一种具有攀爬楼梯功能的履带式机器人控制系统及方法技术方案

本发明专利技术属于机器人自动控制领域，具体涉及一种具有攀爬楼梯功能的履带式机器人控制系统及方法。所述的履带式机器人控制系统包括：履带式机器人主体、主控制模块MCU、姿态检测模块、人机交互模块、电机驱动模块和供电模块；主控制模块MCU、姿态检测模块、电机驱动模块和供电模块固定在履带式机器人主体上。所述的履带式机器人主体包括前端行走机构、底盘、后端行走机构、机械臂、伺服电机和直流驱动电机。本发明专利技术的履带式机器人是能够具有快速平稳攀爬楼梯功能且体积较小的履带式机构，除能在平地上平稳运行外还能适应不同的楼梯形状，具有极强的越障能力。并且该履带式机器人的结构简单、体积较小、能够实现快速平稳的攀爬楼梯的功能。

A Tracked Robot Control System with the Function of Climbing Stairs and Its Method

The invention belongs to the field of automatic control of robots, in particular to a crawler-type robot control system and method with the function of climbing stairs. The control system of the tracked robot includes: the main body of the tracked robot, the main control module MCU, the attitude detection module, the human-computer interaction module, the motor driving module and the power supply module; the main control module MCU, the attitude detection module, the motor driving module and the power supply module are fixed on the main body of the tracked robot. The main body of the tracked robot includes a front-end walking mechanism, a chassis, a back-end walking mechanism, a manipulator, a servo motor and a DC drive motor. The crawler-type robot of the present invention is a crawler-type mechanism capable of climbing stairs quickly and smoothly and with a small volume. It can not only run smoothly on the flat ground, but also adapt to different stair shapes, and has a very strong obstacle-surmounting ability. Moreover, the tracked robot has the advantages of simple structure, small size, and can achieve the function of climbing stairs quickly and smoothly.

【技术实现步骤摘要】
一种具有攀爬楼梯功能的履带式机器人控制系统及方法
本专利技术属于机器人自动控制领域，具体涉及一种具有攀爬楼梯功能的履带式机器人控制系统及方法。
技术介绍
楼梯以及阶梯形建筑在生活中随处可见，携带沉重物品爬楼梯成为一种负担。目前有许多爬楼梯的装置，部分实现了载物爬楼梯的功能，在一定程度上解决了载重物爬楼梯的问题。目前的爬楼梯装置需要操作人员人为、实时的干预控制才能实现载物爬楼梯功能，并且还需要操作人员有一定的操作经验；耗费在操作上时间较多并且对使用者要求较高。由此，提出一种具有攀爬楼梯功能的履带式机器人及其控制方法。使用该装置，小型爬楼梯机器人能够智能准确判断与楼梯的距离，自动调节姿态，实现安全稳定地自动载物攀爬楼梯。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术的问题，专利技术提供一种具有攀爬楼梯功能的履带式机器人控制系统及方法。本专利技术的技术方案：一种具有攀爬楼梯功能的履带式机器人控制系统，所述的履带式机器人控制系统包括：履带式机器人主体、主控制模块MCU、姿态检测模块、人机交互模块、电机驱动模块和供电模块；主控制模块MCU、姿态检测模块、电机驱动模块和供电模块固定在履带式机器人主体上。所述的履带式机器人主体包括前端行走机构、底盘、后端行走机构、机械臂、伺服电机和直流驱动电机；所述前端行走机构与所述后端行走机构分别与底盘通过轴承相连接，实现相对与所述底盘的定轴转动。底盘下表面前后两端分别固定伺服电机，两台伺服电机用于分别控制所述前端行走机构、后端行走机构相对于所述底盘进行定轴转动。所述前端行走机构和所述后端行走机构均设置有直流驱动电机，以控制所述履带式机器人的运动。所述底盘上表面固定机械臂，用于进行物品的抓取、放置的功能。所述的供电模块包括变压模块和电路保护模块，变压模块与电机驱动模块相连，使用高电压向电机驱动模块供电；变压模块将高压变为低压后与主控制模块MCU、姿态检测模块、人机交互模块相连，为三者供电；电路保护模块监测电压信号和电流信号并将电压信号和电流信号发送至主控制模块MCU，主控制模块MCU根据电压信号和电流信号判断所述小型爬楼机器人自动控制系统是否欠压、过压、过流进而判断是否切断小型爬楼机器人自动控制系统。所述姿态检测模块包括激光测距模块、陀螺仪传感器和摄像头模块；两个激光测距模块分别设置在前端行走机构的左右两侧直流驱动电机上且与水平面平行，确保激光测距模块射出的激光与底盘水平面平行，激光测距模块采集前端行走机构前部相对楼梯的距离。陀螺仪传感器固定在底盘下表面，用于采集机体底盘与水平面的夹角。摄像头模块固定在底盘上表面朝向正前方且与水平面平行，保证采集履带式机器人正前方楼梯的参数。激光测距模块、陀螺仪传感器和摄像头模块与主控制模块MCU相连，将采集到的距离信号、爬楼姿态信号和摄像头采集到的信息传输给主控制模块MCU，检测楼梯的参数信息以及履带相对楼梯的距离形成姿态检测信号，主控制模块MCU根据姿态检测信号做出当前姿态判断，向电机驱动模块传递操作指令，自主完成爬楼并保证爬楼过程中姿态稳定。所述电机驱动模块分别与伺服电机和直流驱动电机相连，根据主控制模块MCU发出的伺服电机控制信号，控制伺服电机转动一定角度并且控制直流驱动电机转速和正反转，从而使前端行走机构和后端行走机构转动一定角度。人机交互模块提供现场交互功能，现场交互包括语音控制，红外遥控；远程交互包括远程无线控制。人机交互模块包括手柄操纵模块和语音识别模块；手柄操纵模块包括LCD显示屏、操纵手柄和无线收发模块。所述主控制模块MCU通过无线收发模块接收操纵手柄发出的操纵信号，进而发出电机控制信号，并通过LCD显示屏显示相应信息，所述电机驱动模块根据所述主控制模块MCU发出的电机控制信号控制直流驱动电机的正反转。所述语音识别模块与主控制模块MCU相连，主控制模块MCU通过所述语音识别模块接收识别语音发出的操纵信号，发出电机控制信号，所述电机驱动模块根据所述主控制模块MCU发出的电机控制信号控制直流驱动电机的正反转。进一步的，所述的人机交互模块包括还包括APP操纵模块，APP操纵模块包括电脑/手机APP和GPRS无线数传模块。主控制模块MCU可通过所述GPRS无线数传模块接收所述电脑/手机APP发出的操纵信号，主控制单片机MCU1发出电机控制信号，电机驱动模块根据主控制模块MCU发出的电机控制信号控制直流驱动电机的正反转。根据所述履带式机器人控制系统的控制方法，步骤如下：第一步：姿态检测模块包括激光测距模块和摄像头模块，通过直流驱动电机处安装的两个并列激光测距模块测量前端行走机构前部距离第一阶楼梯立面的距离，调整两侧履带速度使机体正对第一阶楼梯立面，此时直流驱动电机处安装的两个并列激光测距模块所测距离差为零。第二步：摄像头模块分别采集摄像头模块到第一阶楼梯立面的距离L1和到第二阶楼梯立面的的距离L2，以及楼梯台阶立面的高度H，得到楼梯参数：楼梯踏步宽度：W＝L1-L2；楼梯踏步高度：H楼梯倾斜角：α＝cot(H/W)第三步：主控制模块MCU结合前端行走机构长度L3进行判断，当满足：L3＜W且L3sin45°＞H时，认为机器人能够攀爬此楼梯，此时α满足α＜45°；否则主控制模块MCU发出警告信息给操作人员。第四步：主控制模块MCU判断α满足α＜45°之后，继续行进，位于前端行走机构的激光测距模块到第一阶楼梯立面的距离为S1＝L4+L3，L4是前端行走机构前部到第一阶楼梯立面的距离；当L4＜1cm时，主控制模块MCU控制将此时状态标志为爬楼阶段。第五步：主控制模块MCU控制前端行走机构向上抬起45°，继续行进则前端行走机构会搭在第一阶楼梯上。继续行进则机体底盘向上抬动，陀螺仪传感器采集机体底盘与水平面的夹角β将从零开始变大，主控制模块MCU根据夹角控制后端行走机构抬起相同角度，从而保持后端行走机构仍然贴合地面；当机体底盘与水平面的夹角β不再为零时，此时主控制模块MCU控制前端行走机构以一定速度向下落下，使前端行走机构有与第一阶楼梯踏步贴合的趋势。前端行走机构向下落下时与机体底盘所成角度最大为βmax＝π/2-sec(H/S)，H是楼梯台阶立面的高度H，S是机体的长度。第六步：后端行走机构仍然贴合地面的情况下，此时机体底盘与水平面的夹角β＞α，继续行进则L4不断减小；当L4＜1cm时，后端行走机构不再贴合地面，主控制模块MCU控制后端行走机构开始以速度V1向下落下，主控制模块MCU控制前端行走机构以一定速度开始相对机体向上抬起，此时且抬起的角度数与后端行走机构相对机体向下的角度数相同。在前端行走机构前部相对机体抬起至45°，后端行走机构后部相对机体落下至45°的过程中，机体底盘与水平面的夹角β不断减小，继续行进前端行走机构会搭在第二阶楼梯，其中某一时刻机体底盘与水平面的夹角β将减小至α。第七步：当前端行走机构前部相对机体抬起至45°，后端行走机构后部相对机体落下至45°之后，机体底盘与水平面的夹角β＜α，前端行走机构前部相对机体以一定速度放下，后端行走机构后部相对机体以速度V2抬起，则机体底盘与水平面的夹角β开始增加，β增加至α时，前端行走机构停止放下，开始抬起，后端行走机构停止抬起，开始放下，继续行进，则L4不断减小，重复上述步骤，不断攀爬楼梯。第八步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有攀爬楼梯功能的履带式机器人控制系统，其特征在于，所述的履带式机器人控制系统包括：履带式机器人主体、主控制模块MCU(1)、姿态检测模块(2)、人机交互模块(3)、电机驱动模块(4)和供电模块(5)；主控制模块MCU(1)、姿态检测模块(2)、电机驱动模块(4)和供电模块(5)固定在履带式机器人主体上；所述的履带式机器人主体包括前端行走机构(11)、底盘(12)、后端行走机构(13)、机械臂(14)、伺服电机(15)和直流驱动电机(16)；所述前端行走机构(11)与所述后端行走机构(13)分别与底盘(12)通过轴承相连接；底盘(12)下表面前后两端分别固定伺服电机(15)，两台伺服电机(15)用于分别控制所述前端行走机构(11)、后端行走机构(13)相对于所述底盘进行定轴转动；所述前端行走机构(11)和所述后端行走机构(13)均设置有直流驱动电机(16)，以控制所述履带式机器人的运动；所述底盘(12)上表面固定机械臂(14)；所述的供电模块(5)包括变压模块(52)和电路保护模块(51)，变压模块(52)与电机驱动模块(4)相连，使用高电压向电机驱动模块(4)供电；变压模块(52)将高压变为低压后与主控制模块MCU(1)、姿态检测模块(2)、人机交互模块(3)相连，为三者供电；电路保护模块(51)监测电压信号和电流信号并将电压信号和电流信号发送至主控制模块MCU(1)；所述姿态检测模块(2)包括激光测距模块(21)、陀螺仪传感器(22)和摄像头模块(23)；两个激光测距模块(21)分别设置在前端行走机构(11)的左右两侧直流驱动电机(16)上且与水平面平行，激光测距模块(21)采集前端行走机构(11)前部相对楼梯的距离；陀螺仪传感器(22)固定在底盘(12)下表面，用于采集机体底盘(12)与水平面的夹角；摄像头模块(23)固定在底盘(12)上表面朝向正前方且与水平面平行，采集履带式机器人正前方楼梯的参数；激光测距模块(21)、陀螺仪传感器(22)和摄像头模块(23)与主控制模块MCU(1)相连，将采集到的距离信号、爬楼姿态信号和摄像头采集到的信息传输给主控制模块MCU(1)，检测楼梯的参数信息以及履带相对楼梯的距离形成姿态检测信号，主控制模块MCU(1)根据姿态检测信号做出当前姿态判断，向电机驱动模块(4)传递操作指令，自主完成爬楼并保证爬楼过程中姿态稳定；所述电机驱动模块(4)分别与伺服电机(15)和直流驱动电机(16)相连，根据主控制模块MCU(1)发出的伺服电机控制信号，控制伺服电机(15)转动一定角度并且控制直流驱动电机(16)转速和正反转，从而使前端行走机构(11)和后端行走机构(13)转动一定角度；所述人机交互模块(3)包括手柄操纵模块(31)和语音识别模块(32)；手柄操纵模块(31)包括LCD显示屏(312)、操纵手柄(311)和无线收发模块(313)；所述主控制模块MCU(1)通过无线收发模块(313)接收操纵手柄(311)发出的操纵信号，进而发出电机控制信号，并通过LCD显示屏(312)显示相应信息；所述电机驱动模块(4)根据所述主控制模块MCU(1)发出的电机控制信号控制直流驱动电机(16)的正反转；所述语音识别模块(32)与主控制模块MCU(1)相连，主控制模块MCU(1)通过所述语音识别模块(32)接收识别语音发出的操纵信号，发出电机控制信号，所述电机驱动模块(4)根据所述主控制模块MCU(1)发出的电机控制信号控制直流驱动电机(16)的正反转。...

【技术特征摘要】
1.一种具有攀爬楼梯功能的履带式机器人控制系统，其特征在于，所述的履带式机器人控制系统包括：履带式机器人主体、主控制模块MCU(1)、姿态检测模块(2)、人机交互模块(3)、电机驱动模块(4)和供电模块(5)；主控制模块MCU(1)、姿态检测模块(2)、电机驱动模块(4)和供电模块(5)固定在履带式机器人主体上；所述的履带式机器人主体包括前端行走机构(11)、底盘(12)、后端行走机构(13)、机械臂(14)、伺服电机(15)和直流驱动电机(16)；所述前端行走机构(11)与所述后端行走机构(13)分别与底盘(12)通过轴承相连接；底盘(12)下表面前后两端分别固定伺服电机(15)，两台伺服电机(15)用于分别控制所述前端行走机构(11)、后端行走机构(13)相对于所述底盘进行定轴转动；所述前端行走机构(11)和所述后端行走机构(13)均设置有直流驱动电机(16)，以控制所述履带式机器人的运动；所述底盘(12)上表面固定机械臂(14)；所述的供电模块(5)包括变压模块(52)和电路保护模块(51)，变压模块(52)与电机驱动模块(4)相连，使用高电压向电机驱动模块(4)供电；变压模块(52)将高压变为低压后与主控制模块MCU(1)、姿态检测模块(2)、人机交互模块(3)相连，为三者供电；电路保护模块(51)监测电压信号和电流信号并将电压信号和电流信号发送至主控制模块MCU(1)；所述姿态检测模块(2)包括激光测距模块(21)、陀螺仪传感器(22)和摄像头模块(23)；两个激光测距模块(21)分别设置在前端行走机构(11)的左右两侧直流驱动电机(16)上且与水平面平行，激光测距模块(21)采集前端行走机构(11)前部相对楼梯的距离；陀螺仪传感器(22)固定在底盘(12)下表面，用于采集机体底盘(12)与水平面的夹角；摄像头模块(23)固定在底盘(12)上表面朝向正前方且与水平面平行，采集履带式机器人正前方楼梯的参数；激光测距模块(21)、陀螺仪传感器(22)和摄像头模块(23)与主控制模块MCU(1)相连，将采集到的距离信号、爬楼姿态信号和摄像头采集到的信息传输给主控制模块MCU(1)，检测楼梯的参数信息以及履带相对楼梯的距离形成姿态检测信号，主控制模块MCU(1)根据姿态检测信号做出当前姿态判断，向电机驱动模块(4)传递操作指令，自主完成爬楼并保证爬楼过程中姿态稳定；所述电机驱动模块(4)分别与伺服电机(15)和直流驱动电机(16)相连，根据主控制模块MCU(1)发出的伺服电机控制信号，控制伺服电机(15)转动一定角度并且控制直流驱动电机(16)转速和正反转，从而使前端行走机构(11)和后端行走机构(13)转动一定角度；所述人机交互模块(3)包括手柄操纵模块(31)和语音识别模块(32)；手柄操纵模块(31)包括LCD显示屏(312)、操纵手柄(311)和无线收发模块(313)；所述主控制模块MCU(1)通过无线收发模块(313)接收操纵手柄(311)发出的操纵信号，进而发出电机控制信号，并通过LCD显示屏(312)显示相应信息；所述电机驱动模块(4)根据所述主控制模块MCU(1)发出的电机控制信号控制直流驱动电机(16)的正反转；所述语音识别模块(32)与主控制模块MCU(1)相连，主控制模块MCU(1)通过所述语音识别模块(32)接收识别语音发出的操纵信号，发出电机控制信号，所述电机驱动模块(4)根据所述主控制模块MCU(1)发出的电机控制信号控制直流驱动电机(16)的正反转。2.如权利要求1所述的履带式机器人控制系统，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：李胜铭，徐文强，王超，王贤昊，秦铭，周汉文，毛佳斌，胡方圆，吴振宇，卢湖川，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21