CN116279892A - 一种基于轮腿运动的勘测机器人及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于轮腿运动的勘测机器人及其控制方法，包括负责运动的底盘和能够搭载雷达和深度相机的双轴云台；所述底盘通过电机驱动实现轮腿的伸缩及前后转向运动；以适应多种地形；所述双轴云台置于底盘上方，通过滑环和底盘相连接，同时搭载雷达和深度相机；具有两自由度能够提供全方向的勘测；将轮式机器人和腿式机器人相结合，提高了机器人行进速度和对地形的适应性，克服了传统勘探机器人效率低，且应用场面比较单一的缺点；设计了双轴云台，搭载了深度相机和探测雷达，能做到全周360°范围的扫描。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体地，涉及一种基于轮腿运动的勘测机器人及其控制方法。
背景技术
目前，按照机器人的行走方式，可以将机器人分为轮式机器人、履带式机器人和足式机器人。
轮式机器人具有操作简单、移动速度快、稳定性好、驱动控制方便等优点，但是其环境适应能力差、避障能力低和对路况要求比较高，则容易打滑，不平稳，对复杂地形无能为力。
履带式机器人在野外工作能力强，移动速度快，并且移动稳定，但是存在体积较大、对路况的要求较高、避障能力不高、效率低、运动噪声较大等缺点。
足式机器人一般采用多连杆机构串联的形式，具有良好的机动性、对路面要求低、步态多变和灵活越障等优点，但是又不可避免的存在运动速度慢、驱动控制复杂和运动间歇大，且由于重心原因容易侧翻，不稳定等不足之处。
发明内容
针对上述机器人的行走问题，本发明提出了一种基于轮腿运动的勘测机器人及其控制方法，本发明设计的机器人能够用于复杂地形资源勘探，尤其是在窄小地形的移动，轮式机器人和腿式机器人相结合，提高了机器人行进速度和对地形的适应性，克服了传统勘探机器人效率低，且应用场面比较单一的缺点。且设计了双轴云台，搭载了深度相机和探测雷达，能做到全周360°范围的扫描。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于轮腿运动的勘测机器人：
所述勘测机器人包括底盘1和双轴云台2；
所述底盘1通过电机驱动实现轮腿的伸缩及前后转向运动；
所述双轴云台2置于底盘1上方，通过滑环和底盘1相连接，同时搭载雷达和深度相机；
所述底盘1包括铝方框架、四个关节电机11、两个直流无刷减速电机12、两个180mm直径铝制轮子、两组8mm碳板腿组13、硬件控制板14、24V电池15和保护壳；
所述双轴云台2包括mid360雷达21、红外测距相机22、深度相机23、pitch轴电机24、yaw轴电机25和miniPC26。
进一步地，所述的铝方框架通过螺丝螺母交叉层叠连接作为整台机器人的骨架；所述关节电机11和直流无刷减速电机12为底盘提供动力，同时实现腿部的伸缩控制及轮组的运动控制；
所述的硬件控制板14用螺丝固定于底盘上，用于放置主控板和继电器；
所述的24V电池15置于电池架内，所述电池架放置于机器人侧面以提供电源。
进一步地，所述的保护壳使用1mm厚碳纤维板，完全包裹底盘；
所述的关节电机11与碳板腿组13连接，对腿部的伸缩提供动力；
所述碳板腿组13与轮縠通过无刷直流电机12相连，为轮组的运动提供动力；
所述碳板腿组13和铝制轮子组成的轮腿结构位于底盘两侧。
进一步地，所述底盘1还包括最少2个导向轮，安装于铝方框架外侧。
进一步地，所述雷达21通过螺丝连接到云台顶部，安装于pitch轴后端；
所述红外测距相机22及深度相机23通过螺丝连接到云台正面，安装于pitch轴24的前端；
所述pitch轴电机24通过螺丝固定到云台臂，并通过平行四连杆机构传动云台运动，
所述yaw轴电机25及miniPC26均通过螺丝连接到云台臂上。
所述勘测机器人的硬件控制板14还包括用于接收远程指令的信息接收模块；
所述miniPC26还能够根据红外测距相机22及深度相机23采集的数据进行三维建图，以及判断机器人本体是否能够通过狭窄地形。
一种基于轮腿运动的勘测机器人的控制方法：
所述方法具体包括以下步骤：
步骤1，机器人的信息接收模块接收远程指令，进入自主模式；
步骤2，机器人通过双轴云台2对外界环境进行感应以及三维建图，判断并移动到未勘测的地区；
步骤3，当机器人遇到狭窄地形，机器人通过红外测距相机22及深度相机23采集地形数据，miniPC26判断机器人是否可以通过此狭窄地形；
步骤4，若miniPC26判断出机器人能够通过狭窄地形，则通过硬件控制板14控制电机的力矩，调节轮腿结构，改变机器人腿长进而改变机器人的高度以通过狭窄地形；
若miniPC26判断出机器人不能通过狭窄地形，则将地形信息进行反馈，并更换路径。
进一步地，在步骤1中，机器人接收远程指令后，还能够进行遥控模式，在遥控模式下，机器人接收远程控制指令，机载的控制算法会将控制命令相应的映射到电机的力矩控制上，使机器人完成基础运动功能。
进一步地，所述机器人的基础运动功能包括前进、后退、转向、跳跃和调整高度等。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本发明有益效果
本发明所述的一种基于轮腿运动的勘测机器人云台与底盘采用模块化设计，云台与底盘独立设计，最后将二者连接，设计合理、便于维修，底盘采用轮腿式机构能够实现多地形自适应运动，满足多种勘探需求，具有运动快速对地形适应能力强的特点；使用solidworks对结构铝方及腿部碳板和轮縠进行静应力分析，减去了不必要的部分，使本探测机器人重量仅为12.625kg，明显优于市面上50kg的同类产品。
云台配有红外测距相机，可以对一定距离障碍物进行测量并规避，搭载深度相机可以侦测道路，搭载360mid雷达可以对周围地形进行扫描；云台有yaw和pitch两个自由度，在复杂环境中可以来去自如，处理一些复杂的探测任务，搭配雷达和相机的使用可以满足机器人在复杂环境中的信息反馈。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于轮腿运动的勘测机器人的整体结构示意图；
图2为本发明所述的一种基于轮腿运动的勘测机器人的底盘结构示意图；
图3为本发明所述的一种基于轮腿运动的勘测机器人的云台结构右轴侧示意图；
其中，1、底盘，11、关节电机，12、直流无刷减速电机，13、8mm腿部碳板，14、硬件控制板，15、电池，2、云台，21、mid360雷达，22、红外测距相机，23、深度相机，24、pitch轴直流无刷电机，25、yaw轴电机，26、miniPC。
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。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。
结合图1至图3。
一种基于轮腿运动的勘测机器人：
所述勘测机器人包括负责运动的底盘1和能够搭载雷达和深度相机的双轴云台2；
所述底盘1通过电机驱动实现轮腿的伸缩及前后转向运动；以适应多种地形；
所述双轴云台2置于底盘1上方，通过滑环和底盘1相连接，同时搭载雷达和深度相机；具有两自由度能够提供全方向的勘测；
所述底盘1包括铝方框架、四个关节电机11、两个直流无刷减速电机12、两个180mm直径铝制轮子、两组8mm碳板腿组13、硬件控制板14、24V电池15和保护壳；
所述双轴云台2包括mid360雷达21、红外测距相机22、深度相机23、pitch轴电机24、yaw轴电机25和miniPC26。
所述的铝方框架通过螺丝螺母交叉层叠连接作为整台机器人的骨架；所述关节电机11和直流无刷减速电机12为底盘提供动力，同时实现腿部的伸缩控制及轮组的运动控制；
所述的硬件控制板14用螺丝固定于底盘上，用于放置主控板和继电器等控制模块；
所述的24V电池15置于电池架内，所述电池架放置于机器人侧面以提供电源。
所述的保护壳使用1mm厚碳纤维板，完全包裹底盘提供保护；
所述的关节电机11与碳板腿组13连接，对腿部的伸缩提供动力；
所述碳板腿组13与轮縠通过无刷直流电机12相连，为轮组的运动提供动力。
所述碳板腿组13和铝制轮子组成的轮腿结构位于底盘两侧。
所述底盘1还包括最少2个导向轮，安装于铝方框架外侧。
所述雷达21通过螺丝连接到云台顶部，安装于pitch轴后端；
所述红外测距相机22及深度相机23通过螺丝连接到云台正面，安装于pitch轴24的前端；
所述pitch轴电机24通过螺丝固定到云台臂，并通过平行四连杆机构传动云台运动，
所述yaw轴电机25及miniPC26均通过螺丝连接到云台臂上，云台电机分别为yaw轴和pitch轴提供动力。
所述勘测机器人的硬件控制板14还包括用于接收远程指令的信息接收模块；
所述miniPC26还能够根据红外测距相机22及深度相机23采集的数据进行三维建图，以及判断机器人本体是否能够通过狭窄地形。
一种基于轮腿运动的勘测机器人的控制方法，机器人拥有两种控制模式，
第一种是遥控模式，通过遥控器发出移动指令，机器人的接收模块接收到信号之后，机载的控制算法会将控制命令相应的映射到电机的力矩控制上，使机器人完成基础运动功能；
第二种是自主模式，在通过遥控器将机器人调整为自主模式之后，机器人会先对外界环境进行感应、建图，然后再自主运动到未勘测的地区，并且在此期间机器人始终保持平衡状态，当机器人在自主状态时遇到狭小地形，机器人会首先判断地形是否可以通过，如果是狭窄区域可以通过调整机器人的高度通过的话，机器人将会调整它的腿长，通过狭窄地形，如果无法通过的话，机器人将会反馈地形信息于终端。
自主模式的控制方法具体包括以下步骤：
步骤1，机器人的信息接收模块接收远程指令，进入自主模式；
步骤2，机器人通过双轴云台2对外界环境进行感应以及三维建图，判断并移动到未勘测的地区；
步骤3，当机器人遇到狭窄地形，机器人通过红外测距相机22及深度相机23采集地形数据，miniPC26判断机器人是否可以通过此狭窄地形；
步骤4，若miniPC26判断出机器人能够通过狭窄地形，则通过硬件控制板14控制电机的力矩，调节轮腿结构，改变机器人腿长进而改变机器人的高度以通过狭窄地形；
若miniPC26判断出机器人不能通过狭窄地形，则将地形信息进行反馈，并更换路径。
在步骤1中，机器人接收远程指令后，还能够进行遥控模式，在遥控模式下机器人不执行自主模式，机器人接收远程控制指令，机载的控制算法会将控制命令相应的映射到电机的力矩控制上，使机器人完成基础运动功能，所述机器人的基础运动功能包括前进、后退、转向、跳跃和调整高度等。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线例如同轴电缆、光纤、数字用户线digital subscriberline，DSL或无线例如红外、无线、微波等方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质例如，软盘、硬盘、磁带、光介质例如，高密度数字视频光盘digitalvideodisc，DVD、或者半导体介质例如，固态硬盘solidstatedisc，SSD等。
以上对本发明所提出的一种基于轮腿运动的勘测机器人及其控制方法，进行了详细介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种基于轮腿运动的勘测机器人，其特征在于：
所述勘测机器人包括底盘(1)和双轴云台(2)；
所述底盘(1)通过电机驱动实现轮腿的伸缩及前后转向运动；
所述双轴云台(2)置于底盘(1)上方，通过滑环和底盘(1)相连接，同时搭载雷达和深度相机；
所述底盘(1)包括铝方框架、四个关节电机(11)、两个直流无刷减速电机(12)、两个180mm直径铝制轮子、两组8mm碳板腿组(13)、硬件控制板(14)、24V电池(15)和保护壳；
所述双轴云台(2)包括mid360雷达(21)、红外测距相机(22)、深度相机(23)、pitch轴电机(24)、yaw轴电机(25)和miniPC(26)。
2.根据权利要求1所述勘测机器人，其特征在于：
所述的铝方框架通过螺丝螺母交叉层叠连接作为整台机器人的骨架；所述关节电机(11)和直流无刷减速电机(12)为底盘提供动力，同时实现腿部的伸缩控制及轮组的运动控制；
所述的硬件控制板(14)用螺丝固定于底盘上，用于放置主控板和继电器；
所述的24V电池(15)置于电池架内，所述电池架放置于机器人侧面以提供电源。
3.根据权利要求2所述勘测机器人，其特征在于：
所述的保护壳使用1mm厚碳纤维板，完全包裹底盘；
所述的关节电机(11)与碳板腿组(13)连接，对腿部的伸缩提供动力；
所述碳板腿组(13)与轮縠通过无刷直流电机(12)相连，为轮组的运动提供动力；
所述碳板腿组(13)和铝制轮子组成的轮腿结构位于底盘两侧。
4.根据权利要求3所述勘测机器人，其特征在于：
所述底盘(1)还包括最少2个导向轮，安装于铝方框架外侧。
5.根据权利要求4所述勘测机器人，其特征在于：
所述雷达(21)通过螺丝连接到云台顶部，安装于pitch轴后端；
所述红外测距相机(22)及深度相机(23)通过螺丝连接到云台正面，安装于pitch轴(24)的前端；
所述pitch轴电机(24)通过螺丝固定到云台臂，并通过平行四连杆机构传动云台运动，
所述yaw轴电机(25)及miniPC(26)均通过螺丝连接到云台臂上。
6.根据权利要求5所述勘测机器人，其特征在于：
所述勘测机器人的硬件控制板(14)还包括用于接收远程指令的信息接收模块；
所述miniPC(26)还能够根据红外测距相机(22)及深度相机(23)采集的数据进行三维建图，以及判断机器人本体是否能够通过狭窄地形。
7.一种基于轮腿运动的勘测机器人的控制方法，其特征在于：
所述方法具体包括以下步骤：
步骤1，机器人的信息接收模块接收远程指令，进入自主模式；
步骤2，机器人通过双轴云台(2)对外界环境进行感应以及三维建图，判断并移动到未勘测的地区；
步骤3，当机器人遇到狭窄地形，机器人通过红外测距相机(22)及深度相机(23)采集地形数据，miniPC(26)判断机器人是否可以通过此狭窄地形；
步骤4，若miniPC(26)判断出机器人能够通过狭窄地形，则通过硬件控制板(14)控制电机的力矩，调节轮腿结构，改变机器人腿长进而改变机器人的高度以通过狭窄地形；
若miniPC(26)判断出机器人不能通过狭窄地形，则将地形信息进行反馈，并更换路径。
8.根据权利要求7所述控制方法，其特征在于：
在步骤1中，机器人接收远程指令后，还能够进行遥控模式，在遥控模式下，机器人接收远程控制指令，机载的控制算法会将控制命令相应的映射到电机的力矩控制上，使机器人完成基础运动功能。
9.根据权利要求8所述控制方法，其特征在于：
所述机器人的基础运动功能包括前进、后退、转向、跳跃和调整高度等。
10.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求7至9中任意一项所述方法的步骤。
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| CN117681989A (zh) * | 2023-12-29 | 2024-03-12 | 北京理工大学珠海学院 | 一种基于多模态技术的自动巡检机器人 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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