CN113510678A - 一种全地形机器人控制方法及全地形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全地形机器人控制方法及全地形机器人。包括A：通道状态为可升高跨越时抬高机器人重心高度跨越，通道状态为可降低通行时降低机器人重心高度直至通过；B：当机体俯仰角在时间T1内连续超出机体俯仰角允许范围时，抬高机器人重心高度进入俯仰角保护模式；C：通过当前翻滚角和目标翻滚角获取机器人两侧目标高度差，调节机器人两侧支撑机构两侧的高度差达到目标高度差；D：当机器人转弯时，根据当前线速度和当前角速度得到机器人重心朝向转弯侧的横向目标偏移量，调节机器人两侧支撑机构的高度使得机器人重心朝向转弯侧的横向偏移量达到横向目标偏移量。通过调节机器人重心高度以及重心偏移距离来提高机器人运动平稳性。

Description

一种全地形机器人控制方法及全地形机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种全地形机器人控制方法及全地形机器人。

背景技术

随着科学技术的不断发展，移动机器人得到了广泛的应用，其优势是：可替代越来越高的人力成本，耐用度高、无疲倦感，而且可在污染环境、危险环境中执行任务，以及可执行对人体有伤害的任务。有的移动机器人虽然具有自重轻、承载大、机构简单、行走速度快以及工作高效等特点，但是由于移动机器人结构相对固定不带升降机构，导致其通行能力受到限制，特别是在两轮机器人上，由于结构固定不带升降机构，在跨越体积较大的障碍物、通过低矮通道、斜坡或者崎岖地形时，机器人丧失通行能力或由于机身倾斜过大，导致承载的物体脱落，甚至造成机身倾覆。

不带升降机构的两轮机器人具有以下缺点：(1)机器人启停不方便。当机器人停止时，失去平衡力，需要额外的支撑杆保持不倾倒，启动时需收起支撑杆，在支撑杆收放过程中可能影响机体的平衡调节，造成失控。(2)机器人高度固定，通行能力受到限制。主要表现为以下两方面：底盘高度固定，跨越能力有限；机体高度固定，不能通过较矮的通道。(3)当机器人运行时，为使机体平衡，机体需倾斜一定角度抵消轮子输出的力矩，力矩越大倾斜角度越大，特别是在斜坡上运行时，倾斜角度较大，不利于平衡控制，稳定性变差。(4)一般的机器人利用弹簧被动减震，由于弹簧物理属性固定，应用场景有限且减震效果一般。(5)当左右侧路面存在高度差时，机体不能保持水平状态，甚至有侧倾危险。(6)转弯时由于离心力的影响，稳定性差，影响运动性能。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种全地形机器人控制方法及全地形机器人。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种全地形机器人控制方法，包括步骤A，以及步骤B、步骤C、步骤D四个步骤中的全部或部分；所述步骤A包括：采集机器人的行驶通道图像，根据所述行驶通道图像获取通道状态，所述通道状态包括可正常通行、可升高跨越、可降低通行和不可通行四种，当所述通道状态为可升高跨越时，抬高所述机器人重心高度直至顺利跨越，当所述通道状态为可降低通行时，降低所述机器人重心高度直至顺利通过；所述步骤B包括：设置机体俯仰角允许范围，实时获取机器人的机体俯仰角；当所述机体俯仰角在时间T1内连续超出所述机体俯仰角允许范围时，抬高所述机器人重心高度进入俯仰角保护模式；当进入俯仰角保护模式后，若所述机体俯仰角在时间T2内连续未超出所述机体俯仰角允许范围时，降低所述机器人重心高度退出俯仰角保护模式；所述T1和T2均大于0；所述步骤C包括：设置机器人机体的目标翻滚角，获取机器人机体的当前翻滚角，通过当前翻滚角和目标翻滚角获取机器人两侧的目标高度差，调节机器人两侧支撑机构的高度使得两侧的高度差达到所述目标高度差；所述步骤D包括：当机器人转弯时，实时获取机器人机体的当前线速度和当前角速度，根据当前线速度和当前角速度得到机器人重心朝向转弯侧的横向目标偏移量，调节机器人两侧支撑机构的高度使得机器人重心朝向转弯侧的横向偏移量达到所述横向目标偏移量。

上述技术方案：通过调节机器人重心高度以及重心偏移距离来提高机器人运动平稳性，具体的：步骤A能够根据解决机器人高度固定问题，可根据通道状态调节机器人重心高度，使其顺利通过；步骤B设置俯仰角保护模式，能够在机器人机体俯仰角连续超出范围后通过抬高所述机器人重心高度来改善机器倾斜度，便于平衡控制；步骤C实时检测机器人机体的翻滚角并通过调节两侧支撑机构的高度差保证机体姿态平稳，使得在颠簸路面实时调节两侧支撑机构的相对高度，起到主动减震的作用，减震效果更优，使得通过单边桥时，主动调节两侧支撑机构的相对高度，使机体始终保持水平状态，增强机器人的稳定性；步骤D能够在机器人转弯时主动调节两侧支撑机构的相对高度，使重心横向移动，通过重力抵消离心力，增强转弯稳定性。

在本发明的一种优选实施方式中，步骤A之前还包括启动步骤：当机器人启动时，抬高所述机器人的重心高度；所述全地形机器人控制方法最后还具有停止步骤：当机器人停止时，降低所述机器人的重心高度。

上述技术方案：启动步骤和停止步骤优化了两轮机器人启停方式，使得机器人启停过程更方便、更平稳。

在本发明的一种优选实施方式中，在所述步骤C中，通过如下公式获得机器人两侧的目标高度差Δh，所述Δh＝D(tanα-tanβ)，其中，所述D表示机器人两侧行驶机构之间的距离，所述α表示机器人机体的当前翻滚角，所述β表示机器人机体的目标翻滚角。

上述技术方案：能够定量调节机器人两侧行驶机构高度差，使得机体保持原有姿态。

在本发明的一种优选实施方式中，在所述步骤D中，所述横向目标偏移量Δd为：Δd＝ωvH/g，其中，ω表示机器人机体的当前角速度，v表示机器人机体的当前线速度，H表示机器人当前重心高度，g表示重力加速度。

上述技术方案：能够定量调节机器人重心偏移距离，通过重力抵消离心力，增强机器人转弯稳定性。

本发明还公开了一种全地形机器人，包括机体、分别设于所述机体两侧的两个行驶机构，每侧行驶机构通过独立受控的高度可伸缩调节的支撑机构与机体连接，所述机体上设置有AI摄像头、IMU模块，所述行驶机构上设置有采集所述行驶机构速度的编码器，以及还包括控制器，所述控制器分别与AI摄像头、IMU模块、编码器和支撑机构的高度调节部连接；所述控制器根据AI摄像头输出的行驶道路图像、IMU模块输出的机体俯仰角和机体翻滚角、以及编码器输出的行驶机构的速度，按照本发明所述的全地形机器人控制方法调节支撑机构的高度以保持机器人稳定。

上述技术方案：该全地形机器人通过调节机器人重心高度以及重心偏移距离提高了运动平稳性；能够根据解决机器人高度固定问题，可根据通道状态调节机器人重心高度，使其顺利通过；能够在机器人机体俯仰角连续超出范围后通过抬高所述机器人重心高度来改善机器倾斜度，便于平衡控制；实时检测机器人机体的翻滚角并通过调节两侧支撑机构的高度差保证机体姿态平稳，使得在颠簸路面实时调节两侧支撑机构的相对高度，起到主动减震的作用，减震效果更优，使得通过单边桥时，主动调节两侧支撑机构的相对高度，使机体始终保持水平状态，增强机器人的稳定性；能够在机器人转弯时主动调节两侧支撑机构的相对高度，使重心横向移动，通过重力抵消离心力，增强转弯稳定性。

在本发明的一种优选实施方式中，还包括设于所述机体底部的减震垫。

上述技术方案：能够主动减震，提高机体平稳性。

在本发明的一种优选实施方式中，所述行驶机构为车轮机构。

上述技术方案：便于控制和实施。

在本发明的一种优选实施方式中，所述编码器包括测量左轮速度的第一编码器和测量右轮速度的第二编码器，所述控制器根据第一编码器输出的左轮速度和第二编码器输出的右轮速度得到机器人机体的线速度v和角速度ω，所述线速度v＝(v_l+v_r)/2，所述角速度ω＝(v_r-v_l)/D，其中，v_l表示左轮速度，v_r表示右轮速度，D表示机器人左右轮之间的距离。

上述技术方案：便于快速获得机器人机体的线速度和角速度。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式中机器人的系统框图；

图2是本发明一具体实施方式中机器人结构示意图；

图3是本发明一具体实施方式中机器人停车时的状态图；

图4是本发明一具体实施方式中机器人平地行走时的状态图；

图5是本发明一具体实施方式中机器人上坡行走时的状态图；

图6是本发明一具体实施方式中机器人一侧轮胎抬高时的状态图；

图7是本发明一具体实施方式中机器人转弯时的状态图。

附图标记：

1机体；2固定座；3从动连杆；4支撑连杆；5驱动连杆；6车轮；7IMU模块；8驱动电机；9减震垫。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“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。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明公开了一种全地形机器人控制方法，在一种优选实施方式中，该方法包括步骤A，以及步骤B、步骤C、步骤D四个步骤中的全部或部分。

步骤A包括：采集机器人的行驶通道图像，根据行驶通道图像获取通道状态，通道状态包括可正常通行、可升高跨越、可降低通行和不可通行四种，当通道状态为可升高跨越时，抬高机器人重心高度直至顺利跨越，当通道状态为可降低通行时，降低机器人重心高度直至顺利通过。

在步骤A中，实时采集通道图像，从道路图像识别出道路状况，道路状况包括存在障碍物、存在门洞、存在墙体以及平坦，若道路状况为平坦，则通道状态设为可正常通行，若道路状况为存在墙体，则通道状态设为不可通行，若道路状况为存在障碍物或存在门洞，获取机器人可通行的空间大小，再与机器人当前形态进行比较就知道是否要升高或者降低姿态通行，进而得到可升高跨越或可降低通行的通道状态。上述过程中道路状况识别可采用现有技术，如公开号为的中国专利中公开号为CN112347876A、CN112057004A、CN112066994A的专利中公开的可跨越障碍物、墙体、障碍物高度识别方法，门洞、障碍物识别方法，门洞和障碍物尺寸识别方法，墙体识别方法。步骤B包括：设置机体1俯仰角允许范围，实时获取机器人的机体1俯仰角；当机体1俯仰角在时间T1内连续超出机体1俯仰角允许范围时，抬高机器人重心高度进入俯仰角保护模式；当进入俯仰角保护模式后，若机体1俯仰角在时间T2内连续未超出机体1俯仰角允许范围时，降低机器人重心高度退出俯仰角保护模式；T1和T2均大于0。俯仰角一般有正负，如可设定前倾为正，后仰为负，优选的，机体1俯仰角没有方向仅有大小，机体1俯仰角允许范围也仅是对俯仰角的大小进行限制，T1和T2可预先设置，如T1可设为3秒，T2可设为2秒。在步骤B中，实时检测机体1俯仰角，若俯仰角在一定时间段始终超过正常俯仰角范围，触发俯仰角保护功能。机器人正常行驶时，忽略关节摩擦力，两轮输出力矩M与机体1重力力矩相等，即M＝mglsinθ，相同状态下M不变，可推导出增大机体1重心到轮轴的距离l可减小俯仰角θ。所以在俯仰角保护启动后，机器人同时伸展两侧腿，抬高机体1重心，起到减小俯仰角的作用。当俯仰角在一定时间段始终在正常俯仰角范围时，关闭俯仰角保护功能，降低机体1重心，机器人恢复正常行驶状态。

步骤C包括：设置机器人机体1的目标翻滚角，获取机器人机体1的当前翻滚角，通过当前翻滚角和目标翻滚角获取机器人两侧的目标高度差，调节机器人两侧支撑机构的高度使得两侧的高度差达到目标高度差。目标翻滚角可预设为0。

步骤D包括：当机器人转弯时，实时获取机器人机体1的当前线速度和当前角速度，根据当前线速度和当前角速度得到机器人重心朝向转弯侧的横向目标偏移量，调节机器人两侧支撑机构的高度使得机器人重心朝向转弯侧的横向偏移量达到横向目标偏移量。

在一种优选实施方式中，步骤A之前还包括启动步骤：当机器人启动时，抬高机器人的重心高度；全地形机器人控制方法最后还具有停止步骤：当机器人停止时，降低机器人的重心高度。能够避免启停过程中机器人失衡失控。

在一种优选实施方式中，在步骤C中，通过如下公式获得机器人两侧的目标高度差Δh，Δh＝D(tanα-tanβ)，其中，D表示机器人两侧行驶机构之间的距离，α表示机器人机体1的当前翻滚角，β表示机器人机体1的目标翻滚角。

在一种优选实施方式中，在步骤D中，横向目标偏移量Δd为：Δd＝ωvH/g，其中，ω表示机器人机体1的当前角速度，v表示机器人机体1的当前线速度，H表示机器人当前重心高度，g表示重力加速度。

在本实施方式中，由于惯性，机体1受到的离心力F＝mωv，其中m为机器人的质量，此时通过调节两侧腿的长度使机体1重心向转弯一侧偏离d，满足mgd＝FH，其中g为重力加速度，H为机器人重心高度，此时离心力产生的力矩与重心偏移产生的力矩相等，机体1稳定。可算出重心偏移量Δd＝ωvH/g。

在本实施方式中，步骤D中，在转弯的过程可实时或定期按照步骤D中方法对机器人重心进行便宜调节，以确保顺利机器人转弯平稳。

本发明还公开了一种全地形机器人，在一种优选实施方式中，如图1所示，包括机体1、分别设于机体1两侧的两个行驶机构，每侧行驶机构通过独立受控的高度可伸缩调节的支撑机构与机体1连接，机体1上设置有AI摄像头、IMU模块7，行驶机构上设置有采集行驶机构速度的编码器，以及还包括控制器，控制器分别与AI摄像头、IMU模块7、编码器和支撑机构的高度调节部连接；控制器根据AI摄像头输出的行驶道路图像、IMU模块7输出的机体1俯仰角和机体1翻滚角、以及编码器输出的行驶机构的速度，按照上述全地形机器人控制方法调节支撑机构的高度以保持机器人稳定。

在本实施方式中，行驶机构优选但不限于为车轮机构或机器人腿部模拟结构。当行驶机构为车轮机构时，支撑机构优选但不限于采用公开号为CN211765971U的中国专利公开的悬挂结构。

在本实施方式中，优选的，还包括设于机体1底部的减震垫9。

在本实施方式中，优选的，编码器包括测量左轮速度的第一编码器和测量右轮速度的第二编码器，控制器根据第一编码器输出的左轮速度和第二编码器输出的右轮速度得到机器人机体1的线速度v和角速度ω，线速度v＝(v_l+v_r)/2，角速度ω＝(v_r-v_l)/D，其中，v_l表示左轮速度，v_r表示右轮速度，D表示机器人左右轮之间的距离。

在本实施方式中，如图2所示，机器人机体1优选但不限于为框架结构，框架结构的上端为载物台(载物平面)，IMU模块7固定在机体1底部，机体1的整体骨架的四角固定有减震垫9，行驶机构为通过轮毂电机驱动的车轮6，两个支撑机构左右对称设置，各自独立工作。支撑机构包括固定在机体1外侧上方的固定座2、驱动连杆5、从动连杆3、支撑连杆4、驱动电机8，从动连杆3一端与固定座2的一端转动连接，驱动连杆5的一端和驱动电机8的电机轴与固定座2的另一端转动连接，并且驱动连杆5的一端和驱动电机8的电机轴传动连接(如可通过输出法兰盘结构传动连接)，支撑连杆4的一端与车轮6固定连接，从动连杆3的另一端和驱动连杆5的另一端分别与支撑连杆4的另一端转动连接(连接点不重叠)，因此可通过铰链销将驱动连杆5、从动连杆3、支撑连杆4和固定座2组成四杆机构，驱动电机8转动带动驱动连杆5转动，通过四杆机构实现该支撑机构高度增高或降低，保证车轮6能够在竖直方向升降，从而实现机器人的重心升降，通过两侧支撑机构高度设置不同，可实现机器人重心偏移。

在本实施方式中，图3为机器人停车时的状态图，两侧支撑机构通过各自的驱动电机分别驱动各自的四杆机构高度降低(即四杆机构收缩)，实现机器人重心下降，通过减震垫9与地面接触缓冲，减少载物台的震荡；图4为机器人平地行走时的状态图，此时可以使两侧四杆家机构高度相等实现载物台水平；图5为机器人上坡行走时的状态图，此时可抬高机器人重心，两侧支撑机构通过各自的驱动电机分别驱动各自的四杆机构高度升高(即四杆机构舒展开)，实现机器人重心抬高；图6是机器人一侧轮胎抬高时的状态图，左右轮胎行驶坑洼和高低不平路面时，通过调节某一侧轮胎的高度(通过该侧的驱动电机驱动四杆机构收缩)，从而保证车身左右不倾斜；图7是机器人转弯时的状态图，主动调节两轮的相对高度即高度差，重心横向移动，提高转弯的稳定性和快速转弯。上述技术方案带来了如下有益效果：

(1)优化两轮机器人启停方式，启停过程更方便、更平稳。

(2)解决机器人高度固定的缺点，增加机器人的通行能力。

(3)实现机器人重心的自由调节，便于平衡控制和改善机体1的倾斜度。

(4)在颠簸路面实时调节两轮的相对高度，起到主动减震的作用，减震效果更优。

(5)通过单边桥时，主动调节两轮的相对高度，使机体1始终保持水平状态，增强机器人的稳定性。

(6)转弯时主动调节两轮的相对高度，使重心横向移动，通过重力抵消离心力，增强转弯稳定性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种全地形机器人控制方法，其特征在于，包括步骤A，以及步骤B、步骤C、步骤D四个步骤中的全部或部分；

所述步骤A包括：采集机器人的行驶通道图像，根据所述行驶通道图像获取通道状态，所述通道状态包括可正常通行、可升高跨越、可降低通行和不可通行四种，当所述通道状态为可升高跨越时，抬高所述机器人重心高度直至顺利跨越，当所述通道状态为可降低通行时，降低所述机器人重心高度直至顺利通过；

所述步骤B包括：设置机体俯仰角允许范围，实时获取机器人的机体俯仰角；当所述机体俯仰角在时间T1内连续超出所述机体俯仰角允许范围时，抬高所述机器人重心高度进入俯仰角保护模式；当进入俯仰角保护模式后，若所述机体俯仰角在时间T2内连续未超出所述机体俯仰角允许范围时，降低所述机器人重心高度退出俯仰角保护模式；所述T1和T2均大于0；

所述步骤C包括：设置机器人机体的目标翻滚角，获取机器人机体的当前翻滚角，通过当前翻滚角和目标翻滚角获取机器人两侧的目标高度差，调节机器人两侧支撑机构的高度使得两侧的高度差达到所述目标高度差；

所述步骤D包括：当机器人转弯时，实时获取机器人机体的当前线速度和当前角速度，根据当前线速度和当前角速度得到机器人重心朝向转弯侧的横向目标偏移量，调节机器人两侧支撑机构的高度使得机器人重心朝向转弯侧的横向偏移量达到所述横向目标偏移量。

2.如权利要求1所述的全地形机器人控制方法，其特征在于，步骤A之前还包括启动步骤：当机器人启动时，抬高所述机器人的重心高度；

所述全地形机器人控制方法最后还具有停止步骤：当机器人停止时，降低所述机器人的重心高度。

3.如权利要求1所述的全地形机器人控制方法，其特征在于，在所述步骤C中，通过如下公式获得机器人两侧的目标高度差Δh；

所述Δh＝D(tanα-tanβ)，其中，所述D表示机器人两侧行驶机构之间的距离，所述α表示机器人机体的当前翻滚角，所述β表示机器人机体的目标翻滚角。

4.如权利要求1所述的全地形机器人控制方法，其特征在于，在所述步骤D中，所述横向目标偏移量Δd为：

Δd＝ωvH/g，其中，ω表示机器人机体的当前角速度，v表示机器人机体的当前线速度，H表示机器人当前重心高度，g表示重力加速度。

5.一种全地形机器人，其特征在于，包括机体、分别设于所述机体两侧的两个行驶机构，每侧行驶机构通过独立受控的高度可伸缩调节的支撑机构与机体连接，所述机体上设置有AI摄像头、IMU模块，所述行驶机构上设置有采集所述行驶机构速度的编码器，以及还包括控制器，所述控制器分别与AI摄像头、IMU模块、编码器和支撑机构的高度调节部连接；

所述控制器根据AI摄像头输出的行驶道路图像、IMU模块输出的机体俯仰角和机体翻滚角、以及编码器输出的行驶机构的速度，按照权利要求1－4之一所述的全地形机器人控制方法调节支撑机构的高度以保持机器人稳定。

6.如权利要求5所述的全地形机器人，其特征在于，还包括设于所述机体底部的减震垫。

7.如权利要求5所述的全地形机器人，其特征在于，所述行驶机构为车轮机构。

8.如权利要求7所述的全地形机器人，其特征在于，所述编码器包括测量左轮速度的第一编码器和测量右轮速度的第二编码器，所述控制器根据第一编码器输出的左轮速度和第二编码器输出的右轮速度得到机器人机体的线速度v和角速度ω，所述线速度v＝(v_l+v_r)/2，所述角速度ω＝(v_r-v_l)/D，其中，v_l表示左轮速度，v_r表示右轮速度，D表示机器人左右轮之间的距离。

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