轮式与履带式移动机器人地形适应性对比及未来应用前景分析

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    1、本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种轮腿爬楼机器人。

    背景技术：

    2、如今机器人已经渗透到各行各业，广泛应用于军事、制造、医疗、服务等领域。然而，目前常见的机器人只能在平稳、无障碍的情况下使用，往往无法顺利越过连续的障碍物。 、连续减速带等多层次障碍道路，更不用说楼梯等考验高通行能力的场合。

    3、众所周知，履带式移动机器人因其地形适应性强而受到青睐。但在转弯时，履带的磨损以及履带开模困难等问题成为其应用的瓶颈。相比之下，轮式移动机器人克服了履带式的这些缺点，在满足一定地形适应性的前提下，可以充分发挥移动机器人运动灵活、控制简单等优点。但其对地形的适应能力不如履带式机器人。一般来说，轮式移动机器人对地形的适应性与轮子的数量成正比。但随着轮子数量的增加，也带来了机器人体积大、重量重等缺点。

    4、因此，如何减少轮子的数量，并具有越障、爬楼梯的功能，同时还能够灵活移动、易于控制，成为该领域亟待解决的问题。

    技术实现要素：

    5、本发明的目的是为了有效解决背景技术中的问题，提出一种轮腿爬楼梯机器人。

    6、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

    7、一种轮腿爬楼机器人，包括中心架3和位于中心架3两侧的轮子1。每个轮子1通过悬臂2与中心架3连接，悬臂2连接车轮1的连接处设有第一驱动电机m1，形成第一转动副，悬臂2与中心架3的连接处设有第二驱动电机m2形成第二旋转对；

    8、爬楼梯机器人还包括摆杆4和支撑杆5。摆杆4、支撑杆5和悬臂2一一对应。摆杆4的一端与其对应的悬臂2固定连接，另一端与其对应的悬臂2固定连接。其一端与其对应的支撑杆5连接，其一端设有第三驱动电机m3。摆杆4与支撑杆5的连接位置形成转动副3。

    9、其中，第一驱动电机的定子固定在悬臂上，转子与轮轴固定。行走时，第一驱动电机驱动轮子，使机器人整体进行前进、后退、转弯等运动；当车轮固定时，第一驱动电机的转子受阻，定子旋转并带动悬臂摆动；

    10、第二驱动电机的定子端固定在中心架上，转子端固定在悬臂上，使得悬臂与中心架之间可以通过电机轴线方向进行相对旋转；

    11、第三驱动电机的输出轴固定有支撑杆。在第三驱动电机的作用下，支撑杆可绕第三驱动电机在摆杆上的固定位置摆动一定角度。

    12、作为一种优选方案，中心架3绕第二旋转副的旋转半径小于车轮1的半径。

    13、作为一种优选方案，支撑杆5为镰刀形结构，其手柄通过第三驱动电机m3与摆杆4连接。

    14、作为优选方案，支撑杆5的刀头上设有防滑套51。

    15、作为优选方案，两个摆杆4之间设有水平框架6。横架6保证两个摆杆之间的同步，保持整个车身的稳定性。

    16、作为优选方案，横架6与摆杆4的连接位置位于摆杆4的中部。

    17、作为一种优选方案，中心架3、悬臂2、摆杆4、横架6和支撑杆5绕第二驱动电机m2同方向、同角速度同步旋转。

    18、作为一种优选方案，摆杆4远离悬臂2的一端设有手柄41，用于对机器人整体进行提握、推拉。

    19、作为一种优选方案，中心架3上设置有控制器、电池31、激光雷达32和第一姿态传感器，悬臂2上设置有第二姿态传感器；

    20、控制器分别连接第一驱动电机m1、第二驱动电机m2、第三驱动电机m3、电池31、激光雷达32、第一姿态传感器和第二姿态传感器。

    21、其中电池为整个车辆提供能量供应和一定程度的配重，使车辆重心尽可能降低，保持行驶过程的稳定性；第一姿态传感器用于感测中心架的当前位置和姿态，并将当前位置和姿态信息传输至控制器，以确定此时中心架是否处于预期的设计水平位置。并通过控制第二驱动电机，保证悬臂旋转时，小车中心架在举升过程中始终保持水平位置，使小车中心架不存在侧翻或翻倒的风险;激光雷达用于感知当前的环境状况，可以用来判断当前汽车是否应该爬升或避开障碍物或继续爬升。另外，第二姿态传感器用于检测悬臂向上摆动时的位置角度，并用于控制摆杆的旋转。其末端的第三驱动电机可以调节支撑杆的旋转，以进一步支撑地面。调整支撑杆的摆动角度，以调整与地面的接触位置和支撑力。

    22、作为一种优选方案，中心架3上还设置有与控制器连接的探照灯37，用于照明环境；

    23、中心架3上还设置有若干控制开关33，控制开关33与命令开关控制器连接。

    24、中心架3上还设置有与控制器连接的显示屏36，用于显示当前检测环境和指令状态。

   

    25、中心架3还设有与控制器连接的启停开关34和急停开关35，用于启动、停止和急停爬楼梯机器人。

    26、其中，中心架是整车的核心部件，集成了整车的控制、供能、检测模块。汽车的整体配置也集中在这里，保证汽车运动过程中重心下移，使汽车的运动更加平稳。

    27、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

    28、本发明的轮腿爬楼机器人具有安装在对称安装的左右悬臂上的第一驱动电机。第一驱动电机的定子安装在左右悬臂上。转子和轮是固定的。第一驱动电机使悬臂和轮子在电机的轴向上保持相对旋转，第二驱动电机安装在悬臂的另一端。第二驱动电机也连接到小车的中心架上；两摆杆之间还设有水平框架，该水平框架位于摆杆的中心并远离第一驱动电机。在上部位置，十字架固定连接两台叉车，保证叉车转动过程中始终能保持两者之间的同步运动，保持整车的稳定性；叉车和悬臂固定，另一端还设有第三驱动电机。第三驱动电机轴上也固定有支撑杆。支撑杆在第三驱动电机的驱动下可以旋转。第一驱动电机用于驱动小车运动。当轮子逆着台阶移动时，轮子失速，安装

    第一驱动电机定子端的左右悬臂沿行进方向反向旋转。同时，悬臂抬起中心框架。摆臂同时旋转，其尖端逐渐接近地面。位于悬臂上的第二姿态传感器控制第三驱动电机的驱动。支撑杆，改​​变所述支撑杆与地面的接触位置，并反馈给车辆向上的支撑力，使车辆能够逐渐越过台阶或其他障碍物；此外，中心架上还装有电池、第一姿态传感器、激光雷达和控制器，电池为车辆提供能量。供给和一定程度的配重，使小车的重心尽可能降低，保持行驶过程的稳定性；第一姿态传感器用于感测中心架当前的位置和姿态，并将当前位置和姿态信息传输给控制器，以确定此时中心架是否处于预期的设计水平。并通过控制第二驱动电机保证小车就位，当悬臂转动时，中心架在举升过程中始终能保持水平位置，使小车中心架不存在侧翻的风险或翻倒；激光雷达用于感知当前的环境状况并对当前的汽车做出决策。是否要攀爬或躲避障碍物，或者不断地攀爬障碍物。

    附图说明

    29、图1为本发明实施例整体结构示意图；

    30、图2为本发明实施例整体结构示意图；

    31、图3为本发明实施例整体结构示意图；

    32、图4为本发明实施例的运动原理示意图；

    33、图5为本发明实施例的爬楼梯示意图；

    34、图6为本发明实施例爬楼梯示意图之二；

    35、图7为本发明实施例爬楼梯示意图之三；

    36、图8为本发明实施例爬楼梯示意图之四；

    37、图9为本发明实施例爬楼梯示意图五；

    38、图10为本发明实施例的爬楼梯运动结构示意图；

    39、图11为本发明实施例的爬楼梯运动结构示意图二；

    40、图12为本发明实施例的爬楼梯运动结构示意图之三；

    41、图13为本发明实施例的爬楼梯运动结构示意图四；

    42、图14为本发明实施例的爬楼梯运动结构示意图五；

    43、图中：1-轮子、2-悬臂、3-中心架、31-电池、32-激光雷达、33-控制开关、34-开关、45-急停开关、36-显示屏、37-探照灯、4-摆杆、41-握把、5-支撑杆、51-防滑套、6-十字架、 10物体块、11杆一、12杆二、13杆三、111-旋转副一、112-旋转副二、113-旋转副三、m1-第一驱动电机、m2-第二驱动器电机，m3-第三驱动电机。

    具体实施

    44.本文将详细描述示例性实施例，其示例在附图中示出。当以下描述参考附图时，除非另有说明，不同附图中的相同标号表示相同或相似的元件。以下示例性实施例所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅仅是与所附权利要求中详述的技术的各方面一致的装置的示例。

    45、本技术中使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，并不旨在限制本技术。除非另有定义，本技术中使用的技术术语或科学术语应具有本发明所属领域的普通技术人员所理解的通常含义。本技术说明书和权利要求书中使用的术语“a”或“an”

    类似的词语也不表示数量限制，而是表示至少存在一种。 “多个”包括两个，相当于至少两个。 “包括”或“包括”以及其他类似词语是指出现在“包括”或“包括”之前的元素或对象涵盖了“包括”或“包括”之后列出的元素或对象及其等同词，并且不排除其他元素。或物体。诸如“连接”或“连接”之类的词语不限于物理或机械连接并且可以包括电连接，无论是直接的还是间接的。如本技术说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“该”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。还应当理解，本文所使用的术语“和/或”是指并包括一个或多个相关列出项的任何和所有可能的组合。

    46、本发明实施例中，如图1、图2、图3所示，轮腿爬楼机器人包括中心架3和分别位于中心架3两侧的轮子1。图1中的悬臂2与中心架3连接。第一驱动电机m1设置在悬臂2与车轮1的连接位置，形成旋转副。第二驱动电机m2设置在悬臂2与中心框架3的连接处，形成旋转副。第二副手；

    47、爬楼梯机器人还包括摆杆4和支撑杆5。摆杆4、支撑杆5和悬臂2一一对应。秋千杆4的一端与其对应的悬臂2固定连接，另一端与其对应的悬臂2连接，连接相应的支撑杆5，在秋千的连接处设有第三驱动电机m3杆4和支撑杆5构成旋转副3。

    48、其中，中心架3绕第二转动副转动的半径小于车轮1的半径。

   

    49、本发明实施例中的支撑杆5优选为镰刀形结构，其手柄通过第三驱动电机m3与摆杆4连接；另外，支撑杆5的刀头上设有防滑套51。

    50、本发明实施例中，两摆杆4之间设有水平框架6；水平框架保证两个摆杆之间的同步，保持整个车身的稳定性。其中，横架6与叉杆4的连接位置位于叉杆4的中部；或者，十字架6位于叉杆4的中心并远离第一驱动电机m1，十字架6将两个叉杆4相互连接。固定的。

    51、其中，中心架3、悬臂2、摆杆4、横架6和支撑杆5绕第二驱动电机m2同方向、同角速度同步旋转。

    52、另外，本发明实施例中摆杆4远离悬臂2的一端设有手柄41，用于对机器人整体进行提握、推拉等操作。

    53、更具体地，从整体来看，本发明实施例的整个机器人围绕中心框架的中心对称分布。更具体地，如图1所示，悬臂2具有中间连接键，连接键两端均设有轴孔，轴孔通过第一驱动电机分别与车轮和中心架连接。和第二驱动电机。更具体地，连接至车轮的轴孔固定有第一驱动电机。转子、车轮安装在轴孔内并固定。 主传动第一驱动电机，主传动第一驱动电机的定子端固定在轴孔上，定子端固定在悬臂上，通过第一驱动电机维持轮子与悬臂之间绕轮轴的相对旋转；相应地，另一孔轴固定于第二驱动电机的定子上，第二驱动电机的转子固定于中心框架上。第二驱动电机可控制中心架与悬臂之间的转动，以调节和保持中心架位置的水平。

    54、悬臂连接中心架最大运动轨迹半径小于车轮半径，保证小车爬楼梯时不会受到台阶干扰。在悬臂安装第一驱动电机的另一侧还固定安装有摆杆。摆杆与悬臂牢固连接，可与第一驱动电机、悬臂臂同轴同向同速旋转；两摆杆之间也有固定连接。固定连接有横架，横架位于叉杆的中心并远离第一驱动电机的上方位置。横架将两根叉杆固定连接，保证叉杆转动过程中始终能保持两者之间的平衡。同步运动，保持整车的稳定性；摆杆和悬臂的另一端装有握把和第三驱动电机。手柄可用于控制整个车辆。

    升降、握持、推拉，第三驱动电机的转轴上固定有支撑杆。第三驱动电机可控制支撑杆的旋转。支撑杆呈“镰刀”状，“镰刀”手柄穿过第三驱动电机。三驱电机固定在摆杆上，其“刀头”部分还固定有防滑套，保证小车在爬楼梯时能够提供一定的稳定支撑。

    55、为了便于智能控制，如图2、图3所示，本发明实施例的中心架3上设置有控制器、电池31、激光雷达32和第一姿态传感器，悬臂梁图2设置有第二姿态传感器。姿态传感器；其中，控制器分别连接第一驱动电机m1、第二驱动电机m2、第三驱动电机m3、电池31、激光雷达32、第一姿态传感器和第二姿态传感器。

    56、第二姿态传感器可以检测小车悬臂摆动时的摆动角度和姿态信息，用于控制摆杆一端的第三驱动电机，进一步精确控制支撑杆的旋转；更具体地，当汽车处于直线位置时，汽车在道路上时，汽车的第一驱动电机控制汽车的车轮按预设方向移动。汽车爬楼梯时，汽车的车轮靠在台阶上。由于台阶的阻力，小车电机被卡住，导致第一驱动电机的转子被固定并被卡住。定子转动，即小车悬臂在第一位置开始移动。它在驱动电机的作用下绕轮轴旋转。悬臂摆动过程中，与悬臂同相。固定摆杆也以相同的方向和速度旋转。当悬臂摆动时，在第二姿态传感器的作用下，控制器传输相关角度信息并控制驱动支撑杆的第三驱动电机转动，从而使支撑杆转动。 “镰刀头”部分不断贴近地面，调整支撑杆与地面的接触位置来改变其支撑力。 ，支撑力的方向向上。通过上述连接，可以将支撑力转化为向上的瞬时力，使小车的车轮能够连续越过台阶。该力可以减少手推车的轮子对台阶的阻力。当摩擦驱动力矩大于阻力矩时，小车就会越过台阶并进行后续的连续爬坡作业。

    57、电池为整个车辆提供能量供应和一定程度的配重，使车辆重心尽可能降低，保持行驶过程的稳定性；第一姿态传感器用于感测中心架的当前位置和姿态并存储当前位置。姿态信息传输到控制器，控制器判断此时中心架是否处于预期的设计水平位置，并通过控制第二驱动电机，保证小车在行驶过程中始终能够保持水平位置。悬臂旋转时中心架升起，使汽车中心架不存在侧翻或翻倒的风险；激光雷达用于感知当前的环境状况，可以判断并决定当前汽车是否爬升或避障或继续爬升。

    58、更具体地，本发明实施例的爬行机器人(即小车)的运动过程可以如下：

    59.s1：如图5所示，小车移动到台阶附近，检测到楼梯并接收爬楼梯命令。汽车的轮子接近楼梯。由于梯级的阻力矩，车轮被卡住，第一驱动电机的转子无法转动。定子按照牛顿定律进行旋转，从定律可以看出，这会导致固定在定子上的悬臂带动中心架开始向前向上摆动，固定在悬臂上的摆杆带动支撑杆开始向前、向上摆动。开始向下摆动。悬臂摆动一定角度并保持稳定。此时，它被固定在悬臂上。第二姿态传感装置记录位置和角度信息，并将其传输至控制器，控制摆杆上的第三驱动电机驱动支撑杆摆动。随着第三驱动电机带动支撑杆不断摆动，整车向上的支撑力不断增大，使得小车车轮越过台阶，如图6所示；小车车轮越过台阶后，已踏上第一级台阶，悬臂开始稳定地向后摆动。此时，第二姿态传感器记录位置和角度信息，并将其传输至控制器以驱动支撑杆。零件向后摆动，整车恢复原状；

    60.s2：如图5、图6、图7、图8所示，当小车上一个台阶时，小车继续减速前进。当两个轮子都在台阶上且都受阻时，继续s1流程如图9所示；

    61.s3：当小车到达最后一步时，小车继续向前行驶，车轮不再受阻。即爬坡过程完成，小车开始按照正常规划路径行走。

    62、这辆车可以爬楼梯、越障碍、和平行走，经过s1、s2、s3三个过程，大大提高了机器的性能。

    人们能够无障碍地穿越整个领土。

    63.其中，块10对应中心架3，拉杆11对应悬臂2和摆杆4的整体结构，拉杆2 12对应轮子1，拉杆3 13对应支撑杆5，三个旋转副111、112、113分别对应连接的三个电机m1、m2、m3。

    64、综上所述，本发明实施例的轮腿爬楼梯机器人的步态可以描述为“走、靠、压、撑、回”五个步骤。更详细地说，汽车靠近台阶行走并靠在台阶上。步距摆杆压下，支撑杆接触地面，向上支撑小车。由于车轮卡住，小车车轮所受的力逐渐减弱，小车就会以车轮相对于上台阶的步距角为旋转中心向上台阶移动，车轮就会行走。在此过程中，摆杆会开始复位回到初始行走状态，小车也会向上台阶移动。开始重复下一个爬楼梯的动作步态。

    65、本轮腿爬楼梯机器人的运动机构示意图如图4所示。该机构可由四个部件组成，即块10、杆一11、杆二12和杆三13，其中，杆1与块体分离，杆2与第三杆之间有转动副111、转动副2 112和转动副3 113；物体绕旋转副2旋转的半径也应小于杆2的长度，该机构可形成的步态驱动方法描述可如下：

    66.k1：如图10所示，平地正常行走时，第二转动副输出转动，带动第二杆转动，使机构连续运动；

    67.k2：如图11所示，行走时，杆2端部移动，逐渐接近步距角；

    68.k3：如图12，在k2的步态中，杆的一端受到阻力，导致旋转副2带动杆1绕旋转副2旋转。此时，旋转副1作为原动机2、输出并保证块体的调平；随着杆1绕旋转副2旋转，旋转副3不断接近地面。此时，旋转副3作为原动机3输出，使杆3绕旋转副3旋转，使三号杆另一端的尖端继续接近直至接触地面；

    69.k4：如图13所示，在k3的步态中，随着原动机1和原动机3的扭矩持续输出，小车以拉杆的步距角位置开始上台阶2、以台阶为中心旋转。 ;

    70.k5：如图14所示，机构上台阶后，机构开始复位回到k1运动步态。

    71. 该机构模拟轮腿爬楼梯机器人的爬楼梯运动步态。运动步态从k1到k5循环完成爬楼梯动作，大大简化了机器人的爬楼梯运动过程，因此规模很大。在一定程度上缩短了机器人爬楼梯的时间。

    72、以上内容描述了本发明的使用原理、特点及有益效果。本领域的相关人员从上述内容中可以理解，上述内容并不构成对本发明的限制。以上实施例及描述描述了本发明的基本原理和特征。在符合本发明构思的前提下，本发明还可以做出各种变化和改进，这些改进也应当落入本发明要求的保护范围之内。