CN211055271U

CN211055271U - 一种避障机器人

Info

Publication number: CN211055271U
Application number: CN201921747447.XU
Authority: CN
Inventors: 王友龙; 孟可可; 阮秋生; 刘延振
Original assignee: Inner Mongolia University of Science and Technology
Current assignee: Inner Mongolia University of Science and Technology
Priority date: 2019-10-18
Filing date: 2019-10-18
Publication date: 2020-07-21
Anticipated expiration: 2029-10-18

Abstract

本实用新型公开了一种避障机器人,属于机器人技术领域，其结构包括机身、后置万向轮、前轮驱动减速电机、星轮、马达、小轮、越障驱动模块、平地驱动模块、避障检测单元、舵机、控制单元等；本申请设计的避障机器人利用超声波探测技术智能识别路面特征，在平坦的路面上，机器人利用小轮子行走；当遇到楼梯台阶等传统轮子无法继续前进的道路，能迅速调整为星轮运动，进行越障行走；解决了现有的避障机器人没有爬上低矮楼梯台阶能力的问题。

Description

一种避障机器人

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，特别涉及一种避障机器人。

背景技术

随着工业自动化的发展，机器智能受到越来越多的关注，其中的智能机器人更是被公认为未来的主流发展方向。而机器人一旦要移动，就不可避免地涉及到对环境的理解、路径规划、自主定位、避障及防碰撞等，不言而喻。

现有技术，如申请公布号为CN110293585A的中国发明专利公开了一种自主避障机器人，该机器人能够自主避障和送餐；如申请公布号为CN108241373A的中国发明专利公开了一种避障方法和智能机器人，公开的避障方法和智能机器人能够通过采集障碍物的图像信息，规划避障路线，并且实时采集障碍物的图像信息，对避障路线进行修正，构成闭环控制方法，最终使得智能机器人能够智能化、精细化的进行避障；还有许多类似的关于避障机器人的设计；然而，现有的这些避障机器人多数适用于在平坦地面行走，没有爬上低矮楼梯台阶的能力，使得机器人不能适用于地面环境更为复杂的环境中。

为此，发明人自主设计制作了一款能够爬上低矮楼梯台阶的避障机器人。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种避障机器人，能够爬上低矮楼梯台阶，使得机器人能够适用于地面环境更为复杂的环境中。

本实用新型采用的技术方案如下：一种避障机器人,包括机身、后置万向轮、前轮驱动减速电机、星轮、马达、小轮、越障驱动模块、平地驱动模块、避障检测单元、舵机、控制单元，其特征是，机身为箱体结构，内部设置有隔层空间，机身后端下部安装后置万向轮；机身底面左、右两侧对侧安装有两个前轮驱动减速电机，每个前轮驱动减速电机向外水平伸出的驱动轴上通过联轴器安装星轮；所述的星轮包括系杆，系杆上均匀间隔安装马达，每个马达上安装一个小轮；所述的越障驱动模块安装在机身的隔层空间中，连接两个前轮驱动减速电机；所述的平地驱动模块安装在机身的隔层空间中，连接左侧星轮上和右侧星轮上的马达；所述的避障检测单元包括三个超声波传感器，机身的前面中央竖直固定有一根竖直杆，竖直杆顶端安装有舵机，舵机转动连接有转动连杆，转动连杆前端设有第一超声波传感器，第一超声波传感器位于竖直杆前侧，在舵机的带动下，可以绕着转动连杆的转动中心上下转动；机身的前面左右两侧安装向外偏的第二超声波传感器和第三超声波传感器；第二超声波传感器位于机身左前侧；第三超声波传感器位于机身右前侧；所述的控制单元安装在机身的隔层空间中，分别连接三个超声波传感器、越障驱动模块、平地驱动模块、舵机。

上述的星轮的其中一种方案为采用“Y”型星轮，系杆呈Y型，系杆上均匀间隔120°安装三个马达。

进一步的优化改进为，上述前轮驱动减速电机与星轮之间还安装有一个集电环。

上述避障机器人还包括蓄电池，蓄电池安装在机身的隔层空间中；蓄电池连接用电设备，为其运行供电。

上述的蓄电池可以采用12V的蓄电池。

上述的前轮驱动减速电机采用型号为37GB520的减速电机。

上述的越障驱动模块、平地驱动模块采用型号为L298N的驱动模块。

上述的避障检测单元使用的三个超声波传感器采用型号为HY-SRF05的超声波传感器。

上述的控制单元采用型号为STM32的单片机。

本实用新型的有益效果在于：本申请设计的避障机器人利用超声波探测技术智能识别路面特征，在平坦的路面上，机器人利用小轮子行走；当遇到楼梯台阶等传统轮子无法继续前进的道路，能迅速调整为星轮运动，进行越障行走。

附图说明

图1为本实用新型的前视立体结构示意图。

图2为本实用新型的后视立体结构示意图。

图3为本实用新型的仰视立体结构示意图。

图4为舵机连接第一超声波传感器的结构示意图。

图5为现有的集电环的原理图。

图6为星轮翻转越障原理示意图。

图7为部分部件线路连接简图。

图8为控制单元线路连接示意图。

图中：机身1，隔层空间2，连接板3，连接块4，后置万向轮5，星轮6，系杆7，马达8，小轮9，集电环10，越障驱动模块11，前轮驱动减速电机12，平地驱动模块13，避障检测单元14，竖直杆15，舵机16，转动连杆17，第一超声波传感器18，第二超声波传感器19，第三超声波传感器20，控制单元21。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细介绍，以下所述，仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制；此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量；由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通；对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

一种避障机器人，包括机身1、后置万向轮5、前轮驱动减速电机12、集电环10、星轮6、马达8、小轮9、越障驱动模块11、平地驱动模块13、避障检测单元14、舵机16、控制单元21、蓄电池等部件。

如图2所示，所述的机身1为后面开口的箱体结构，内部设置有两层隔层空间2，用于安装控制单元、蓄电池等部件；机身1向后水平延伸出两块平行的连接板3，且两块连接板3向后逐渐变窄，两块连接板3的后端与连接块4固定连接，连接块4的底部安装有一个后置万向轮5，方便机器人灵活转向；如图3所示，机身1底面左、右两侧对侧安装有两个前轮驱动减速电机12，可以采用型号为37GB520的减速电机，每个前轮驱动减速电机12向外水平伸出的驱动轴上通过联轴器安装星轮6。

现有的星轮由均匀分布在“Y”型、“五星”或“十”字形系杆上的若干个小轮构成；各个小轮既可以绕各自的轴线自转，又可以随着系杆一起绕中心轴公转；在平地行走时，各小轮自转，而爬楼梯时，星轮公转，从而实现越障、爬台阶的功能，如图6所示为星轮翻转越障原理示意图；本申请中采用了“Y”型星轮，所述的星轮6包括Y型的系杆7，系杆7上均匀间隔120°安装三个马达8，每个马达8上安装一个小轮9，通过马达8驱动小轮9自转。

此外，为了避免前轮驱动减速电机12驱动转动时线路缠绕；在前轮驱动减速电机12与星轮6之间还安装有一个集电环10，可以采用品牌是森瑞普/SENRING 的集电环；如图5所示为集电环的原理图；集电环也叫导电环、滑环、集流环、汇流环等；它可以用在任何要求连续旋转的同时，又需要从固定位置到旋转位置传输电源和信号的机电系统中；滑环能够提高系统性能，简化系统结构，避免导线在旋转过程中造成扭伤。

上述越障驱动模块11安装在机身1的隔层空间2中，连接两个前轮驱动减速电机12，用于控制前轮驱动减速电机12转动；越障驱动模块11可以采用型号为L298N的驱动模块；两个前轮驱动减速电机同步转动实现前进或后退，通过差速实现转弯；平地上行走时，前轮驱动减速电机不运行；当遇到楼梯台阶等障碍时，才会启动，前轮驱动减速电机带动星轮转动越障。

上述平地驱动模块13安装在机身1的隔层空间2中，平地驱动模块13连接左侧星轮上的三个马达和右侧星轮上的三个马达，用于控制六个马达转动；平地驱动模块13可以采用型号为L298N的驱动模块；平地上行走时，前轮驱动减速电机不运行，六个马达运行带动六个小轮自转实现平地行走。

上述避障检测单元14包括三个超声波传感器，可以采用型号为HY-SRF05的超声波传感器，该型号的超声波传感器有效探测距离为3000mm，有效探测锥角为15°；机身的前面中央竖直固定有一根竖直杆15，竖直杆15顶端安装有舵机16，可以采用型号为MG995的舵机；舵机16的左侧面转动连接有转动连杆17，转动连杆17前端设有第一超声波传感器18，第一超声波传感器18位于竖直杆15前侧，在舵机16的带动下，可以绕着转动连杆17的转动中心上下转动，第一超声波传感器18初始状态时朝向前下方，用于检测前方是否存在障碍物，第一超声波传感器18离地60cm左右；机身1的前面左右两侧安装向外偏的第二超声波传感器19和第三超声波传感器20；第二超声波传感器19位于机身1左前侧，离地15cm左右，用于检测左前方低处障碍物；第三超声波传感器20位于机身1右前侧，离地15cm左右，用于检测右前方低处障碍物。

上述控制单元21安装在机身1的隔层空间2中，控制单元21可以采用型号为STM32的单片机，单片机连接三个超声波传感器、越障驱动模块11、平地驱动模块13、舵机16。

还包括蓄电池，蓄电池安装在机身1的隔层空间2中；为机器人运行供电；所述的蓄电池可以采用12V的蓄电池。

上述机器人的整体尺寸为长330mm，宽445mm，高745mm，机身底盘距地面高度为110mm；星轮轮毂高210mm，厚度为55mm；最大翻越高度为180mm，最小翻越高度为30mm。

机器人的工作原理为：行走过程中，三个超声波传感器同时检测，其中任意一个传感器检测到障碍物，机器人在障碍物前停下来；之后控制单元控制舵机带动连杆上的第一超声波传感器上下扫动，判断障碍物类型，如果舵机上的第一超声波传感器返回控制单元的值始终在限定的范围内，机器人则判定前方是墙壁；启用马达带动星轮上的小轮自转绕开；如果舵机上的第一超声波传感器返回控制单元的值呈阶梯状变化，则判定为楼梯，启用两个前轮驱动减速电机带动星轮转动翻越楼梯；当返回的值若为其他不规则的值，且判断为一般障碍物，启用马达带动星轮组绕开。

该机器人的的特点是，利用超声波探测技术智能识别路面特征，在平坦的路面上，机器人利用小轮子行走；当遇到楼梯台阶等传统轮子无法继续前进的道路，能迅速调整为星轮运动，进行越障行走。

尽管参照前述实例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种避障机器人,包括机身、后置万向轮、前轮驱动减速电机、星轮、马达、小轮、越障驱动模块、平地驱动模块、避障检测单元、舵机、控制单元，其特征是，机身为箱体结构，内部设置有隔层空间，机身后端下部安装后置万向轮；机身底面左、右两侧对侧安装有两个前轮驱动减速电机，每个前轮驱动减速电机向外水平伸出的驱动轴上通过联轴器安装星轮；所述的星轮包括系杆，系杆上均匀间隔安装马达，每个马达上安装一个小轮；所述的越障驱动模块安装在机身的隔层空间中，连接两个前轮驱动减速电机；所述的平地驱动模块安装在机身的隔层空间中，连接左侧星轮和右侧星轮上的马达；所述的避障检测单元包括三个超声波传感器，机身的前面中央竖直固定有一根竖直杆，竖直杆顶端安装有舵机，舵机转动连接有转动连杆，转动连杆前端设有第一超声波传感器，第一超声波传感器位于竖直杆前侧，在舵机的带动下，可以绕着转动连杆的转动中心上下转动；机身的前面左右两侧安装向外偏的第二超声波传感器和第三超声波传感器；第二超声波传感器位于机身左前侧；第三超声波传感器位于机身右前侧；所述的控制单元安装在机身的隔层空间中，分别连接三个超声波传感器、越障驱动模块、平地驱动模块、舵机。

2.根据权利要求1所述的避障机器人，其特征在于：所述的星轮为“Y”型星轮，系杆呈Y型，系杆上均匀间隔120°安装三个马达。

3.根据权利要求1或2所述的避障机器人，其特征在于：所述的前轮驱动减速电机与星轮之间还安装有一个集电环。

4.根据权利要求3所述的避障机器人，其特征在于：还包括蓄电池，蓄电池安装在机身的隔层空间中；蓄电池连接用电设备，为其运行供电。

5.根据权利要求4所述的避障机器人，其特征在于：所述的蓄电池采用12V的蓄电池。

6.根据权利要求1所述的避障机器人，其特征在于，所述的前轮驱动减速电机采用型号为37GB520的减速电机。

7.根据权利要求1所述的避障机器人，其特征在于：所述的越障驱动模块、平地驱动模块采用型号为L298N的驱动模块。

8.根据权利要求1所述的避障机器人，其特征在于：所述的避障检测单元使用的三个超声波传感器采用型号为HY-SRF05的超声波传感器。

9.根据权利要求1所述的避障机器人，其特征在于：控制单元采用型号为STM32的单片机。