CN115476332B - 全地形自适应全向被动摇臂越障搜救机器人及搜救方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全地形自适应全向被动摇臂越障搜救机器人及搜救方法，机器人包括机器人本体，其包括车架（5），设于所述机器人本体前端的控制中枢；设于所述机器人本体前端的攀爬机构、与所述攀爬机构连接的越障机构，以及与所述攀爬机构匹配设置的前平衡机构，与所述越障机构匹配设置的后平衡机构，所述前平衡机构包括第一动态平衡机构（7），所述后平衡机构包括第二动态平衡机构（13）和第三动态平衡机构（14）。本发明通过攀爬机构实现与障碍物之间的角度自适应调节，越障机构实现多级蓄能驱动增加攀爬机构与障碍物之间的摩擦力，通过前平衡机构以及后平衡机构实现垂直障碍、沟渠障碍及凹凸交叉路段障碍自适应动态平衡。

Description

全地形自适应全向被动摇臂越障搜救机器人及搜救方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，更具体地，涉及一种全地形自适应全向被动摇臂越障搜救机器人及搜救方法。

背景技术

近年来，随着人类对生活质量要求的不断提高，机器辅助人工在工业，农业，医疗，服务等行业中的应用越来越广泛。具备越障能力的搜救平台能够协助人们在包括消防现场、地震、战场等极度危险的环境中高效、安全的执行搜索和救援任务，这对人类在灾后救援中高效快速完成伤员救治，挽救生命有着十分重要的意义。轮式机器人以其移动灵活、反应灵敏、易控制、易驱动、稳定性好等特点在各领域得到了广泛的研究和应用，但由于轮式机器人结构上的固有特点，虽然人们在其越障及地形自适应方面做出了许多研究和努力，但至今尚没有足够理想的结构方案能够适用于户外多障碍的复杂搜救场景。

为解决上述技术问题，专利文献CN 104071251 A公开了一种八轮越障载运机器人，包括前轮组、前轮悬架组、载运体、后轮悬架组、后轮组，所述前轮悬架组上端连接在载运体的前端、前轮悬架组下端连接前轮组；所述后轮悬架组上端连接在载运体的后端、后轮悬架组下端连接后轮组。专利CN104002291 B公开了一种定质心全向被动摇臂轮式移动机器人，包括机器人本体、四组完全相同的轮式移动机器人运动装置，机器人本体的两侧分别前后并列安装两组所述轮式移动机器人运动装置；轮式移动机器人运动装置可变形四边形机构。

但现有越障机器人仍然存在一些不足：(1)传统移动机器人多应用于路面平坦、环境布局规整的场景且着眼于环境的识别与重建，在面对障碍物时多采用避障的策略，无法应用于户外多障碍复杂地形的现状；(2)为应对复杂的地形环境，传统越障机器人需要搭载各类地形感知传感器和十分复杂的控制系统，通过对环境的感知来控制调整各部分姿态，以达到适应地形的目的。这种越障机器人虽然具备很强的越障能力，但因为需要感知环境并实时调整各机构的姿态，其越障效率较低且对传感器的性能和工作环境要求较高，增加了控制难度和制造成本。因此，为提高轮式机器人的应用范围，使其在更多的领域成为人类得力的助手，保证其工作效率和越障性能，需要设计一款适用于在户外复杂地形环境中执行搜救任务的被动地形自适应轮式越障机器人，通过地形自适应机构的变形来被动的调整各部分姿态以达到适应复杂环境的目的，从而提高轮式机器人在非结构化环境中的越障及地形自适应能力。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种被动地形自适应轮式搜救机器人，通过地形自适应机构的变形来被动的调整各部分姿态以达到适应复杂环境的目的，通过攀爬机构实现与障碍物之间的角度自适应调节，越障机构实现多级蓄能驱动增加攀爬机构与障碍物之间的摩擦力，通过前平衡机构以及后平衡机构实现垂直障碍、沟渠障碍及凹凸交叉路段障碍自适应动态平衡，攀爬和越障最大垂直障碍可达430mm，可跨越垂直障碍、沟渠障碍及凹凸交叉路段障碍，满足户外复杂地形环境中执行搜救任务功能需求，解决传统搜救机器人难以适应复杂地形环境、结构复杂及控制冗余等一系列问题。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种全地形自适应全向被动摇臂越障搜救机器人，包括：

机器人本体，其包括车架；

设于所述机器人本体前端用于扫描机器人前进方向一定范围内地形地貌特征，并根据地形地貌特征计算规划机器人前进最有路径，分析该路径上可能遇到的垂直高度障碍、跨越沟渠障碍以及凹凸交叉路段障碍类型的控制中枢；

设于所述机器人本体前端的攀爬机构、与所述攀爬机构连接的越障机构，所述攀爬机构用于根据不同障碍类型与障碍接触受力发生变形带动前轮抬升与障碍形成一定攀爬角度，所述控制中枢控制越障机构动作驱动后平衡机构蓄能不断增加前轮与垂直障碍之间的摩擦力，继而驱动攀爬机构完成前轮越障；

以及与所述攀爬机构匹配设置的前平衡机构，与所述越障机构匹配设置的后平衡机构，所述前平衡机构包括第一动态平衡机构，所述后平衡机构包括第二动态平衡机构和第三动态平衡机构，左右对称的两侧后平衡机构将受力传递给对应一侧的第二动态平衡机构和/或第三动态平衡机构和/或第一动态平衡机构，两侧的第一动态平衡机构、第二动态平衡机构、第三动态平衡机构承受相同的力压缩或伸长或者承受不同的力压缩或伸长，当越过障碍时则迅速恢复原来的状态，确保机器人越障过程中保持姿态平衡。

进一步地，所述攀爬机构包括上摇臂、攀爬机构摆杆、攀爬机构左连杆，所述上摇臂一端通过攀爬机构摆杆实现与前轮连接，另一端通过第一动态平衡机构与车架连接。

进一步地，所述前平衡机构包括左右对称结构，二者通过前平衡机构平衡杆连接，其中一侧设有与所述上摇臂平行设置的前平衡机构右摇臂。

进一步地，所述前平衡机构包括与所述前平衡机构右摇臂连接的平衡机构右连杆，所述平衡机构右连杆连接与所述前平衡机构平衡杆一端相连，另一侧设有与所述前平衡机构右摇臂对称的前平衡机构左摇臂。

进一步地，所述前平衡机构左摇臂通过攀爬机构左连杆与前平衡机构平衡杆连接。

进一步地，所述越障机构包括前连杆、越障机构摆杆及越障机构后连杆；

所述前连杆一端与车架连接，另一端与越障机构摆杆连接，越障机构摆杆一端与中轮和第二动态平衡机构连接，另一端与后轮和第三动态平衡机构连接。

进一步地，所述后平衡机构包括越障机构右后连杆，所述越障机构右后连杆一端与后轮连接，另一端与车架连接。

进一步地，所述后平衡机构包括后平衡机构右连杆、后平衡机构平衡杆、后平衡机构左连杆以及越障机构左后连杆，后平衡机构平衡杆两端分别通过后平衡机构右连杆、后平衡机构左连杆和越障机构左后连杆与车架实现连接。

进一步地，所述机器人本体包括设于该车架顶部的车厢，以及分别设于车架一端与所述攀爬机构连接的前轮、设于车架中部及后端并与所述越障机构连接的中轮和后轮。

按照本发明第二个方面，提供一种全地形自适应全向被动摇臂越障搜救方法，应用所述的全地形自适应全向被动摇臂越障搜救机器人实现，包括如下步骤：

S100：控制中枢通过激光雷达扫描机器人前进方向一定范围内地形地貌特征，并根据地形地貌特征计算规划机器人前进最有路径，分析该路径上可能遇到的垂直高度障碍、跨越沟渠障碍以及凹凸交叉路段等障碍类型；

S200：根据不同障碍类型，所述攀爬机构首先与垂直障碍接触受力，控制前平衡机构发生变形带动前轮抬升与垂直障碍形成一定攀爬角度，同时控制越障机构动作驱动后平衡机构蓄能不断增加前轮与垂直障碍之间的摩擦力，继而驱动攀爬机构完成前轮越障；

S300：左右对称的两侧后平衡机构将受力传递给对应一侧的第二动态平衡机构和/或第三动态平衡机构和/或第一动态平衡机构，两侧的第一动态平衡机构、第二动态平衡机构、第三动态平衡机构可承受相同的力压缩或伸长，或者承受不同的力压缩或伸长，当越过障碍时则迅速恢复原来的状态，确保机器人越障过程中保持姿态平衡；

S400：继而控制机器人本体重心前移，后平衡机构蓄能逐步释放驱动机器人本体完成越障搜救作业。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明的越障机器人，控制中枢首先通过激光雷达扫描机器人前进方向一定范围内地形地貌特征，并根据地形地貌特征计算规划机器人前进最有路径，分析该路径上可能遇到的垂直高度障碍、跨越沟渠障碍以及凹凸交叉路段等障碍类型，根据不同障碍类型，所述攀爬机构首先与垂直障碍接触受力，控制前平衡机构发生变形带动前轮抬升与垂直障碍形成一定攀爬角度，同时控制越障机构动作驱动后平衡机构蓄能不断增加前轮与垂直障碍之间的摩擦力，继而驱动攀爬机构完成前轮越障，继而控制机器人本体重心前移，后平衡机构蓄能逐步释放驱动机器人本体完成越障。本发明的被动地形自适应轮式搜救机器人通过地形自适应机构的变形来被动的调整各部分姿态以达到适应复杂环境的目的，通过攀爬机构实现与障碍物之间的角度自适应调节，越障机构实现多级蓄能驱动增加攀爬机构与障碍物之间的摩擦力，通过前平衡机构以及后平衡机构实现垂直障碍、沟渠障碍及凹凸交叉路段障碍自适应动态平衡，攀爬和越障最大垂直障碍可达430mm，可跨越垂直障碍、沟渠障碍及凹凸交叉路段障碍，满足户外复杂地形环境中执行搜救任务功能需求，解决传统搜救机器人难以适应复杂地形环境、结构复杂及控制冗余等一系列问题。

2.本发明的越障机器人，地形自适应机构具备更强的越障和地形自适应能力，本发明专利设计的越障搜救机器人采用整体式结构布局，攀爬机构和越障机构相对独立，并使用平衡机构协调各部分，既充分发挥了越障机构强大的越障能力同时又使得各部分之间紧密协调从而确保越障搜救机器人具备较好的地形自适应能力。

3.本发明的越障机器人，设计的地形自适应机构，融合了遗传算法，通过建立几何参数模型基于设计需要设定边界条件，对地形自适应机构的几何参数进行优化求解，找到了符合设计指标的最优解，这一优化方案可为其他机械结构设计提供一种新的优化思路。

4.本发明的越障机器人，当前轮与障碍物接触受力后，上摇臂推动第一动态平衡机构压缩蓄能，从而带动前轮提升并与障碍物之间形成一定角度，通过中轮和后轮共同出力持续增加驱动力从而增加前轮与障碍物之间的摩擦力，最终实现垂直高差430mm障碍物攀爬，超过搜集机器人的最大攀爬越障高度要求。

5.本发明的越障机器人，设计的地形自适应机构各连杆之间设定固定的比例，在应用中可根据实际越障需要对杆长进行调整，从而达到系列化设计的目标。

6.本发明的越障机器人，机器人攀爬跨越障碍时，左右对称的两侧后平衡机构将受力传递给对应一侧的第二动态平衡机构和/或第三动态平衡机构和/或第一动态平衡机构，两侧的第一动态平衡机构、第二动态平衡机构、第三动态平衡机构可承受相同的力压缩或伸长，或者承受不同的力压缩或伸长，当越过障碍时则迅速恢复原来的状态，确保机器人越障过程中保持姿态平衡，不至于发生横向侧翻，确保机器人安全。

附图说明

图1为本发明实施例被动地形自适应轮式搜救机器人总体结构示意图；

图2为本发明实施例中攀爬机构和前平衡机构示意图；

图3为本发明实施例中越障机构和后平衡机构示意图；

图4为本发明实施例中地形自适应机构基本原理示意图；

图5为本发明实施例中攀爬机构基本原理示意图；

图6为本发明实施例中越障机构基本原理示意图；

图7为本发明实施例中前平衡机构基本原理示意图；

图8为本发明实施例中后平衡机构基本原理示意图；

图9为本发明实施例中攀爬过程示意图；

图10为本发明实施例中越障过程示意图；

图11为本发明实施例中越障机器人爬越垂直障碍状态示意图；

图12为本发明实施例中跨越沟渠障碍物路段状态示意图；

图13为本发明实施例中越过交叉路段障碍物路段状态示意图；

图14为本发明实施例被动地形自适应轮式搜救机器人总体控制逻辑流程图；

图15为本发明实施例总体控制逻辑流程示意图；

图16为本发明实施例配重平衡系统组成结构示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-前轮、2-攀爬机构摆杆、3-前平衡机构右摇臂、4-上摇臂、5-车架、6-平衡机构右连杆、7-第一动态平衡机构、8-前平衡机构平衡杆、9-攀爬机构左连杆、10-中轮、11-前连杆、12-越障机构摆杆、13-第二动态平衡机构、14-第三动态平衡机构、15-后轮、16-越障机构右后连杆、17-后平衡机构右连杆、18-后平衡机构平衡杆、19-后平衡机构左连杆、20-越障机构左后连杆、21-前平衡机构左摇臂、22-车厢。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和图4所示，本发明实施例提供一种被动地形自适应轮式搜救机器人，采用整体式布局，六轮独立驱动。攀爬机构和越障机构彼此相对独立，左右对称；左右机构之间设置平衡机构进行调节，提高越障机器人的地形自适应能力。包括机器人本体、设于机器人本体前端的控制中枢和攀爬机构、与所述攀爬机构连接的越障机构、与所述攀爬机构匹配设置的前平衡机构，以及与所述越障机构匹配设置的后平衡机构。该机构突破了传统越障机器人采用的摆臂式悬架结构行程较小的局限，具有较强的越障能力。控制中枢首先通过激光雷达(图中为示意)扫描机器人前进方向一定范围内(如前方50m-100m范围)地形地貌特征，并根据地形地貌特征计算规划机器人前进最有路径，分析该路径上可能遇到的垂直高度障碍、跨越沟渠障碍以及凹凸交叉路段等障碍类型，根据不同障碍类型，所述攀爬机构首先与障碍接触受力，控制前平衡机构发生变形带动前轮抬升与垂直障碍形成一定攀爬角度，同时控制越障机构动作驱动后平衡机构蓄能不断增加前轮与垂直障碍之间的摩擦力，继而驱动攀爬机构完成前轮越障，继而控制机器人本体重心前移，前后俯仰失稳角为87°，左右翻滚失稳角为85°，后平衡机构蓄能逐步释放驱动机器人本体完成越障。本发明的被动地形自适应轮式搜救机器人通过地形自适应机构的变形来被动的调整各部分姿态以达到适应复杂环境的目的，通过攀爬机构实现与障碍物之间的角度自适应调节，越障机构实现多级蓄能驱动增加攀爬机构与障碍物之间的摩擦力，通过前平衡机构以及后平衡机构实现垂直障碍、沟渠障碍及凹凸交叉路段障碍自适应动态平衡，攀爬和越障最大垂直障碍可达430mm，可跨越垂直障碍、沟渠障碍及凹凸交叉路段障碍，满足户外复杂地形环境中执行搜救任务功能需求，解决传统搜救机器人难以适应复杂地形环境、结构复杂及控制冗余等一系列问题。

如果1和图2所示，机器人本体包括车架5及设于该车架5顶部的车厢22，以及分别设于车架5一端与所述攀爬机构连接的前轮1、设于车架5中部及后端并与所述越障机构连接的中轮10和后轮15。控制中枢安装于所述车架5前端，包括激光雷达及控制模块(图中未示意)，其用于实时扫描机器人前方一定范围内(如50m-100m)的地形地貌特征，并根据地形地貌特征计算规划机器人前进最优路径，控制前轮1、中轮10和后轮15的轮毂电机驱动机器人按照规划好的路径运动，实现机器人行驶路径智能测量、规划及实时优化调整，大大提升了搜救机器人的智能化水平。

如图1和图2所示，在本发明的一个实施例中，攀爬机构包括上摇臂4、攀爬机构摆杆2、攀爬机构左连杆9以及第一动态平衡机构7。其中，上摇臂4一端通过攀爬机构摆杆2实现与前轮1连接，另一端通过第一动态平衡机构7与车架5连接。如图2所示，前平衡机构包括左右对称结构，二者通过前平衡机构平衡杆8连接，其中一侧设有与所述上摇臂4平行设置的前平衡机构右摇臂3、与该前平衡机构右摇臂3连接的平衡机构右连杆6，平衡机构右连杆6连接与所述前平衡机构平衡杆8一端相连，另一侧设有与所述前平衡机构右摇臂3对称的前平衡机构左摇臂21，前平衡机构左摇臂21通过攀爬机构左连杆9与前平衡机构平衡杆8连接。以其中一侧为例，前平衡机构右连杆6通过前平衡机构平衡杆8与车架5固定连接，前平衡机构右摇臂3与前平衡机构右连杆6之间通过铰链活动连接，前平衡机构右摇臂3、上摇臂4、前平衡机构右连杆6以及第一动态平衡机构7共同过程联动机构，当前轮与障碍物接触受力后，上摇臂4推动第一动态平衡机构7压缩蓄能，从而带动前轮1提升并与障碍物之间形成一定角度，通过中轮10和后轮15共同出力持续增加驱动力从而增加前轮1与障碍物之间的摩擦力，最终实现垂直高差430mm障碍物攀爬，超过搜集机器人的最大攀爬越障高度要求。如图9所示，在四边形连杆ABCD中，由三心定理可知摆杆CDE的速度瞬心为连杆AD和BC延长线的交点P。摆杆CDE的末端与车轮轮心相连，当车轮遇到障碍物时，摆杆CDE在其末端E点受水平方向上的力F的作用发生翻转，将车轮绕速度瞬心P向上抬升。如图5和图7所示，在本发明的实施例中，所述攀爬机构为双摇臂四连杆机构，设计的越障搜救机器人设计指标应确保能够跨越400mm垂直障碍台阶，在这一设计指标下，本发明专利中攀爬机构和越障机构单独设计，其中攀爬机构杆长比满足如下关系：L1:L2:L3:L4:L5＝1:2.5:1.45:2.8:3.6。其中θ₀＝20°，α＝158°，ρ＝40°，设计L1＝110mm，配以轮毂电机独立驱动的10寸轮胎(半径为167mm)，其最大越障高度可达到430mm；越障机构杆长比满足如下关系：L6：L7:L8＝1.5:1:3.58，β＝151°。其中前连杆11、越障机构后连杆16连杆长度相等，第二动态平衡机构13和第三动态平衡机构14避震器弹簧安装位置对称。在L＝750mm,d＝800mm的尺寸条件下，当L7＝150mm时，配合独立驱动的10寸轮胎(半径为167mm)，最大越障高度可达到420mm，满足设计之初的400mm越障指标。其中，攀爬机构的第一动态平衡机构7的安装点间距为330mm，刚度约为20000N/m；越障机构弹簧避震器的安装点间距为280mm，刚度约为8000N/m。弹簧避震器的刚度可根据实际使用情况做适当调整，以确保越障机器人对不同地形的适应性。

如图10所示越障机构，连杆AB和连杆DC为连架杆，其延长线的交点为点P，由三心定理可知，点P为摆杆FBCE的速度瞬心，轮胎受力时摆杆FBCE沿速度瞬心逆时针旋转从而抬升轮胎完成越障。该机构结构稳定，地形自适应能力强，通过调整杆件长度同样可以达到较大的越障高度，本发明专利据此原理设计了越障机构。如图1和图3所示，越障机构包括前连杆11、越障机构摆杆12、越障机构后连杆16以及第二动态平衡机构13和第三动态平衡机构14。其中，所述前连杆11一端与车架5连接，另一端与越障机构摆杆12连接，越障机构摆杆12一端与中轮10和第二动态平衡机构13连接，另一端与后轮15和第三动态平衡机构14连接，第二动态平衡机构13和第三动态平衡机构14的另一端相接触，并与车架5固定连接。如图6所示，前连杆11、越障机构摆杆12、越障机构后连杆16以及第二动态平衡机构13和第三动态平衡机构14共同构成多级连杆机构，当攀爬机构与障碍物接触受力变形后，通过前连杆11、越障机构摆杆12将力向所述第二动态平衡机构13和第三动态平衡机构14传递，当攀爬障碍时，如图6和图9所示，机器人重心处于车厢22后半部分，当攀爬机构跨越障碍时，随着越障机构的受力压缩，机器人重心逐步后移，减轻机器人前端重量，进一步助力攀爬机构爬越障碍，随着攀爬机构逐步跨越障碍，第一动态平衡机构7伸长，带第二动态平衡机构13和第三动态平衡机构14伸长，机器人重心逐步前移，加之中轮10和后轮15的轮毂电机驱动机器人实现障碍物完全跨越。在本发明的实施例中，越障机构的杆长比满足如下关系：L6：L7:L8＝1.5:1:3.58，β＝151°。其中前连杆11、越障机构后连杆16连杆长度相等，第二动态平衡机构13和第三动态平衡机构14安装位置对称。本发明设计的越障机构基于布置需要，在确定L＝750mm,d＝800mm的尺寸条件下，当L7＝150mm时，配合独立驱动的10寸轮胎(半径为167mm)，最大越障高度可达到420mm，满足设计之初的400mm越障指标。

如图1和图3所示，在本发明实施例中，后平衡机构包括越障机构右后连杆16、后平衡机构右连杆17、后平衡机构平衡杆18、后平衡机构左连杆19以及越障机构左后连杆20。其中，越障机构右后连杆16一端与后轮15连接，另一端与车架5连接，后平衡机构平衡杆18两端分别通过后平衡机构右连杆17、后平衡机构左连杆19和越障机构左后连杆20与车架5实现连接。如图8和图10所示、当机器人攀爬跨越障碍时，左右对称的两侧后平衡机构将受力传递给对应一侧的第二动态平衡机构13和/或第三动态平衡机构14和/或第一动态平衡机构7，两侧的第一动态平衡机构7、第二动态平衡机构13、第三动态平衡机构14可承受相同的力压缩或伸长，或者承受不同的力压缩或伸长，当越过障碍时则迅速恢复原来的状态，确保机器人越障过程中保持姿态平衡，不至于发生横向侧翻，确保机器人安全。如图16所示，当车辆进行越障操作时，可能存在前轮悬空车身失稳翻倒的情况，在车体内设置了车身稳定性主动控制模块。车辆运行时，通过设置在车轮组件上的传感器对车轮是否着地进行检测。如检测到前轮组悬空，则车身平衡块主动后移，保持车身平衡；如检测到后轮组悬空，则主动车身平衡块主动前移；如所有轮组都着地，则车身平衡块居中，车辆正常运行。

如图14和图15所示，在面对复杂障碍地形时，地形自适应机构的各部分通过受力变形协调配合，使得越障机器人的各轮与地面保持有效的接触，从而确保机器人行驶的稳定性。具体而言，当接收到车辆运行的控制指令后，通过车身倾角传感器和地形感知传感器感知车身和周边环境状态，确认车辆采用何种运行模式(平地、爬坡、越障和转弯)，通过车身稳定性控制模块、六轮动力分配模块、车身平衡控制模块和转弯控制模块对车辆进行控制，并将电机驱动指令传递给车身驱动感知单元，控制车辆实现行进、越障和转弯运动。在平衡机构的调节作用下，当越障机器人面对交叉路段时左右攀爬机构仍然可以使得轮胎与地面产生有效的接触，确保机器人的地形自适应能力。如图11所示，在攀爬较大垂直障碍时，越障机器人的攀爬机构首先与障碍物接触，受力发生变形，带动前轮向上抬升，从而完成前轮越障。在此过程中越障机构承担了机器人越障时的大部分阻力，前轮越障的过程中，在避震器弹簧的弹力作用下，能够始终与地面接触，确保了越障机器人前轮攀爬障碍的稳定性。前轮完成越障后，越障机器人的重心有所抬升，同时，在弹簧力的作用下前轮与地面存在较大的接触和摩擦力，成为越障机器人中轮越障的重要动力来源。如图11所示，越障机器人在面对垂直障碍时，机构受力发生变形，带动中轮、后轮向上抬升，在各部分的协调配合下，最终完成越障。

如图12所示，在跨越沟渠的过程中，前轮首先进入沟渠路段，并于沟渠的前侧壁面相接触，在攀爬机构的作用下，越障机器人的前轮能够轻松越过沟渠的前壁面，此后在前轮及后轮的协助下，中轮轻松完成越障，此后后轮又在前轮、中轮的作用下越过沟渠，最终确保越障机器人跨越沟渠，本发明的机器人，当障碍物的高度为200mm时，越障的最大宽度为500mm。

如图13所示，当越障机器人面对交叉路段时，平衡机构对左右机构进行调节，使得越障机器人的各轮胎始终与地面保持有效接触，从而确保了平台的地形自适应性和稳定性。

在加工制造过程中，结构件采用Q235焊接成型，车架采用方形结构钢焊接成型，各零部件间通过吊耳螺栓进行连接；驱动方式为轮毂电机六轮独立驱动，轮毂电机采用两侧支撑的安装方式，以确保受力稳定，适用于地形复杂受冲击力较大的场景；平衡机构与攀爬机构及越障机构间采用鱼眼球轴承连接，确保其空间自由度；在装配过程中应做防尘处理，确保各机构间连接和运动的稳定性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种全地形自适应全向被动摇臂越障搜救机器人，其特征在于，包括：

机器人本体，其包括车架（5）；

设于所述机器人本体前端用于扫描机器人前进方向一定范围内地形地貌特征，并根据地形地貌特征计算规划机器人前进最有路径，分析该路径上可能遇到的垂直高度障碍、跨越沟渠障碍以及凹凸交叉路段障碍类型的控制中枢；

设于所述机器人本体前端的攀爬机构、与所述攀爬机构连接的越障机构，所述攀爬机构用于根据不同障碍类型与障碍接触受力发生变形带动前轮抬升与障碍形成一定攀爬角度，所述控制中枢控制越障机构动作驱动后平衡机构蓄能不断增加前轮与垂直障碍之间的摩擦力，继而驱动攀爬机构完成前轮越障；

以及与所述攀爬机构匹配设置的前平衡机构，与所述越障机构匹配设置的后平衡机构，所述前平衡机构包括第一动态平衡机构（7），所述后平衡机构包括第二动态平衡机构（13）和第三动态平衡机构（14），左右对称的两侧后平衡机构将受力传递给对应一侧的第二动态平衡机构（13）和/或第三动态平衡机构（14）和/或第一动态平衡机构（7），两侧的第一动态平衡机构（7）、第二动态平衡机构（13）、第三动态平衡机构（14）承受相同的力压缩或伸长或者承受不同的力压缩或伸长，当越过障碍时则迅速恢复原来的状态，确保机器人越障过程中保持姿态平衡；

所述攀爬机构包括上摇臂（4）、攀爬机构摆杆（2）、攀爬机构左连杆（9），所述上摇臂（4）一端通过攀爬机构摆杆（2）实现与前轮（1）连接，另一端通过第一动态平衡机构（7）与车架（5）连接；

所述前平衡机构包括左右对称结构，二者通过前平衡机构平衡杆（8）连接，其中一侧设有与所述上摇臂（4）平行设置的前平衡机构右摇臂（3）；

所述前平衡机构包括与所述前平衡机构右摇臂（3）连接的平衡机构右连杆（6），所述平衡机构右连杆（6）与所述前平衡机构平衡杆（8）的一端相连，所述前平衡机构平衡杆（8）的另一侧设有与所述前平衡机构右摇臂（3）对称的前平衡机构左摇臂（21）；

所述前平衡机构左摇臂（21）通过攀爬机构左连杆（9）与前平衡机构平衡杆（8）连接。

2.根据权利要求1所述的一种全地形自适应全向被动摇臂越障搜救机器人，其特征在于，所述越障机构包括前连杆（11）、越障机构摆杆（12）及越障机构后连杆（16）；

所述前连杆（11）一端与车架（5）连接，另一端与越障机构摆杆（12）连接，越障机构摆杆（12）一端与中轮（10）和第二动态平衡机构（13）连接，另一端与后轮（15）和第三动态平衡机构（14）连接。

3.根据权利要求1所述的一种全地形自适应全向被动摇臂越障搜救机器人，其特征在于，所述后平衡机构包括越障机构右后连杆（16），所述越障机构右后连杆（16）一端与后轮（15）连接，另一端与车架（5）连接。

4.根据权利要求3所述的一种全地形自适应全向被动摇臂越障搜救机器人，其特征在于，所述后平衡机构包括后平衡机构右连杆（17）、后平衡机构平衡杆（18）、后平衡机构左连杆（19）以及越障机构左后连杆（20），后平衡机构平衡杆（18）两端分别通过后平衡机构右连杆（17）、后平衡机构左连杆（19）和越障机构左后连杆（20）与车架（5）实现连接。

5.根据权利要求1所述的一种全地形自适应全向被动摇臂越障搜救机器人，其特征在于，所述机器人本体包括设于该车架（5）顶部的车厢（22），以及分别设于车架（5）一端与所述攀爬机构连接的前轮（1）、设于车架（5）中部及后端并与所述越障机构连接的中轮（10）和后轮（15）。

6.一种全地形自适应全向被动摇臂越障搜救方法，其特征在于，应用如权利要求1-5中任一项所述的全地形自适应全向被动摇臂越障搜救机器人实现，包括如下步骤：

S100：控制中枢通过激光雷达扫描机器人前进方向一定范围内地形地貌特征，并根据地形地貌特征计算规划机器人前进最有路径，分析该路径上可能遇到的垂直高度障碍、跨越沟渠障碍以及凹凸交叉路段等障碍类型；

S200：根据不同障碍类型，所述攀爬机构首先与垂直障碍接触受力，控制前平衡机构发生变形带动前轮抬升与垂直障碍形成一定攀爬角度，同时控制越障机构动作驱动后平衡机构蓄能不断增加前轮与垂直障碍之间的摩擦力，继而驱动攀爬机构完成前轮越障；

S300：左右对称的两侧后平衡机构将受力传递给对应一侧的第二动态平衡机构和/或第三动态平衡机构和/或第一动态平衡机构，两侧的第一动态平衡机构、第二动态平衡机构、第三动态平衡机构可承受相同的力压缩或伸长，或者承受不同的力压缩或伸长，当越过障碍时则迅速恢复原来的状态，确保机器人越障过程中保持姿态平衡；

S400：继而控制机器人本体重心前移，后平衡机构蓄能逐步释放驱动机器人本体完成越障搜救作业。