩回机器人本体，机器人驱动轮后轮(27)按照类似b2至b4的过程越过坑道，从而机器人跨越坑道。

9.根据权利要求1至6任一项所述的跨越障碍机器人跨越凸出障碍的方法，其特征在于，包括以下步骤：

c1：机器人本体(1)保持低位，通过轮子滚动行进到凸出障碍前；

c2：机器人驱动轮前轮(23)行进到凸出障碍边缘，前轮升降机构(33)和后轮升降机构(38)同时伸长，使机器人本体(1)升高并保持水平；

c3：前支撑爪(43)伸出接触到接近凸出障碍的地面(B)点，支撑机器人本体(1)，同时前轮升降机构(33)收缩使驱动轮前轮(23)离地；

c4：机器人驱动轮后轮(28)提供前行的动力，支撑爪(43)以(B)为不动点做旋转运动，机器人本体(1)向前运动；

c5：支撑爪(43)以(B)为不动点做旋转运动的同时伸长，驱动轮前轮(23)经凸出障碍上方越过；

c6：前轮升降机构(33)伸长使驱动轮前轮(23)着地并支撑机器人本体，支撑爪(43)收缩回机器人本体；

c7：机器人驱动轮后轮(28)按照类似c2至c6的过程越过凸出障碍，从而机器人跨越凸出障碍。

10.根据权利要求1至6任一项所述的跨越障碍机器人跨越阶梯障碍的方法，其特征在于，包括以下步骤：

d1：机器人本体(1)通过轮子滚动行进到凸出障碍前；

d2：机器人驱动轮前轮(24)行进到阶梯边缘，前支撑爪(45)伸出，接触到接近阶梯的地面(E)点；

d3：机器人后轮(29)提供前行的动力，支撑爪(45)以(E)为不动点做旋转运动，驱动轮前轮(24)离地，机器人本体向前运动；

d4：支撑爪(45)以(E)为不动点做旋转运动的同时伸长，驱动轮前轮(24)跨上阶梯后着地，支撑爪(45)收缩回机器人本体；

d5：机器人驱动轮后轮(29)行进到阶梯边缘，支撑爪(46)伸出，接触到接近阶梯的地面(G)点；

d6：机器人前轮(24)提供前行的动力，支撑爪(46)以(G)为不动点做旋转运动，驱动轮后轮(29)离地，机器人本体向前运动；

d7：支撑爪(47)伸出，接触到阶梯上的地面(H)点，支撑爪(46)收缩回机器人本体；

d8：支撑爪(47)以(H)为不动点做旋转运动，驱动轮后轮(29)着地，落到阶梯上；

d9：支撑爪(46)收缩回机器人本体，机器人本体跨越阶梯障碍后向前行驶。