CN1759992A - 具有复合移动机构的全自主高机动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有复合移动机构的全自主高机动机器人。它包含车体，以及安装在车体上的复合移动机构、环境感知系统和智能控制系统，其中的复合移动机构包含驱动电机、减速传动装置和由行走轮、辅助轮、旋转臂、履带、履带支撑机构组成的运动部件；环境感知系统由多种传感器组成；而智能控制系统则由决策级、协调级和执行级三级组成。由于本机器人的智能控制系统采用基于多处理器的分级控制策略，具有更高的智能性，能更好地适应复杂多变的地面环境；并且复合移动机构采用了轮、腿、履带复合式移动方式，具备强大的越障能力。解决了已有的机器人因机构单一而越障能力弱，因控制系统智能化水平低而无法实现全自主运动的问题。

Description

具有复合移动机构的全自主高机动机器人

技术领域：本发明涉及一种全自主移动的机器人。

技术背景：机器人在许多行业或环境中可以代替人们的工作，以减少人类所承担的繁重劳动或直接面对危险的机会，因此机器人技术已得到了大力发展。近年来，随着研究工作的深入，机器人技术的应用领域也不断拓展，例如星球探测、爆炸物排查、救援工作等，使得越障机器人的研究越来越得到重视。研究越障机器人的一个重要目标就是提高机器人的越障能力和智能化程度，使其能够自主地在充满障碍物的非结构化环境中攀越移动。目前文献中已有报道的越障机器人要么结构单一，越障能力不强；要么智能化水平比较低，无法实现全自主运动，缺乏一种具有全自主越障功能的高智能化移动机器人。

发明内容：本发明提供一种具有复合移动机构的全自主高机动机器人。本发明的机器人解决了已有的机器人因移动机构单一而越障能力弱，因控制系统智能化水平低而无法实现全自主运动的问题。

本发明包含机器人车体，以及安装在机器人车体上的复合移动机构、环境感知系统和智能控制系统，其中复合移动机构包含驱动电机、减速传动装置和运动部件；其特征在于：其中智能控制系统由决策级、协调级和执行级组成，决策级与协调级之间通过串行通信接口相连接，协调级与执行级之间通过信号传输连线相连接。

所述的决策级为PC104工控机，协调级为DSP控制器，执行级由电机控制电路和驱动电机组成。

本发明的环境感知系统包含有视觉传感器、红外传感器、倾角传感器、速度传感器及旋转位置传感器；其中视觉传感器、红外传感器和倾角传感器安装在车体上，速度传感器及旋转位置传感器安装在运动部件的传动轴上；视觉传感器的视频输出线与决策级PC机的视频输入端口相连接，红外传感器和倾角传感器的信号输出端口与协调级的A/D转换模块端口相连接，速度传感器及旋转位置传感器的信号输出端口与协调级的A/D转换模块端口相连接。

本发明的运动部件为一对以上对称布置于车体两侧的履带轮，每一履带轮由行走轮、辅助轮、旋转臂、履带、履带支撑机构组成，行走轮轮径大于辅助轮轮径，行走轮和辅助轮分别安装在旋转臂的两端，履带包覆在行走轮和辅助轮外，履带支撑机构位于行走轮和辅助轮之间、固定在旋转臂上；每一对左、右履带轮的旋转臂由一个旋转臂驱动电机驱动，每一侧前、后履带轮的行走轮由一个行走轮驱动电机驱动。

所述履带轮的传动轴分为内轴和外轴、两者同心，内轴为旋转臂传动轴、外轴为行走轮传动轴，内轴和外轴分别联接旋转臂和行走轮，并通过相应的传动副分别与行走轮和旋转臂各自的驱动电机相连；行走轮、旋转臂分别固定在其传动轴上、随轴作360°旋转。

所述履带轮的每一对左、右旋转臂分别联接在同一传动轴的两端，由一个旋转臂驱动电机同时带动左、右履带轮的旋转臂运动；所述履带轮的每一侧前、后行走轮分别联接在前、后行走轮传动轴的同一侧，并通过带式传动副联接前、后传动轴，由一个行走轮驱动电机同时带动前、后履带轮的行走轮运动。

所述履带轮中的履带采用双面同步齿形带；前、后行走轮传动轴之间的带式传动副采用单面同步齿形带。

本发明具有如下有益效果：

由于本发明的机器人智能控制系统采用基于PC机、DSP控制器等多处理器的分级控制策略，克服了传统控制方法在不确定和未知环境中的建模困难、实时性和适应性差等缺点，同时实现对已有环境信息进行有效表示和利用，完成复杂的导航任务。

该控制系统具有两个明显的特点：对控制来讲，自上而下控制的精度越来越高；对识别来讲，自下而上的智能程度越来越高，因而上层系统对底层系统的协调控制能力强，同时底层系统的反应迅速灵敏，使得该控制系统整体智能化程度很高，能够实现在复杂环境下的自主运动。

同时，由于采用轮、腿、履带复合式运动的机械结构，并且多种运动方式之间可以直接转换，同单一机械结构相比，具有更好的运动效率及越障能力，同时机器人配备功能强大的环境感知系统，使其能够适应各种不同的非结构化环境，能在各种复杂环境中灵活地进行运动。

因此，本发明的具有复合移动机构的全自主高机动机器人对环境适应能力高，越障能力强、协调控制能力强，能够实现全自主运动。

附图说明：

附图1为本发明整体结构示意图。

附图2为本发明控制系统结构框图。

附图3为本发明控制系统结构功能示意图。

附图4为本发明控制系统中DSP与PC104串口通讯电路原理图。

附图5为本发明控制系统中行走轮电机控制电路原理图。

附图6为本发明控制系统中旋转臂电机控制电路原理图。

附图7为本发明控制系统流程图。

附图8为本发明视觉系统处理流程图。

附图9为本发明避障子程序流程图。

附图10为本发明越障子程序流程图。

附图11为本发明中复合移动机构的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明整体结构如图1所示，包括机器人车体、复合移动机构、多种传感器组成的环境感知系统以及采用分级控制策略的智能控制系统等部分。

车体5用于固定和安装其它部件。车体内有密封圈、油槽等组件，车体外有形状合适的壳体，对于安装在其上的复合移动机构、环境感知系统及智能控制系统等起到密封、防尘、润滑等作用，保证机器人可以在沙地等恶劣的环境下无故障运动。

如图2所示，智能控制系统分为三层：由决策级、协调级和执行级组成，决策级与协调级之间通过串行通信接口相连接，协调级与执行级之间通过信号传输连线相连接。

环境图像信息通过车体上的视觉传感器传输到智能控制系统的决策级，决策级通过串口通信接口把控制指令发送到协调级，协调级对控制指令进行处理，随后将处理后的指令发送到执行级的电机控制电路，电机控制电路再将控制指令的信号传送到驱动电机，继而使驱动电机运行。驱动电机带动的运动部件传动轴上装有速度传感器和旋转位置传感器，它们将电机运转的信息传送到协调级；同时，安装在车体上的倾角传感器及红外传感器分别将环境的距离信息和车体的倾斜角度信息发送到协调级，由协调级统一处理后通过串口通信发送到决策级，决策级将各个传感器信号进行融合处理，然后调用相应的决策程序，对机器人的运动进行规划，判断决定采用合适的控制程序，然后再发送到协调级。

如图3所示，机器人智能控制系统采用分级控制策略，具体分为三级，即：决策级系统，协调级系统及执行级系统。决策级系统位于整个系统的最顶层，功能是对机器人的运动进行规划，包括对视觉信息的处理，多传感器信息的融合，借助事先内嵌的目标数据库和专家控制库进行运动规划等等。决策级和协调级之间用串口通信连接。协调级系统位于整个系统的中间层，其功能是对接收的控制指令进行处理，转换成控制信号，然后将控制信号发送到执行级；同时，对执行级反馈的信号以及传感器信号进行处理，然后发送回决策级。协调级和执行级之间通过信号传输连线相连接。执行级系统位于整个系统的最低层，其功能为接收协调级发送来的控制信号，以驱动机器人的运动。

智能控制系统的决策级可以采用PC机、工控机等上位机。实例采用PC104，为瑞士数字逻辑有限公司(Digital-Logic)的MSMP5SEV。协调级采用DSP，为TI公司的TMS320LF2407。决策级和协调级均可置于控制系统安装板6上。执行级即为驱动电机，其中，旋转臂驱动电机为STLJAPAN精密直流电机43DSD，行走轮驱动电机型号为FAULHABER公司的Series 2342 006 CR无刷直流电机。

环境感知系统由多种传感器组成，其中：视觉传感器4为中凌银天使311PI摄像头，安装于车体前方左右各一个。红外传感器1采用SHARP公司的产品GP2D12，安装于车体前面2个、左右各2个，共6个。倾角传感器2为AccuStar电子倾角传感器(2个)，分别采用垂直安装和水平安装的方式，安装在机器人的顶部，用于测量机器人车体的倾斜角度。行走轮驱动电机的速度传感器为电机自带码盘，码盘直接安装在行走轮电机轴上；旋转臂驱动电机的旋转位置传感器9为日本MURATA公司的PVS1L103A01，安装在旋转臂电机传动轴上。

智能控制系统中各部件之间的连接关系具体如下：

如图4所示，DSP与上层控制器PC104之间串口通讯电路原理图：DSP与PC104通过RS-232串行通讯接口连接在一起，使用MAX232双组EIA-232驱动器/接收器，C为1uF电解电容，VCC为5V芯片工作电源，RXD_PC，RXD_PC2，TXD_PC，TXD_PC2连接到PC104的两个com口，即RS232串口，SCITXD，SCIRXD连接到DSP的SCI串行通信口。

如图5所示，行走轮驱动电机控制电路原理图：采用MOS管搭建的双电源T型驱动电路，IOPA6，IOPA7为DSP发送的信号输入，用以控制电机转向，PWM3也是DSP发送的信号输入，用以电机调速。IC1为六非门74LS05，IC2为二输入四与门74LS09。两者共同实现驱动控制逻辑，用于控制MOS管的通断，同时避免“共态贯穿”。QN和QP分别是N沟道和P沟道MOS管，Vo是14.4V电源电压，OUT为电机的一根控制线，输出0V和14.4V两个电压。

如图6所示，旋转臂驱动电机控制电路原理为：采用双路H桥集成驱动芯片L298作为旋转臂电机的驱动模块。IOPB1，IOPB2，IOPE1，IOPE2为DSP发送的信号输入，用以控制电机转向，PWM6，PWM9也是DSP发送的信号输入，用以电机调速。R为0.2Ω限流电阻；D为续流二级管IN4007，针对因驱动电流瞬间减小而引起的感应电动势增高问题，从而避免驱动芯片损坏。Vo是14.4V电源电压，OUT1，OUT2，OUT3，OUT4分别接到两个电机的四根控制线上。

如图7所示，移动机器人的智能控制系统主程序的控制过程为：首先，系统初始化，包括PC104初始化、DSP初始化、摄像头初始化等，接下来分别读取视觉传感器和红外传感器、倾角传感器、速度传感器、旋转位置传感器信息，然后对获取的外界信息进行融合，建立环境模型。对所建的环境模型进行解析，并与系统嵌入的目标数据库进行特征匹配，以判断障碍是否可越，如果可越，则调用越障子程序；如果不可越，则调用避障子程序；最后将控制指令发送至协调级控制层，即通过串行通讯发送给DSP。

其中，视觉传感器所得到的信息必须经过适当处理方可使用。如图8所示，视觉处理系统的程序流程为：首先，系统初始化，包括PC104初始化及摄像头初始化，读取左右摄像头得到的原始图像信息，并对其进行预处理，以消除由于存在摄像头参数和照明强度两方面的差异。接下来选用SAD(Sum of Absolute Difference)作为相似测度函数，对图像进行匹配。然后应用双向匹配技术剔除误配，得到视差图像，最后完成三维信息的恢复。

如图9所示，避障子程序的流程为：开始，首先对控制系统进行初始化，包括建立控制规则(本实例采用模糊控制规则，将多次实验确定的模糊控制规则制成避障专家控制库，然后将该专家控制库嵌入到决策级的避障子程序中，同时确定系统的模糊量、隶属度函数等)，接下来通过视觉传感器及红外传感器、倾角传感器提取环境信息；然后对系统的输入变量进行模糊化，确定对应的模糊量和模糊隶属度函数；接下来进行模糊推理，从系统的专家控制库中提取对应的模糊控制规则，计算当前的环境信息和该规则的符合情况；最后解模糊，综合所有各规则的动作，计算出机器人当前实际输出的动作。完成该动作以后，判断模糊控制是否停止，如果控制停止，则等待更高级别的系统调用；如果没有停止，则继续进行环境信息的获取，继续利用模糊控制来计算系统当前的输出动作。

如图10所示，越障子程序的流程为：开始，首先对控制系统进行初始化，包括建立越障目标数据库和专家控制库(其中目标数据库是根据多次实验结果所记录的典型障碍的特征值，比如斜坡角度、障碍高度等而建立；专家控制库是根据多次试验结果所记录的越障策略及控制方法而建立，可以根据不同的障碍，执行专家控制库中不同的越障策略；越障目标数据库和专家控制库均嵌入到决策级的越障子程序中)，接下来将传感器获得的环境信息与目标数据库进行特征对比，来识别出前方障碍，随即调用专家控制库进行越障控制。如果为斜坡，则执行越障子程序1，发送控制指令至协调级控制系统；如果不是，则继续匹配，如果为凹槽，则执行越障子程序2，发送控制指令至协调级控制系统；如果不是，则继续匹配，如果为台阶，则执行越障子程序3，发送控制指令至协调级控制系统；如果不是，则继续匹配，如果为下台阶，则执行越障子程序4，发送控制指令至协调级控制系统；如果不是，则表明匹配失败，障碍不可越，机器人后退，调用避障子程序。控制指令发送完毕，机器人完成相应运动，接下来判断障碍是否越过，如果越过，则结束越障动作；如果没有越过，则机器人后退，调用避障子程序。

本发明复合移动机构中的运动部件可采用履带轮，由履带轮及其驱动电机和减速传动装置组成复合移动机构。其中履带轮由行走轮12、辅助轮16、旋转臂15、履带13、履带支撑机构14组成。在每个旋转臂的一端安装有一个行走轮，另一端安装有一个比行走轮稍小的辅助轮(主要起支撑履带和辅助越障的作用)；包覆辅助轮与行走轮的履带可采用双面同步齿形带，双面同步齿形带的内侧皮带齿起到传动作用，双面同步齿形带的外侧皮带齿起到履带的作用。在旋转臂上装有履带的支撑机构(例如同步齿形带的压紧机构)，可以控制履带的张紧程度，并且在机器人用履带行驶和越障的情况下也起到支撑作用，两者相结合，可以防止履带在外力作用下产生严重变形。驱动电机通过蜗杆蜗轮减速后带动履带轮运动，其中两个旋转臂驱动电机7分别控制机器人前、后两对旋转臂的运动，两个行走轮驱动电机3分别控制机器人左、右两侧的行走轮运动，并利用同步齿形带8传动以保证同一侧的前方行走轮与后方行走轮速度一致。与齿轮传动比较，同步齿形带具有体积小、重量轻、结构简单的优势。在传动装置上还可以装有同步齿形带压紧机构，调节同步齿形带的张紧程度，可以使车轮运动轻便灵活，保证传动装置的精确性、可靠性并增加同步齿形带的使用寿命。机器人利用左右两侧车轮的速度差来实现转向运动，利用测速编码器(即码盘)或其他速度传感器作为反馈元件来进行速度的反馈调节，可以很方便地在地面上实现各种运动。

履带轮的传动轴可采用双层轴的方式，即传动轴分为内轴10和外轴11、两者同心，内轴为旋转臂传动轴、外轴为行走轮传动轴，两者嵌套在一起，既不影响相互运动又使得结构非常紧凑，从外观上看似乎为一根轴，但却能分别带动左右行走轮和前后旋转臂。内轴和外轴分别联接旋转臂和行走轮，并通过相应的传动副分别与行走轮和旋转臂各自的驱动电机相连。

履带轮中的旋转臂15主要起越障的作用，它可以在传动轴的直接带动下在竖直平面内旋转360°；驱动电机分别通过蜗杆蜗轮减速装置进行减速后控制前方旋转臂和后方旋转臂的旋转。传统的采用码盘作为反馈元件利用积分电路计算旋转角度的方法不仅需要其他定位装置来确定零位，而且因为传动机构的间隙问题、系统运动不平稳产生振荡等原因不得不采取其他方法作为补偿手段，例如用回复弹簧机构来消除传动间隙或者利用正交码盘来补偿振荡产生的误差。这样的代价就是造成整个系统的复杂性增加。本机器人采用旋转位置传感器9作为反馈元件来进行履带旋转臂的旋转角度调节，可以设定初始零位，从而得到旋转臂的旋转角度值。在跨越障碍时或者遇到特殊的情况下，通过控制系统对驱动电机的控制、进而控制旋转臂的旋转角度，可以使车体处于不同的运动状态，从而使机器人实现轮式、腿式、履带式不同的越障方式，提高了机器人的越障能力。例如：在平坦路面上行驶时，机器人的前后履带轮的旋转臂抬起，相当于四轮行驶状态。具有行驶速度快，效率高，转弯灵活机动性好等特点。在特殊路面如沙地湿地等松软地面、连续的宽度深度较小的沟壑坑洼地面以及小坡度倾斜路面上行驶时，为了保证机器人的行驶能力，采用履带移动方式。将履带轮的旋转臂放下使履带接触地面，一方面降低重心，另一方面利用履带良好的抓地性能，来提高机器人的越障能力。在大坡度倾斜路面上行驶时，为防止机器人发生倾覆现象，可以旋转前后方履带轮的旋转臂至合适的角度、使履带轮成为腿式运动，改变车体姿态，防止发生倾覆现象，从而提高跨越坡度的能力。在跨越大台阶障碍时，控制前方履带轮的旋转臂，将其前端搭在障碍物上，然后旋转后方履带轮的旋转臂将车体支撑，抬高机器人重心以便爬越台阶。当车体不慎倾倒时，通过旋转臂的摆动即可使车体恢复到正常状态。

Claims (7)

1、一种具有复合移动机构的全自主高机动机器人，包含机器人车体，以及安装在车体上的复合移动机构、环境感知系统和智能控制系统，其中复合移动机构包含驱动电机、减速传动装置和运动部件；其特征在于：其中智能控制系统由决策级、协调级和执行级组成，决策级与协调级之间通过串行通信接口相连接，协调级与执行级之间通过信号传输连线相连接。

2、如权利要求1所述的机器人，其特征在于：其中智能控制系统中的决策级为PC104工控机，协调级为DSP控制器，执行级由电机控制电路和驱动电机组成。

3、如权利要求1所述的机器人，其特征在于：其中环境感知系统包含有视觉传感器、红外传感器、倾角传感器、速度传感器及旋转位置传感器；其中视觉传感器、红外传感器和倾角传感器安装在车体上，速度传感器及旋转位置传感器安装在运动部件的传动轴上；视觉传感器的视频输出线与决策级PC机的视频输入端口相连接，红外传感器和倾角传感器的信号输出端口与协调级的A/D转换模块端口相连接，速度传感器及旋转位置传感器的信号输出端口与协调级的A/D转换模块端口相连接。

4、如权利要求1所述的机器人，其特征在于：其中复合移动机构的运动部件为一对以上对称布置于车体两侧的履带轮，每一履带轮由行走轮、辅助轮、旋转臂、履带、履带支撑机构组成，行走轮轮径大于辅助轮轮径，行走轮和辅助轮分别安装在旋转臂的两端，履带包覆在行走轮和辅助轮外，履带支撑机构位于行走轮和辅助轮之间、固定在旋转臂上；每一对左、右履带轮的旋转臂由一个旋转臂驱动电机驱动，每一侧前、后履带轮的行走轮由一个行走轮驱动电机驱动。

5、如权利要求4所述的机器人，其特征在于：所述履带轮的传动轴分为内轴和外轴、两者同心，内轴为旋转臂传动轴、外轴为行走轮传动轴，内轴和外轴分别联接旋转臂和行走轮，并通过相应的传动副分别与行走轮和旋转臂各自的驱动电机相连；行走轮、旋转臂分别固定在其传动轴上、随轴作360°旋转。

6、如权利要求4所述的机器人，其特征在于：所述履带轮的每一对左、右旋转臂分别联接在同一传动轴的两端，由一个旋转臂驱动电机同时带动左、右履带轮的旋转臂运动；所述履带轮的每一侧前、后行走轮分别联接在前、后行走轮传动轴的同一侧，并通过带式传动副联接前、后传动轴，由一个行走轮驱动电机同时带动前、后履带轮的行走轮运动。

7、如权利要求4所述的机器人，其特征在于：所述履带轮中的履带采用双面同步齿形带；前、后行走轮传动轴之间的带式传动副采用单面同步齿形带。

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