一种快速翻越台阶消防救援机器人及控制方法

技术领域

本发明涉及消防救援技术领域，具体涉及一种快速翻越台阶消防救援机器人及控制方法。

背景技术

随着智能机器人技术的迅速发展，移动机器人在生活中应用越来越广泛。目前，消防救援用机器人在水平地面能较快运动，但遇到台阶（楼梯）等障碍时往往需要减速或停下来缓慢地攀爬台阶（楼梯）。虽然有部分研究者对快速或流畅越障做出一些尝试，但都暂不具备快速（可达到平面移动最大速度）翻越能力。如周永等人发明的“一种快速翻越障碍机器人（201911311415.X）”通过自动调节主动轮的角度和调整机器人的高度使之能快速翻越小型凸起障碍，但该机器人仅采用前轮驱动，不能实现翻越台阶（或楼梯）这样的障碍。田华伟等人发明的“一种园区综合服务智能机器人及控制方法（202210179668.1）”通过可上下和左右移动的螺纹杆，可实现流畅的跨过台阶。但该机器人由于结构限制，不能快速翻越台阶，且设计上仅局限于园区这类特定工作场所，不具备攀爬楼梯功能。在消防救援领域，救援时间非常宝贵，往往要求救援机器人不仅在平地上具有较好的机动性能，而且能快速而稳定的翻越台阶（楼梯）等障碍物。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种快速翻越台阶消防救援机器人及控制方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种快速翻越台阶消防救援机器人，包括：机器人本体，所述机器人本体下方左右两侧各有一个履带式主动轮以及履带驱动电机，履带驱动电机通过电机支架刚性连接在本体下方，履带驱动电机前后交错安装，履带通过其自身的限位孔被履带驱动电机轴上固定的驱动齿轮和从动齿轮所固定，从动齿轮通过支撑架和本体刚性连接，履带式主动轮前后两侧各有两个伺服舵机驱动的可旋转轮腿，伺服舵机通过支撑架固定在本体下方，支撑架高度低于履带式主动轮高度。

进一步的，所述可旋转轮腿末端设置有小型主动轮和主动轮驱动电机，主动轮驱动电机和主动轮间通过皮带传动，主动轮和其转轴间设置有单向棘轮，主动轮依靠惯性转动或通过主动轮驱动电机转动。

进一步的，所述可旋转轮腿边沿有传动齿，通过咬合的减速电机调节自身长度，可旋转轮腿内侧有限位滑槽保证可旋转轮腿的刚性和滑动的顺畅。

进一步的，所述机器人本体上方中间设置有五自由度机械手臂，所述机五自由度机械手臂的各关节处均固定有舵机，其中第1关节处舵机可360°旋转，第2、3、4关节处舵机均平行安装并可绕关节处180°旋转，第5关节处舵机控制夹持手爪的开闭角度。

进一步的，所述第5关节处安装有摄像头，摄像头实时画面通过无线图传在基站显示。

进一步的，所述机器人本体上方前端固定有三维激光雷达，用于实现对台阶或障碍物的检测。

进一步的，机器人在普通地形运动时，前侧可旋转轮腿处于往前折叠状态，后侧可旋转轮腿处于往后折叠状态，机器人通过履带驱动电机转速差实现平面内的任意方向旋转和运动。

一种快速翻越台阶消防救援机器人的控制方法，包括如下步骤：

S1、获取激光雷达扫描的点云数据，对行进方向上点云数据聚类分割，提取分割后数据的线面特征，根据线面特征拟合潜在的台阶高度和深度参数；

S2、判断行进方向上的台阶或障碍物高度和深度于机器人可旋转轮腿伸展极限范围的关系并根据判断结果执行不同翻越策略。

S3、翻越前通过PID控制算法使可旋转轮腿同步旋转，保证机器人本体重心平稳上移，运动模态流畅转换。

本发明具有以下有益效果：

1、当机器人上搭载的激光雷达检测到行进方向上台阶高度和深度小于机器人可旋转轮腿伸展极限范围，控制器输出指令控制减速电机调节自身长度以适应台阶高度，同时 4个伺服舵机驱动的可旋转轮腿向下同步旋转 90°，旋转过程中包含角度负反馈，保证机器人本体重心平稳上移。

2、由于整个翻越过程不需要减速或者停下来，机器人的翻越速度接近平面移动速度，实现了快速翻越。

附图说明

图1为本发明快速翻越台阶消防救援机器人的立体结构示意图。

图2为本发明实施例快速翻越台阶消防救援机器人可旋转轮腿结构示意图。

图3为本发明实施例机器人翻越台阶策略流程图。

图4为本发明实施例机器人在平地上行走时的状态示意图。

图5为本发明实施例机器人前后可旋转轮腿同时旋转使机器人本体重心上移后的状态示意图。

图6为本发明实施例机器人履带前端接触台阶后前可旋转轮腿折叠状态示意图。

图7为本发明实施例机器人翻越台阶结束时后可旋转轮腿折叠状态示意图。

图8为本发明实施例机器人翻越多级台阶时前可旋转轮腿动作状态示意图。

图9为本发明实施例机器人翻越多级台阶时本体状态示意图。

图10为本发明实施例机器人翻越多级台阶结束时可旋转轮腿复位状态示意图。

附图标记说明：1、机器人本体；2、可旋转轮腿；3、三维激光雷达；4、履带；5、履带驱动电机；6、五自由度机械手臂；7、夹持手爪；8、摄像头；21、主动轮；22、主动轮驱动电机；23、减速电机；24、伺服电机；25、限位滑槽。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

一种快速翻越台阶消防救援机器人，如图1所示，包括：机器人本体1，所述机器人本体1下方左右两侧各有一个履带式主动轮以及履带4驱动电机，履带驱动电机5通过电机支架刚性连接在本体下方，履带驱动电机5前后交错安装，履带4通过其自身的限位孔被履带驱动电机5轴上固定的驱动齿轮和从动齿轮所固定，从动齿轮通过支撑架和本体刚性连接，履带式主动轮前后两侧各有两个伺服舵机驱动的可旋转轮腿2，伺服舵机通过支撑架固定在本体下方，支撑架高度低于履带式主动轮高度。

如图2所示，可旋转轮腿2末端有小型主动轮21和主动轮驱动电机22，主动轮驱动电机22和主动轮21间通过皮带传动，主动轮21和其转轴间有单向棘轮，主动轮21可依靠惯性转动也可通过主动轮驱动电机22转动。可旋转轮腿2内侧有传动齿，可通过咬合的减速电机23调节自身长度，可旋转轮腿2内侧有限位滑槽25保证可旋转轮腿2的刚性和滑动的顺畅。本体上方前端固定有三维激光雷达3，可实现台阶（楼梯）等障碍物的检测。本体上方中间有五自由度机械手臂6，手臂各关节处均固定有舵机，第1关节处舵机可360°旋转，第2、3、4处关节舵机均平行安装并可绕关节处180°旋转，第5关节处舵机控制夹持手爪7的开闭角度。第5关节处安装有摄像头8，摄像头8实时画面通过无线图传在基站显示。基站操纵人员通过遥控手柄经无线数传可控制机器人朝任意方向运动和执行手爪抓取和投掷物资等动作。

一种快速翻越台阶消防救援机器人的控制方法，如图3所示，包括如下方式：

S1、获取激光雷达扫描的点云数据，对行进方向上点云数据聚类分割，提取分割后数据的线面特征，根据线面特征拟合潜在的台阶高度和深度参数；

S2、机器人判断行进方向上的台阶或障碍物高度和深度于机器人可旋转轮腿伸展极限范围的关系并根据判断结果执行运转动作；

具体而言，在无障碍物或台阶的平地上移动时，机器人的前后可旋转轮腿处于向前向后的折叠状态，如图4所示，当机器人上搭载的激光雷达检测到行进方向上台阶高度和深度小于机器人可旋转轮腿伸展极限范围，控制器输出指令控制减速电机调节自身长度以适应台阶高度，同时4个伺服舵机驱动的可旋转轮腿向下同步旋转90°，旋转过程中包含角度负反馈，保证机器人本体重心平稳上移。

具体实施时：将90°等分为N份（N取值为[4,10]之间），即可得到可旋转轮腿旋转目标角度

四个可旋转轮腿的角度偏差计算公式为

(1)

其中，

根据公式(2)确定2号可旋转轮腿PWM波高电平脉冲宽度：

(2)

其中，

根据公式(3)确定3号可旋转轮腿PWM波高电平脉冲宽度：

(3)

其中，

根据公式(4)确定4号可旋转轮腿PWM波高电平脉冲宽度：

(4)

其中，

对于移动机器人而言，运动过程中形态变化带来的重心改变对机器人稳定性影响极大。本方案在可旋转轮腿旋转过程中使用了独立的角度反馈控制，保证机器人本体重心平稳上移。

机器人转动可旋转轮腿的同时利用自身惯性向台阶滑行并关闭履带驱动电机，若由于地面阻力滑行速度明显降低则通过驱动电机补偿主动轮转动速度，当机器人前进路径上检测到台阶时，前后可旋转轮腿分别向内旋转90°将机器人本体重心向上抬起，如图5所示。当履带前端接触台阶再次启动驱动电机后，前可旋转轮腿向后旋转90°处于折叠状态，如图6所示。当红外传感器检测到机器人本体重心进入台阶边缘时，后侧可旋转轮腿向后旋转90°处于折叠状态，机器人翻上台阶，如图7所示。由于整个翻越过程不需要减速或者停下来，机器人利用可旋转轮腿过渡使翻越速度没有明显下降，实现了快速翻越。

当激光雷达检测到行进方向上台阶高度和深度小于机器人可旋转轮腿收缩极限范围，控制器输出指令控制减速电机调节可旋转轮腿长度以适应台阶高度，同时伺服舵机驱动的可旋转轮腿同步旋转45°，如图8所示。当机器人本体前端翘起时，重心平稳上移，机器人履带继续和地面接触并推动机器人向台阶运动，如图9所示。当履带后端接触台阶后，可旋转轮腿复位，机器人利用履带驱动快速翻越台阶，如图10所示。由于整个翻越过程不需要减速或者停下来，机器人的翻越速度接近平面移动速度，实现了快速翻越。

当激光雷达检测到行进方向上台阶高度和深度大于机器人可旋转轮腿伸展极限范围，机器人将无法通过该障碍，控制器将限制行进方向的移动速度并通过无线通信往基站发出声光警示。

本发明中应用了具体实施例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。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。