CN115817672A - 一种爬楼机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种爬楼机器人控制系统，解决了现有技术在爬楼机器人的攀爬控制过程中，无法对爬楼动作进行精细化控制，攀爬过程容易出现倾斜，难以完成货物平稳运送的技术问题；本发明包括中央控制模块，以及与之相连接的数据采集模块和机器人本体，机器人本体包括攀爬腿组一、攀爬腿组二和置物台；本发明在攀爬腿组转换时，对货物作用在置物台上的压力分布进行分析，通过分布比例或者重心映射位置确定支撑的攀爬腿组中各攀爬腿承担的压力，将压力转化为伸缩补偿值，结合楼梯高度来进行攀爬脚的伸缩控制；本发明对置物台受到的压力进行分析获取伸缩补偿值，能够保证置物台在攀爬腿组转换过程中保持平稳，避免机器人本体倾斜。

Description

一种爬楼机器人控制系统

技术领域

本发明属于机器人领域，涉及一种爬楼机器人的控制技术，具体是一种爬楼机器人控制系统。

背景技术

随着机器人技术的发展，其应用场景也越来越广泛。而楼梯是机器人在工作中最难跨越的障碍之一，在日常生活中非常最容易遇到，因此如何平稳的攀爬楼梯是机器人适应非结构化环境必备的功能之一。

现有技术(公开号为CN109434795A的发明专利申请)公开了一种具有目标跟踪和自动避障的载物爬楼机器人，通过超声波距离传感器、激光雷达和摄像头采集相关数据，再根据控制系统的处理结果来控制机器人本体的运动轨迹，实现自动避障和目标跟踪，达到高效爬楼和平稳送货的效果。现有技术通过内置的各类型数据传感器可以实现爬楼的基本操作，但是无法对爬楼动作进行精细化控制，在攀爬过程中会出现倾斜，货物容易移位，进而影响机器人的平稳性，难以完成货物的平稳运送；因此，亟须一种能够稳定攀爬的爬楼机器人控制系统。

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之一；为此，本发明提出了一种爬楼机器人控制系统，用于解决现有技术在爬楼机器人的攀爬控制过程中，无法对爬楼动作进行精细化控制，攀爬过程容易出现倾斜，难以完成货物平稳运送的技术问题；本发明通过对机器人攀爬腿的联动控制，以及对货物下压力的分布计算精确控制机器人的攀爬过程来解决上述问题。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种爬楼机器人控制系统，包括中央控制模块，以及与之相连接的数据采集模块和机器人本体；

机器人本体包括攀爬腿组一和攀爬腿组二和置物台；每组攀爬腿中的三条攀爬腿按照正三角形分布设置，且各攀爬腿底部设置有轮子，攀爬腿组一和攀爬腿组二对应正三角形的中心点相同；攀爬组二中的攀爬腿均可伸缩；

数据采集模块通过与之相连接的图像采集设备实时采集图像数据；中央控制模块根据校正之后的图像数据计算楼梯高度，基于楼梯高度确定伸缩长度；

中央控制模块根据伸缩长度控制攀爬腿组二中前侧攀爬腿伸长，之后控制轮子向前移动；当攀爬腿组二中的前侧攀爬腿处于楼梯面时，进行承载力分析，根据分析结果计算伸缩补偿值；其中，承载力通过压力传感器获取；

中央控制模块根据图像数据计算下一阶梯对应的伸缩长度，将该伸缩长度与伸缩补偿值相结合控制攀爬组二中攀爬腿的伸长，之后控制轮子向前移动。

优选的，所述置物台上侧设置有均匀分布的若干压力传感器，下侧中心位置设置有中央控制模块；其中，若干压力传感器用于采集承载力分布情况；

所述攀爬腿组一中至少后侧攀爬腿可伸缩，所述攀爬腿组一或者攀爬腿组二中的后侧攀爬腿至少为一条；且所述攀爬腿组一和攀爬腿组二对应的正三角形中心重合，且所述攀爬腿组一处于外侧。

优选的，所述攀爬腿组一和攀爬腿组二前侧均设置一个轮子，则两个轮子之间的距离小于楼梯面宽度；或者

所述攀爬组一前侧设置有一个轮子，攀爬组二前侧设置有两个轮子，则攀爬组一前侧轮子与攀爬组二前侧两个轮子所处直线的垂直距离小于楼梯面宽度。

优选的，所述中央控制模块根据校正之后的图像数据确定伸缩长度，包括：

对接收的图像数据进行预处理；其中，预处理包括图像分割或者图像校正；

从图像数据中提取前侧当前攀爬楼梯高度，标记为LG；通过公式SC=α×LG确定伸缩长度SC；其中，α为根据环境设定的比例系数，取值范围为[1，1.2]。

优选的，所述中央控制模块根据伸缩长度控制机器人本体前进，包括：

当机器人本体开始攀爬楼梯时，先识别前方需要攀爬的楼梯高度，再确定伸缩长度；当攀爬腿组一的前侧攀爬腿达到楼梯侧面时，根据伸缩长度控制攀爬腿组二的前侧攀爬腿伸长；或者

当机器人本体的攀爬腿组二的后侧攀爬腿处于楼梯平面之后，先识别前方需要攀爬的楼梯高度，再确定伸缩长度；当攀爬腿组一的前侧攀爬腿达到楼梯侧面时，结合伸缩长度控制攀爬腿组二中的攀爬腿伸长。

优选的，所述中央控制模块在进行攀爬腿组替换时，根据承载力的分析结果计算伸缩补偿值，包括：

根据若干压力传感器获取压力分布图；

基于压力分布图确定攀爬腿组一或者攀爬腿组二中各攀爬腿承担的压力值；根据压力值计算各攀爬腿的伸缩补偿值。

优选的，所述中央控制模块根据分布比例确定各攀爬腿对应的压力值，包括：

以攀爬腿组一或者攀爬腿组二对应正三角形的中心为起始点向三条边作垂线，将正三角形划分为三个面积相等的子区域；

统计各子区域中的压力总量作为对应攀爬腿承担的压力值。

优选的，所述中央控制模块根据货物重心在正三角形中的位置确定各攀爬腿对应的压力值，包括：

将获取的中心映射在正三角形中，标记为目标点；将正三角形顶点分别标记为i；通过压力传感器获取货物重量，标记为HZ；其中，i=1，2，3；

计算目标点到各正三角形顶点的距离，标记为JLi；通过公式CYi=HZ×JLi计算各攀爬腿承担的压力值CYi。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明在进行攀爬腿组转换时，对货物作用在置物台上的压力分布进行分析，通过分布比例或者重心映射位置确定支撑的攀爬腿组中各攀爬腿承担的压力，将压力转化为伸缩补偿值，结合楼梯高度来进行攀爬脚的伸缩控制。本发明对置物台受到的压力进行分析获取伸缩补偿值，能够保证置物台在攀爬腿组转换过程中保持平稳，避免机器人本体倾斜。

2.本发明通过图像采集设备采集图像数据，根据图像数据计算出楼梯高度之后，结合实际环境合理设置比例系数，确定伸缩长度。本发明通过合理确定比例系数，能够保证攀爬腿的抬升高度大于楼梯高度，避免在抬升过程中与楼梯侧面发生碰撞。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中两组攀爬腿的位置示意图一；

图2为本发明中两组攀爬腿的位置示意图二；

图3为本发明中根据分布比例确定伸缩补偿值的原理示意图；

图4为本发明中根据货物中心映射关系确定伸缩补偿值的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图4，本发明第一方面实施例提供了一种爬楼机器人控制系统，包括中央控制模块，以及与之相连接的数据采集模块和机器人本体；机器人本体包括攀爬腿组一和攀爬腿组二和置物台；每组攀爬腿中的三条攀爬腿按照正三角形分布设置，且各攀爬腿底部设置有轮子，攀爬腿组一和攀爬腿组二对应正三角形的中心点相同；攀爬组二中的攀爬腿均可伸缩；数据采集模块通过与之相连接的图像采集设备实时采集图像数据；中央控制模块根据校正之后的图像数据计算楼梯高度，基于楼梯高度确定伸缩长度；中央控制模块根据伸缩长度控制攀爬腿组二中前侧攀爬腿伸长，之后控制轮子向前移动；当攀爬腿组二中的前侧攀爬腿处于楼梯平面时，进行承载力分析，根据分析结果计算伸缩补偿值；其中，承载力通过压力传感器获取；中央控制模块根据图像数据计算下一阶梯对应的伸缩长度，将该伸缩长度与伸缩补偿值相结合控制攀爬组二中攀爬腿的伸长，之后控制轮子向前移动。

本发明中的机器人本体主要通过两组攀爬腿组来进行攀爬，两组攀爬腿组相当于人类的左右腿，进行交换支撑。本发明的主要通过中央控制模块来进行全局控制，中央控制模块主要通过数据采集模块来获取数据，然后对采集到的数据进行分析进而发出控制信号。数据采集模块主要与图像采集设备和若干压力传感器通信和/或电气连接；图像采集设备具体为摄像头，用于采集机器人本体前侧或者四周的视频图像数据；压力传感器设置在置物台上侧，用于获取货物的重量以及重量在置物台的分布情况。

机器人本体主要包括置物台以及两组攀爬腿组，两组攀爬腿组均设置在置物台下侧。置物台上可以摆放需要运输的货物，在两组攀爬腿组的配合之下通过楼梯。每组攀爬腿组均设置有三条攀爬腿，三条攀爬腿上部均通过连杆固定连接形成一个支撑区域，该支撑区域用于支撑置物台，而三条攀爬腿的下部分可伸缩，最下面连接有轮子，方便移动。攀爬腿的伸缩可通过液压或者气动控制。需要注意的是，同一组中的三条攀爬腿按照正三角形设置，为了保证在换腿时置物台的稳定性，提高结构强度。

本发明中置物台上侧均匀设置有若干压力传感器，通过均匀分布的压力传感器可以检测到压力值，根据压力值大小可以确定压力分布情况。置物台的下侧主要安装有各种控制硬件，如中央控制模块、数据采集模块，这些硬件设置在置物台下方中心处，以降低控制硬件本身重量对机器人本体稳定性的影响。

本发明中所述攀爬腿组一和攀爬腿组二前侧均设置一个轮子，则两个轮子之间的距离小于楼梯面宽度。也就说攀爬组一和攀爬组二都是前面一个轮子，后面两个轮子，需要保证攀爬腿组一和攀爬腿组二前侧轮子之间的距离小于楼面宽度，后侧轮子对应的两条平行线之间的距离也要小于路面宽度。如图1，其中圆形代表置物台，两个正三角形的顶点分别代表两组攀爬腿组中的攀爬腿，且虚线的正三角形代表攀爬腿组二，上侧为机器人本体前进方向，黑点表示中心位置。

另外一种情况是所述攀爬组一前侧设置有一个轮子，攀爬组二前侧设置有两个轮子，则攀爬组一前侧轮子与攀爬组二前侧两个轮子所处直线的垂直距离小于楼梯面宽度。无论上述哪种情况，均为了保证单组攀爬腿组支撑时的稳定性，如图2，置物台的形状可以根据实际需求设置，图示仅便于理解。

本发明中所述中央控制模块根据校正之后的图像数据确定伸缩长度，包括：对接收的图像数据进行预处理；从图像数据中提取前侧当前攀爬楼梯高度，标记为LG；通过公式SC=α×LG确定伸缩长度SC。

α为根据环境设定的比例系数，取值范围为[1，1.2]；α的设定是为了保证攀爬腿能够伸长足够的长度，以免图像识别的精度不足，导致伸长长度不够而无法将攀爬腿抬升到楼梯上。举例说明：通过图像数据识别出需要攀爬的楼梯高度为10cm，结合环境将α设置为1.2，则攀爬腿的实际伸缩长度为12cm。

在确定伸缩长度之后，中央控制模块根据伸缩长度控制机器人本体前进，本发明主要考虑两种场景：一种是从平地开始攀爬楼梯，另外一种是处于一阶楼梯上并准备攀爬下一阶楼梯。

当机器人本体开始攀爬楼梯时，先识别前方需要攀爬的楼梯高度，再确定伸缩长度；当攀爬腿组一的前侧攀爬腿达到楼梯侧面时，根据伸缩长度控制攀爬腿组二的前侧攀爬腿伸长。也就是说，检测到攀爬组一的最前侧轮子到达需要攀爬的楼梯侧面时，根据计算的伸缩长度来控制其他五个轮子伸缩，五个轮子包括攀爬腿组一的后面两个轮子(选择其中一个轮子的设置方式来说明)和攀爬腿组二的三个轮子，这样整个机器人本体会被五个轮子支撑起来，向前滚动之后攀爬腿组一的前侧轮子会接触到楼梯平面，继续前进，当攀爬腿组一的前侧轮子达到下一阶楼梯的侧面即停止。

值得注意的是，此时需要对已经攀爬上的楼梯高度进行校准，也就是确定之前的伸缩长度等于楼梯高度，若不等于则根据实际的楼梯高度进行覆盖，可将更新之后的楼梯高度作为后续攀爬腿伸缩的基础数据。若伸缩长度高于楼梯高度，则攀爬腿组一的前侧轮子先升高，后下降最后的升高高度才是楼梯实际高度。

当机器人本体的攀爬腿组二的后侧攀爬腿处于楼梯平面之后，先识别前方需要攀爬的楼梯高度，再确定伸缩长度；当攀爬腿组一的前侧攀爬腿达到楼梯侧面时，结合伸缩长度控制攀爬腿组二中的攀爬腿伸长。

该场景中，静止状态下应该是攀爬腿组一的后侧轮子与攀爬腿组二的后侧轮子处于上一阶楼梯平面，攀爬腿组二的前侧轮子处于中间的楼梯平面，攀爬腿组一的轮子处于下一阶楼梯平面。此时，识别需要攀爬的楼梯高度，确定伸缩长度，然后直接控制攀爬腿组二中三个攀爬腿伸长，前进可以到达需要攀爬的楼梯。

在对攀爬腿进行伸缩控制之前，需要对置物台上的压力分布进行分析，以免进行伸缩时发生偏离，导致机器人本体翻倒。

如图3所示，在一个优选的实施例中，所述中央控制模块在进行攀爬腿组替换时，根据承载力的分析结果计算伸缩补偿值，包括：根据若干压力传感器获取压力分布图；基于压力分布图确定攀爬腿组一或者攀爬腿组二中各攀爬腿承担的压力值；根据压力值计算各攀爬腿的伸缩补偿值。

确定下一进行伸缩控制时哪三条攀爬腿会成为支撑腿(这三条腿一般属于同一攀爬腿组)，判断货物在支撑腿所组成的三角形中的压力分布，具体是将三角形等分成三部分，每部分均对应一个攀爬腿，而将货物重力转换成压力值，进而按照在划分之后各区域所占比例来分配压力值，中央控制模块结合分配的压力值可以设置合理的伸缩补偿值，也就是说伸缩补偿值和楼梯高度之和是最终需要确定的伸缩长度。具体压力值到伸缩长度的转换需要结合硬件性能进行。

在另外一个可选的实施例中，所述中央控制模块根据货物重心在正三角形中的位置确定各攀爬腿对应的压力值，包括：将获取的中心映射在正三角形中，标记为目标点；将正三角形顶点分别标记为i；通过压力传感器获取货物重量，标记为HZ；计算目标点到各正三角形顶点的距离，标记为JLi；通过公式CYi=HZ×JLi计算各攀爬腿承担的压力值CYi。

如图4所示，黑点为货物在置物台上映射的位置，若货物质量为10kg，黑点距离三角形三个顶点的距离分别为3：3：4，则对应分担的压力分别为30N、30N和40N，将分担的压力转换为对应的伸缩长度即可。

前述已经根据图像数据确定了攀爬腿对应的伸缩长度，将伸缩长度与伸缩补偿值相加之后获取最终的伸缩值，根据这个伸缩值来控制攀爬腿的伸缩。在攀爬腿实际抬升的过程中，货物对机器人本体的重力刚好被伸缩补偿值抵消，机器人本体的抬升高度实际还是获取的伸缩长度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。

Claims (8)

1.一种爬楼机器人控制系统，包括中央控制模块，以及与之相连接的数据采集模块和机器人本体；其特征在于：

机器人本体包括攀爬腿组一和攀爬腿组二和置物台；每组攀爬腿中的三条攀爬腿按照正三角形分布设置，且各攀爬腿底部设置有轮子，攀爬腿组一和攀爬腿组二对应正三角形的中心点相同；攀爬组二中的攀爬腿均可伸缩；

数据采集模块通过与之相连接的图像采集设备实时采集图像数据；中央控制模块根据校正之后的图像数据计算楼梯高度，基于楼梯高度确定伸缩长度；

中央控制模块根据伸缩长度控制攀爬腿组二中前侧攀爬腿伸长，之后控制轮子向前移动；当攀爬腿组二中的前侧攀爬腿处于楼梯面时，进行承载力分析，根据分析结果计算伸缩补偿值；其中，承载力通过压力传感器获取；

中央控制模块根据图像数据计算下一阶梯对应的伸缩长度，将该伸缩长度与伸缩补偿值相结合控制攀爬组二中攀爬腿的伸长，之后控制轮子向前移动。

2.根据权利要求1所述的一种爬楼机器人控制系统，其特征在于，所述置物台上侧设置有均匀分布的若干压力传感器，下侧中心位置设置有中央控制模块；其中，若干压力传感器用于采集承载力分布情况；

所述攀爬腿组一中至少后侧攀爬腿可伸缩，所述攀爬腿组一或者攀爬腿组二中的后侧攀爬腿至少为一条；且所述攀爬腿组一和攀爬腿组二对应的正三角形中心重合，且所述攀爬腿组一处于外侧。

3.根据权利要求2所述的一种爬楼机器人控制系统，其特征在于，所述攀爬腿组一和攀爬腿组二前侧均设置一个轮子，则两个轮子之间的距离小于楼梯面宽度；或者

所述攀爬组一前侧设置有一个轮子，攀爬组二前侧设置有两个轮子，则攀爬组一前侧轮子与攀爬组二前侧两个轮子所处直线的垂直距离小于楼梯面宽度。

4.根据权利要求3所述的一种爬楼机器人控制系统，其特征在于，所述中央控制模块根据校正之后的图像数据确定伸缩长度，包括：

对接收的图像数据进行预处理；其中，预处理包括图像分割或者图像校正；

从图像数据中提取前侧当前攀爬楼梯高度，标记为LG；通过公式SC=α×LG确定伸缩长度SC；其中，α为根据环境设定的比例系数，取值范围为[1，1.2]。

5.根据权利要求4所述的一种爬楼机器人控制系统，其特征在于，所述中央控制模块根据伸缩长度控制机器人本体前进，包括：

当机器人本体开始攀爬楼梯时，先识别前方需要攀爬的楼梯高度，再确定伸缩长度；当攀爬腿组一的前侧攀爬腿达到楼梯侧面时，根据伸缩长度控制攀爬腿组二的前侧攀爬腿伸长；或者

当机器人本体的攀爬腿组二的后侧攀爬腿处于楼梯平面之后，先识别前方需要攀爬的楼梯高度，再确定伸缩长度；当攀爬腿组一的前侧攀爬腿达到楼梯侧面时，结合伸缩长度控制攀爬腿组二中的攀爬腿伸长。

6.根据权利要求5所述的一种爬楼机器人控制系统，其特征在于，所述中央控制模块在进行攀爬腿组替换时，根据承载力的分析结果计算伸缩补偿值，包括：

根据若干压力传感器获取压力分布图；

基于压力分布图确定攀爬腿组一或者攀爬腿组二中各攀爬腿承担的压力值；根据压力值计算各攀爬腿的伸缩补偿值。

7.根据权利要求6所述的一种爬楼机器人控制系统，其特征在于，所述中央控制模块根据分布比例确定各攀爬腿对应的压力值，包括：

以攀爬腿组一或者攀爬腿组二对应正三角形的中心为起始点向三条边作垂线，将正三角形划分为三个面积相等的子区域；

统计各子区域中的压力总量作为对应攀爬腿承担的压力值。

8.根据权利要求6所述的一种爬楼机器人控制系统，其特征在于，所述中央控制模块根据货物重心在正三角形中的位置确定各攀爬腿对应的压力值，包括：

将获取的中心映射在正三角形中，标记为目标点；将正三角形顶点分别标记为i；通过压力传感器获取货物重量，标记为HZ；其中，i=1，2，3；

计算目标点到各正三角形顶点的距离，标记为JLi；通过公式CYi=HZ×JLi计算各攀爬腿承担的压力值CYi。

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