CN207240187U - 一种机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种机器人控制系统，机器人控制系统具有机身，机身含有头部、颈部、主体部、底盘部及轮胎部，头部与颈部枢接、颈部与主体部枢接，主体部设置于底盘部上以及轮胎部设置于底盘部下方用以转动让机器移动，包含：颈部操作装置，用以控制机器人的头部在颈部上转动；第一升降调整装置，利用颈部操作装置控制第一升降调整装置调整机器人的头部的高度以及机器人前后伸展的重心位置；第二升降调整位置，利用颈部操作装置控制第二升降调整装置调整机器人的主体部的高度，并配合第一升降调整装置可同步或是非同步地调整机器人的机身高度。稳定装置，利用颈部操作装置控制稳定装置以稳定机身在机器人运动时的保持水平状态；以及主动悬挂装置，利用颈部操作装置控制主动悬挂装置以使得每一悬挂于底盘部的轮子的高度可以适应地面变化。

Description

一种机器人控制系统

技术领域

本实用新型为提供一种机器人控制系统，尤其是可在各种条件运行时具有稳定的机身，且在三个轴向转动时，机器人控制系统的头部能够有角度稳定性的机器人控制系统。

背景技术

安防监控用机器人控制系统在工业、农业、反恐、防爆、空间探测等各个领域，有着非常广阔的应用。传统上的安防监控用机器人控制系统的硬件云台包括了三轮底盘及四轮底盘。三轮底盘及四轮底盘包括不同的传动系统，可使用两主动轮驱动、三主动或是四主动轮驱动系统。底盘部份可配合使用全向轮(Omni wheel)或是麦克纳姆轮(Mecanum wheel)搭配而实现万向移动的功能。

麦克纳姆轮是一种可以实现前行、斜行、横移及旋转或是其组合等运动方式，可全方位移动的轮子，该轮的特点是以传统车轮的基础上，在轮缘上再沿与轴线成45°方向安装若干可以自由旋转的小滚筒，于车轮滚动时，小滚轴就会产生测向运动而形成不同方向的组合力。通过麦克纳姆轮将力组合使用和控制，可以使车体产生任意方向移动和转动。但此轮仅能适用在卡车或是大型车辆上，且此轮行走速度较慢，故用于机器人控制系统上会有移动困难的问题。

中国实用新型专利第CN 104714550A号揭示一种用于防控之机器人控制系统。其使用麦克纳姆轮构成之四轮底盘，加上可移动的颈部装置及顶部摄像头构成可在定点范围内进行电力设备的巡检各种物理量的防控机器人控制系统。但是此装置移动时需要配合磁道进行，仅能单向行走，且顶部摄像头仅能进行小角度移动，故增加在拍摄时的困难度，且需增加防控之机器人控制系统操作云台的数量，相对不便。

另外，美国公告专利第US 8644991B2号揭示一种用于军事安防之机器人控制系统。其不需要安装磁道机身即可移动，并具有爬楼梯(爬坡)功能，另配合有顶部之摄像头及颈部的折迭伸缩功能，可在机体行进间调整整个机身的质心并调整摄像高度及位置，让移动时机身保持稳定不翻倒。且使用六轮传动增强移动性及地形适应性。但是此实用新型具有以下缺点：1.爬坡能力低于40度，爬坡能力较差。 2.虽然配具六轮，但是轮字的移动受限于履带及底盘的控制，故旋转能力较无履带限制的一般六轮传动车差。3.仅能进行折迭式伸缩摄像头，但折迭式伸缩器使用时占据体积，且遇到障碍物时伸展困难，且伸缩器较为笨重，收藏不易。

综上所述，现有机器人控制系统的平台在设计上主要存在行动能力问题，比如爬坡能力差，越障能力差，无法高速行走等。除了底盘因素外，质心过高无法在倾斜等状态下运作亦为机器人控制系统行动缓慢的原因。若无法保持机器人控制系统的机身稳定，则保证机器人控制系统工作顺畅。比如获取影像是现在大部分机器人控制系统的主要任务之一，因为现有机器人控制系统在减震和通过性以及因为结构造成的身体不够平稳的缺陷而无法持续稳定获取图像。

实用新型内容

本实用新型提供一种机器人控制系统，机器人控制系统具有机身，机身含有头部、颈部、主体部、底盘部及轮胎部，头部与颈部枢接、颈部与主体部枢接，主体部设置于底盘部上以及轮胎部设置于底盘部下方用以转动让机器移动，包含：颈部操作装置，用以控制机器人的头部在颈部上转动；第一升降调整装置，利用颈部操作装置控制第一升降调整装置调整机器人的头部的高度以及机器人前后伸展的重心位置；第二升降调整位置，利用颈部操作装置控制第二升降调整装置调整机器人的主体部的高度，并配合第一升降调整装置可同步或是非同步地调整机器人的机身高度。稳定装置，利用颈部操作装置控制稳定装置以稳定机身在机器人运动时的保持水平状态；以及主动悬挂装置，利用颈部操作装置控制主动悬挂装置以使得每一悬挂于底盘部的的轮子的高度可以适应地面变化。

优选的，机器人控制系统还包括视觉装置设置于头部。

优选的，机器人控制系统还包括视觉装置产生俯仰角度及俯仰角速度的颈部控制讯号至颈部操作装置用以控制颈部的运动方向。

优选的，机器人控制系统的底盘部更包含感知装置，用以侦测机器人在运行时底盘部遇到的障碍物。

优选的，底盘部在爬升时的斜坡倾斜角为40度至80度。

优选的，底盘部用于平面移动及阶梯式上下移动。

优选的，底盘部进行爬升动作时系包括利用颈部操作装置调整每一轮胎部与主动悬挂装置的相对位置及同步或异步地调整颈部的高度。

优选的，机器人控制系统还包括底盘部运动时，可分为360度直行模式和转弯模式。

优选的，转弯模式下，每一轮胎部的转弯角度是根据机身宽度、轮胎部的行走速度及两两轮胎部之间的距离运算而得。

优选的，轮胎部的数量为6个。

附图说明

图1是根据本实用新型所揭露的技术，表示机器人控制系统各部件的架构图；

图2是根据本实用新型所揭露的技术，表示机器人控制系统的头部运作流程的简易流程图；

图3是根据本实用新型所揭露的技术，表示机器人控制系统的底盘部的架构图；

图4是根据本实用新型所揭露的技术，表示机器人控制系统头部运作流程的简易流程图；

图5是根据本实用新型所揭露的技术，表示机器人控制系统的底盘部的架构示意图；

图6是根据本实用新型所揭露的技术，表示机器人控制系统的底盘部爬坡时或爬阶梯时的示意图；

图7是根据本实用新型所揭露的技术，表示机器人控制系统的头部及颈部简化之架构图；

图8是根据本实用新型所揭露的技术，显示机器人控制系统行进时在不同状况，机器人控制系统运动的上视图；

图9是根据本实用新型所揭露的技术，表示机器人控制系统的头部运作时的动态示意图；以及

图10是根据本实用新型所揭露的技术，表示整体机器人控制系统在转弯时的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术特征及优点，能更为相关技术领域人员所了解，并得以实施本实用新型，在此配合所附的图式、具体阐明本实用新型的技术特征与实施方式，并列举较佳实施例进步说明。以下文中所对照的图式，为表达与本实用新型特征有关的示意，并未亦不需要依据实际情形完整绘制。而关于本案实施方式的说明中涉及本领域技术人员所熟知的技术内容，亦不再加以陈述。

请参照图1，图1为机器人控制系统各部件的架构图。包括头部1、颈部2、主体部3及底盘部4。头部1，包括视觉装置11(图未显示) 及颈部操作装置12(图未显示)，其中视觉装置11为感光耦合组件 (CCD)或是光二极管所构成的感光数组，因为要仿照人眼具有视觉的功能，故视觉装置11具有两数组。亦可选择性的增加声波辅助装置，例如探测声纳及雷达，接收声音讯号以协助视觉装置11讯号处理。视觉装置11构造完全仿照人眼进行设计，故感光数组具有类似人眼瞳孔的功能，例如根据对象的远近而自动变焦，根据环境光线的大小自动调整光圈大小。但感光数组数量及声波辅助装置的功能亦可更多，不在上述所限。在感光数组接受外界电磁波(一般为光、图像或是外界震动讯号)的刺激之后，将讯号传递给视觉装置11内的处理器进行图像处理。此处理器类似人脑，处理器接收一连串感光数组输出的画面后，经自我学习、机器学习或是旁人教导后可输出操作指令以控制机器人控制系统的其他部件。处理器硬件可为单芯片处理器，例如或是包含单芯片运算器411的扩充版，设计者输入操控程序代码或是脚本至处理器硬件中可让头部1具有自我学习、机器学习等类似人类大脑学习的人工智能，并输出一连串具有控制功

能的程序代码控制其他装置。视觉装置11中的处理器更可包括虚拟现实处理器(VR)，或是藉由无线网络链接在远程的控制处理中心，控制处理中心可同步接收机器人控制系统所传递的讯号并控制一个或多个机器人控制系统进行相同的运动。

颈部操作装置12为控制颈部2动作的部件，接收视觉装置11的所输出的一连串第一操作指令，转换成位置坐标以控制颈部2作动，颈部操作装置12更包含一个马达，马达可为伺服马达或是步进马达，伺服马达可使用无刷式或是有刷式马达。马达可为单独一颗可在进行三方向控制的三向马达或是三颗仅能控制单轴的单向马达，以实现头部1或是颈部2在三个方向上运动，活动类似人类关节。颈部操作装置12另包含传感器，通常是惯性测量单元(IMU)，以测量头部1 在惯性空间的姿态变化，并通过控制可在三个方向移动的马达，以实现头部1水平和直向上姿态稳定。另外，在向上抬头、向下低头及左右转头时均可以使头部1实现水平姿态的稳定，左右转头时可实现直向的稳定。该机器人控制系统的头部1可在稳定状态下执行欲进行的工作，亦可以指令追踪状态下执行。机器人控制系统的电源供应一般为电池，可为充电电池或是一次性电池，在节能减碳的考虑下，以充电电池(未标示在图1)为较优选的方式。

头部1的运作方式可为下列所述：视觉装置11具有同步接收人类讯号的功能，可根据人类的指挥动作，例如挥手或是跳动等身体语言，输出操作指令给颈部操作装置12，再由颈部操作装置12控制颈部2 作动以符合操作者所需。例如操作者想要机器人控制系统头部1向上仰，即把手往上挥动，机器人控制系统的视觉装置11接收到此挥动的画面后即把头往上抬。于另一运作实施例，操作者在指挥机器人控制系统时带上虚拟眼镜，此虚拟眼镜可看到的画面是与机器人控制系统是与机器人控制系统视觉系统同步的，当操作者见到虚拟眼镜中的画面是楼梯时，即可以通话或是按钮方式告知需要往上移动爬楼梯，机器人控制系统的视觉装置11接受至此信息后即会往上爬楼梯。

颈部2，连接于头部1，受控于头部1及主体部3，于颈部2内包括第一升降调整装置21及第二升降调整装置22，其中，第一升降调整装置21是用以改变颈部2的坐标，且具有整体倾斜运动的功能，

其附有三枢接轴及两连接杆，枢接轴类似人体的关节，连接杆类似人体的骨骼。第一枢接轴与头部1及第一连接杆连接。配合图2所述的机器人控制系统头部1运作时动态示意图，第一枢接轴可于三个坐标方向(可为卡式坐标x，y，z、圆柱坐标r，z或是球体坐标r，θ)活动，即立体式的活动。因第一枢接轴是与头部1相接，第一枢接轴可在三维坐标上的任一坐标值移动，及依照不同的直线速度或是角速度任意转动及移动，比起人的颈部2仅能在限制的方向上移动，本实用新型所揭露的机器人控制系统的颈部2更可以灵活的运动。例如人的颈部2一般仅能在平面角0度至80度(以平行地面的面集合定为基准面及颈部2定为基准轴)之间旋转、一般仅能在立体角(θ)20度至80度(以平行地面的面集合定为基准面及颈部2定为基准轴)之间移动，因此本实用新型之机器人控制系统颈部2可在任意角度范围活动，但要注意的是，机器人控制系统的颈部2在活动时以头部1不接触至颈部2部件为主，因此可以使头部1在三个轴向上运动，并确保头部1在三个轴向上的移动稳定性。第二枢接轴，与第一连接杆连接及第二连接杆连接，第二枢接轴可于两个坐标方向活动，与第二连接杆及主体部3连接。第三枢接轴，其与第二连接杆及第二升降调整装置22连接，第三枢接轴可两轴式活动，为避免头部1接触到机器人控制系统机身的其他部件造成机器人控制系统不稳定，第二枢接轴及第三枢接轴会限定仅于在三维坐标上的任意两个坐标之间进行，例如仅能平面旋转而不能立体旋转，仅能在卡式坐标的Y方向和Z方向做动，但实际上作动方向是根据操纵者需求所设计，故可转动的坐标不在此限。

第一升降调整装置21整体上可使头部1出现在三维坐标的任一个点上，且第一升降调整装置21运作时从侧面看呈现【>】或是【<】字型，第一升降调整装置21在机器人控制系统电源关闭时，两连接杆可自动的水平的迭置或是邻接，减少置放空间；另外，两连接杆之间的连接方式可为螺合、铰链枢接、具有圆珠式的轴承连接、啮合或是以磁性连接，可自行选择与环境相符的结合方式进行设置。连接杆的材质不限于塑料或是金属。第二升降调整装置22，具有升降功能，仅有一个升降杆，可活动的方向为垂直于地面的方向，用以改变颈部

2的高度，并且可以通过升降抵消来自地面的颠簸，具有减震的功效。第二升降调整装置22其项部枢接于第二连接杆，其底部接合于主体部3。第二升降调整装置22在机器人控制系统电源关闭时，升降杆可自动的降回主体部3中的腔体(未在图中表示)，减少机器人控制系统在收纳时的整体高度，方便操作者收纳。颈部2之作动状态可为图3所示。图3为机器人控制系统颈部2折迭及升降时的示意图，其中此图表示机器人控制系统的颈部2已升到最高的高度。

图4表示表示机器人控制系统头部1运作流程的简易流程图，以俯仰 (向上抬头、向下低头)为例，具体控制方式如图4所示。当头部1 受到外界刺激(如正常的电磁波讯号，或是额外的碰撞震动力学讯号)时，视觉装置11会产生包含相对于水平面的俯仰角速度和俯仰角度的操作指令。其中俯仰角速度会被IMU传感器侦测到俯仰角速度误差量；俯仰角度会通过编码器与指令角度比较产生俯仰角误差量，通过角度运算器411输出讯号，此讯号再与俯仰角速度误差量，经稳定回路运算器411运算后，输出颈部2控制讯号，以实现颈部2 角度的控制及使颈部2运动时能排除外界干扰。

主体部3，连接于所述颈部2，包括控制装置31及稳定装置32。在本实用新型中，主体部3是除头部1之外另一个运算中心。控制装置31 包括处理器(processor)，其接收视觉装置11所生成的操作指令讯号及底盘部4所产生的操作指令，运算后生成颈部2控制讯号给颈部2，及驱动讯号传给稳定装置32。在优选的实施例中，控制装置 31接收视觉装置11产生之处理过的画面档案，例如画面位图，及探测到的机器人控制系统身高后，结合环境中的电磁波讯号，例如光、声音或是震动，和轮胎部42所回馈之当前机器人控制系统位置或是轮胎部42运转时的转速，控制装置31输出包含颈部2高度及机器人控制系统质心位置的讯号给颈部2和稳定装置32，颈部2和底盘部4 再根据这些讯号运动。另外，主体部3具有自动稳定平衡结构，可自动调节机身的倾斜角以改变机身的质心，增加整个机身稳定性。主体部3材质是由金属或是塑料壳体所构成，且采用一体成形方式制作，上端具有中空的容置空间或是腔体，提供第二升降调整装置 22未升起时收藏用，主体部3的下端包覆主动悬挂装置41的悬吊器 412及

运算器411于机器人控制系统的机身内，其防摔、防震、防水及防尘效果佳，具有高防护性(具有IP67等级)。其中图1中所指的悬吊器412示意图包括了梯形和其邻近的矩形，其中梯形由固定装置所构成，用以固定轮胎部42，矩形由弹簧及固定装置所构成，用以减缓轮胎装置对于机身的冲击力。机身之防摔、防震、防水及防尘效果佳。

底盘部4的架构图请参考图5。底盘部4设置于所述主体部3下方，稳定装置32发出讯号控制底盘部4。底盘部4包括主动悬挂装置41及轮胎部42，主动悬挂装置41与轮胎部42相互连接。主动悬挂装置41为底盘总成，内部包含有悬吊器412及运算器411，此两者构成一般汽车装置中所谓的车架。轮胎部42包含轮胎。主动悬挂装置41与轮胎部42的数量是相同的，且主动悬挂装置41与轮胎部42是一对一的控制，亦即主动悬挂装置411必定仅控制轮胎A，不会控制轮胎B。在本实用新型中，轮胎部42包含的轮胎数量最佳为六个，相较于习知技术的四个，更具有稳定性及越障能力。悬吊器412是将机身与车轮连接一种器具，由弹簧、减震器(或称为阻尼器)及连接杆所构成。悬吊器412是利用材料或构成的不同的悬吊器412具有不同的等效弹性系数，当机器人控制系统行进间遇到路面不平整时，机身会因震动而对悬吊器412产生等效弹力。根据虎克定律，悬吊器412会因为此弹力产生相对于机身的位移，此位移因悬吊器412中额外的减震器吸收或是减缓，让位移传至机身时能减少或消失，有效隔绝机器人控制系统行走时因为路面不平整机身所遇到震动，保持机身稳定。本实用新型在主动悬挂装置41另配有运算器411，其功用为当轮胎部42作动时，纪录车速、位移和加速度等信号，经由运算器 411中微处理器的运算，输出讯号以实时调整悬吊器412中弹簧的刚性和系统的阻尼系数(相当于虎克定律中的弹性系数(K))，藉此以减低机身震动及调整机身与底盘部4的相对高度便于操控。悬吊器412与底盘部4构成的主动悬挂装置41，加上轮胎部42的六个轮胎，构成机械学上所述的六轮独立主动式悬吊系统。底盘部4中的轮胎部42可因为不同地形而使用不同胎纹的轮胎，轮胎的厚薄及半径亦不限定。本实用新型所使用的轮胎部42配合特殊构造可进行90 度内的转动(转动轴为地面的法向量)，适地性佳，且旋转轴心接近轮毂中

心，故旋转半径小，旋转时不占空间，且因主动悬挂装置41一对一的控制轮胎，所以每个轮胎的转向角度可以不同，亦可能部分轮胎相同。在此要说明的是，轮毂是指车轮中间钢圈、辐射状钢条及轮轴总成，其为车辆工业的现有技术，为本领域技术人员可以轻易得知的技术，故不在此多加陈述。

以上详尽的介绍了机器人控制系统各部件的配置、如何作动及功效，灵活的头部1可在三个轴向上稳定的活动；可伸缩的颈部2能随时变换身高，改变质心高度；主体部3的高防护性外壳及优秀的质心运算能力，确保整体机器人控制系统质心稳定，加上底盘部4具有六轮独立主动悬挂式设计，最大程度保证了车身的稳定性，且六个轮胎可以单独的被运算器411操控，使轮胎部42获得最灵活的运动性能，像普通车辆一样行驶。

图6表示机器人控制系统底盘部4作动时示意图。当机器人控制系统运作时，若是路上遇到障碍物或是地面不平坦时，轮胎部42和悬吊器412会自动的采取调整手段以适应环境。例如遇到突起物时，轮胎部42或在某个特定时间产生相对于悬吊器412的位移(即第二物理量)并回传给运算器411。运算器411会再次根据不同时间产生的第二物理量运算出位置(即第一物理量和第二物理量)予悬吊器412 及轮胎部42以调整两者位置。此过程会重复循环，直至机器人控制系统顺利通过障碍物为止。此外，运算器411一方面输出第一物理量和第二物理量调控轮胎部42与悬吊器412的位置外，另外，运算器411产生第二操作指令与控制装置31，再由控制装置31发出另一时间的第二颈部2控制讯号，以让颈部2调整高度，稳定整个机身的质心。另外，由于本实用新型机器人控制系统主动悬挂装置41是一对一的驱动轮胎部42，故不同的轮胎部42行经不同的障碍物时，每一个轮胎部42可各别的调整其所对应于主动悬挂装置41的相对位置或是速度。不同时间下，六个轮胎可能经历过不同的状况，但是运算器411具有记忆的功能，可以将不同时间下、不同轮胎的第二物理量集合而运算出第二操作指令，使控制装置31进行整体性的机器人控制系统质心调控，或是根据前一个轮胎部42遇到障碍物时，所收集的速度时间记录处理，以避免下一个时间或是下一个轮胎部 42遇

到障碍物。为避免产生视线死角，本实用新型的另一实施例可以选择性的在主动悬挂装置41的壳体中增加感知装置43，用以增强障碍物侦测，补强头部1视觉装置11在机身底部侦测障碍物的不足。感知装置43架构类似头部1的视觉装置11，可以是CCD或是探测雷达，但不在此限。此视觉装置11可个别置放于悬吊器412上方，或是主动悬挂装置41的前端，数量亦不限制，但最佳实施例为置放在置放于悬吊器412上方及主动悬挂装置41，且有六个。

图7表示机器人控制系统底盘部4爬坡或爬阶梯时的示意图。当机器人控制系统爬坡时，为保持机身的稳定，稳定装置32会将颈部2及主体部3往前倾，此时，机器人控制系统的质心亦会往前，以确保机器人控制系统不会翻倒。当行进间遇到坡度时，在爬坡前，视觉装置11会先观察到斜坡出现在前方，经视觉装置11运算后输出包含斜坡角度讯号的第一操作指令，控制装置31根据此操作指令处理后输出包含初始的倾斜角度的第二颈部2控制讯号及驱动讯号予颈部 2和稳定装置32调整角度。视觉装置11在机器人控制系统运动时实时观察眼前的坡度，一旦坡度改变，立即调整颈部2及主体部3前倾角度；下坡时亦然。在爬坡时，底盘部4中的悬吊器412亦会根据坡度的不同自动调整轮胎部42与悬吊器412的相对距离。在前述的稳定装置32输出包含角度值的致动讯号后，运算器411处理后以操控悬吊器412及轮胎部42的相对位置。类似于在机器人控制系统装置平面时的行动，运算器411亦会输出包含角度讯号的操作指令回馈给控制装置31，以实时或动态的修正颈部2主体部3与斜坡法向量之间的夹角及轮胎与主动悬挂装置41壳体内的夹角。

图7更揭示机器人控制系统在爬楼梯时的动作态样。爬梯时与爬坡时的最大差异为，爬梯时，楼梯整体上有虽然固定的坡度，但细部来看每一个小区间坡度是随着位置呈现周期性改变。为了应付此项地形限制，机器人控制系统在爬楼梯时除了要考虑到角度外，机器人控制系统的质心随着时间改变亦须要考虑。爬坡时，运算器411 会配合小区段的坡度不同会输出包含角度的第一物理量，使悬吊器 412运作时本身亦会有摆荡角度，各轮胎会随着悬吊器412的摆荡而交替向前。另外，运算器411除了会随着时间输出在不同时间、不同角度的操作

指令外，在爬梯时会类似上述在遇到障碍物时输出在不同时间下的质心讯号给控制装置31，控制装置31在以此讯号运算后输出第二颈部2控制讯号，以调整颈部2高度并调整质心。

机器人控制系统的实际整体机身高度的调整可参考图8及下列说明，图8为机器人控制系统在爬坡时各部件简化之架构图，图上标示了各部件长度、半径及质量的代号。假设主体部3质心轴与底盘部4质心轴的交点为P点。若要以P点为准，调整机器人控制系统调整质心，使机器人控制系统在斜坡上不致倾倒时，要得知底盘部4 相较于上半身(头部1、颈部2及主体部3合称之)的旋转角度α，首先要知道机器人控制系统扣除底盘部4的高度Y才能求得。假设头部 1质量为m1，头部1半径为r，两连接杆的长度皆为m2，长度为L，斜坡角度为β时，头部1中的颈部操作装置12会先发出包含角度的第一颈部2控制讯号，使两连接杆呈现的夹角为θ，主体部3质量为m3，主体部3长度为b。经由式1可计算出Y：

Y＝m3*b2+2m2(L*sin 2θ+b)+m1(r+2(sin2θ+b))/(ml+ 2*m2+m3) (式1)

底盘部4中，主动悬挂装置41的运算器411中可附陀螺仪，其可得知目前底盘部4的俯仰角(俯仰角同斜坡角度)，设定为β。假设机器人控制系统的上半身在偏转相对重力方向的夹角为α时，上半身的质心可以在中间轮子上并使机器人控制系统在斜坡上不倾倒。则透过式2可求得此夹角α：

Y*sinα＝H*sinβ；α＝arcsin(HY*sinβ) (式2)

主体部3的运算器411算出α后，即可包含α的输出颈部2控制讯号以调整颈部2的角度。

图9显示机器人控制系统行进时，机器人控制系统运动状态的上视图，在图9中揭露了至少六种的机器人控制系统运动状态，至少包括：前后移动、左右平移、交替爬行、原地旋转、斜方向运动和小半径转向六种，这些运动状态类似昆虫爬行时的动作态样，此六种运行模式可给予底盘部4活动时最大的灵活性。吾人将上述六种运动状态大致分为两个的类型的运动：360度直行模式和转弯模式。其一，在360度直行模式下，每一个轮子的行进方向一致。在此模式下，运算器411接收的第一致动讯号包括运动方向和运动速度。运动方向用以控制轮胎滚动方向(以轮毂为中心，顺时针或逆时针) 以及轮胎的行进方向(以轮毂为中心，顺时针或逆时针主体部3为轴心，三十二方位法)，运动速度用以控制轮胎滚动速度。当轮胎接收到运算器411发出的包含运动方向和运动速度第二物理量后，轮胎行进方向会相对于y方向转向±90°，同时配上轮胎部42的正反转，即可实现机体在各个方位上的直线运动，以下详述运算器411 如何运算并驱动轮胎部42旋转。假设机身行进正前方向为0°，机身所欲转的角度设定为θ。轮胎部42目前的角度设定为α，假设机身行进正前方向为0°(0度角定义同机身)，两角度顺时针方向皆为正方向，r为「轮子旋转方向」变数，为+1或是-1两个值。当前进方向为0至90度时或者270至360度之间时，r取1，轮子正转。当前进方向为90-270度时，r取-1轮子倒转。则机身行进方向和轮胎部 42前进方向的关系如式3所述：

θ＝α+(90r+90) (式3)。

即机身所欲转的角度是根据轮胎部42当前的前进方向调整。

其二，在转弯模式下，运算器411会计算出调整轮胎方向和每个轮胎的转速，以实现机身围绕一特定的中心进行转弯，以下详述运算器411如何运算并驱动车轮旋转。请参考图10，图10为机身转弯时，整体机器人控制系统的运动示意图。由图10可得，目前设定的旋转中心C在机器人控制系统两中心轮胎(及轮胎部422及轮胎部425) 轮轴轴心所连成之直线的延伸在线，所以在转弯过程中，机器人控制系统两中心轮胎的相对于机身方向不会改变，会一直与机身保持平行状态，此时由俯视看来，整体机器人控制系统转弯过程可视为一宽度为的长方形(机身)绕着旋转中心旋转。由于在转弯过程中各个轮子的转动中心相同(将机器人控制系统视为一个质点)，因而每个轮胎部42的转弯角速度相同。假设轮胎部422与轮胎部424的轮轴轴心相距为(即机身宽度)，转弯过程中，轮胎部422行走速度为，轮胎部425的行走速度为，则转弯角速度可由式4求得：

此时轮胎部422的行走速度可由式4推得，表示于式5：

轮胎部425的行走速度可由式4推得，表示于式6：

根据此旋转半径，可得到轮胎部422及轮胎部425相对于旋转中心C 旋转时之旋转半径。因为左侧轮胎部421、2、3前后的轴距与右侧轮胎部424、5、6前后的轴距是相同的，所以左侧轮胎部421、2、3 的旋转半径是相同的，其为R外端，右侧轮胎部424、5、6的旋转半径是相同的，其为R内端。设定轮胎部421与轮胎部422的前后轴距为d2，根据勾股定理，可推得轮胎部422的转弯半径，揭示于式7：

同样的，轮胎部425的转弯半径揭示于式8：

由于角速度相同，对应的轮胎部422的行走速度可经由式5及式7推得，显示于式9：

同样的，轮胎部425的行走速度可经由式6及式8推得，显示于式10：

根据此时可获得轮胎部422的转弯角度为轮胎部

425的转弯角度为

实际作动时，运算器411首先会输出一个360度直行模式和转弯模式讯号给六个车轮。假设轮胎部42收到360度直行模式讯号时，六个车轮会都偏转相同的角度，并输出包括旋转角度及运动速度给运算器411，运算器411再根据当前的状况，使用式3推算出机身所欲转的角度θ，并包含在第二操作指令中以传递给主体部3，以达到操作者的目标角度。且不同时间亦有不同的机身所欲转的角度。另外，当轮胎部42收到转弯模式讯号时，轮胎部421、3、4及6会先偏转一特定角度，轮胎部422及5不改变当前位置，并回传包括轮胎部422 及5的行走速度、各轮胎部42之间的距离及机器人控制系统转弯角速度的第二物理量给运算器411，运算器411再依照式4至式10估算出轮胎部422及5的转弯角度、行走速度及一转弯中心C后，回传第二物理量，以旋转机器人控制系统的机身，达到操纵者所需，且不同时间亦有不同的所需旋转角度。

本实用新型所述之种机器人控制系统，配合主动悬挂装置41的独立主动悬挂型装置，保证了机身的稳定性，可以获得最灵活的运动性能，不但可以像一般车辆行驶，还可以原地旋转及全向行走，在行走间转向也有最小的转弯半径，不占空间；优秀的爬坡、爬楼及越障能力，可以越过超过40度的陡坡；可随时且适应性的变换机身高度，机器人控制系统的伸缩式颈部2可改变质心位置，又能调整增加头部1的视野，且保证机器人控制系统的头部1在三个轴向上的角度稳定性并减缓行驶中地面不平稳造成机身的震动，使行进中机器人控制系统的机身稳定不会倾倒。

以上所述仅为本实用新型之较佳实施例，并非用以限定本实用新型之权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域之专门人士应可明了及实施，因此其他未脱离本实用新型所揭示之精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。

Claims (9)

1.一种机器人控制系统，所述机器人控制系统具有机身，机身含有头部、颈部、主体部、底盘部及轮胎部，所述头部与所述颈部枢接、所述颈部与所述主体部枢接，所述主体部设置于所述底盘部上，以及所述轮胎部设置于所述底盘部下方用以转动，让所述机身移动，其特征在于，包含：

颈部操作装置，用以控制所述机器人的所述头部在所述颈部上转动；

第一升降调整装置，用于调整所述机器人的所述头部的高度以及所述机器人前后伸展的重心位置；

第二升降调整装置，用于调整所述机器人的所述主体部的高度，并配合所述第一升降调整装置可同步或是非同步地调整所述机器人的所述机身高度；

稳定装置，用以稳定所述机身在所述机器人运动时的保持水平状态；

主动悬挂装置，用以使得每一悬挂于所述底盘部的轮子的高度可以适应地面变化。

2.如权利要求1所述的机器人控制系统，其特征在于，还包括视觉装置设置于所述头部，所述颈部操作装置与所述第一升降调整装置、第二升降调整装置、稳定装置和主动悬挂装置保持通信连接，并且所述颈部操作装置可以控制所述第一升降调整装置、第二升降调整装置、稳定装置和主动悬挂装置的运行。

3.如权利要求2所述的机器人控制系统，其特征在于，所述视觉装置产生俯仰角度及俯仰角速度的颈部控制讯号至所述颈部操作装置用以控制颈部的运动方向。

4.如权利要求1所述的机器人控制系统，其特征在于，所述底盘部更包含感知装置，用以侦测所述机器人在运行时所述底盘部遇到的障碍物。

5.如权利要求4所述机器人控制系统，其特征在于所述底盘部用于平面移动及阶梯式上下移动。

6.如权利要求4所述的机器人控制系统，其特征在于，所述底盘部进行爬升动作时包括利用所述颈部操作装置调整每一所述轮胎部与所述主动悬挂装置的相对位置及同步或异步地调整所述颈部的高度。

7.如权利要求1所述的机器人控制系统，其特征在于，当所述底盘部运动时，可分为360度直行模式和转弯模式。

8.如权利要求7所述的机器人控制系统，其特征在于，在所述转弯模式下，所述每一所述轮胎部的转弯角度是根据所述机身宽度、所述轮胎部的行走速度及所述两两轮胎部之间的距离运算得到。

9.如权利要求1所述的机器人控制系统，其特征在于，所述轮胎部的数量为6个。