带有导臂的履带式移动机器人的攀爬楼梯控制方法技术

带有导臂的履带式移动机器人的楼梯攀爬方法，其特征在于：步骤１：机器人驶近楼梯，导臂向下旋转，在与楼梯踏步接触后机器人被抬起，并向前攀爬楼梯，当机器人上的超声、红外测距传感器测得机器人与前方物体距离大于楼梯踏步的宽度时，认为机器人已攀爬至楼梯顶部，停止攀爬。步骤２：导臂向下旋转，直到导臂前端与地面接触，当导臂的旋转轴上产生转矩Ｍ大于设定值时，导臂停止转动，机器人继续向上攀爬，导臂随机器人的攀爬而与地面脱离，转矩Ｍ消失，机器人停止攀爬。步骤３：重复步骤２，二维姿态传感器测得的车体与水平面夹角φ随机器人攀爬而减小，机器人继续攀爬至所述夹角φ不再减小时，停止攀爬，导臂向后旋转，与车体的夹角θ为４５度时停止转动。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器人
，是一种针对带有导臂的履带式移动机器人如何 在运动过程中遇到楼梯并自主攀爬楼梯的问题提出的一种新的控制方法。
技术介绍
机器人技术因其涵盖了机械学、计算机科学、人工智能、生物学等领域，成 为了当今世界最前沿的科技热点之一。移动机器人是机器人
的一个重要 分支，移动机器人通常是作为人类身体与感知的延伸，代替人类进入危险环境开 展工作，而人类通过无线或有线的方式对机器人进行远程控制。由于其具有其他 机器人所不具有的"移动性"，正越来越多的被应用于危险环境监测、未知区域 探测、行星探测、救援搜索、排爆等领域。而在各种应用中，常常要面对攀爬楼 梯的问题，由于楼梯结构的特殊性和攀爬楼梯过程的复杂性使得移动机器人攀爬 楼梯问题一直是移动机器人领域的一个难点和热点。目前对移动机器人的控制方法最主要的是遥操作控制方法，即机器人将所处 环境的物理信息传回控制端，由操作员根据现场的状况做出判断，控制机器人运 动。在遥操作控制方式下，机器人的运动完全取决与操作员的控制，只是单纯的 操作员肢体的延伸，由于操作员仅能依靠机器人搭载的传感器采集的环境信息做 判断来控制机器人，临场感差，往往会给出错误的控制命令。同时在遥操作方式 下，操作员始终要观察处理机器人传回的环境信息并操纵机器人，精神高度集中， 很容易身心疲劳，通常无法长时间工作。随着人工智能技术和计算机技术的发展， 移动机器人本身的智能化、自主化成为了目前该领域的发展趋势，但是移动机器 人攀爬楼梯是一个复杂的过程，有很多不确定因素，使得各种算法都有其巨大的 局限性，同时由于移动机器人工作环境的非固定性和非结构化，使得自主算法的 可靠性有待提高。
技术实现思路
本专利技术提供一种具有攀爬最大坡度为45°楼梯能力的带^导臂的履带式移 动机器人的攀爬楼梯控制方法，本专利技术能够使机器人运行稳定可靠。 本专利技术采用如下技术方案-一种带有导臂的履带式移动机器人的楼梯攀爬方法，所述带有导臂的履带式 移动机器人包括前轮和后轮，前轮为驱动轮，后轮为随动轮，左右两侧的前、后轮分别被两条履带包覆，组成机器人的行进机构，与机器人前轮共轴安装有履带 式导臂机构，并以前轮轴为转动中心，沿机器人行进方向做360度圆周旋转，在 机器人的前方安装有超声测距传感器和红外测距传感器，用于测量遥操作小型移 动机器人与前方障碍物之间的距离，在机器人前轮轴安装有力矩传感器，用于测 量导臂对前轮轴产生的力矩，在机器人几何中心安装有两维姿态传感器，用于测 量机器人的俯仰角度和横滚角度，在机器人的后部装有广角摄像机，用于拍摄到机器人前方的画面，其特征在于歩骤l:将移动机器人的车头对准楼梯并驶向楼梯，利用带有导臂的履带式 移动机器人上的超声测距传感器和红外测距传感器测量机器人距前方楼梯的距离S，当S〈L-D时，其中，L为带有导臂的履带式移动机器人导臂的长度，D为 带有导臂的履带式移动机器人前轮的直径，机器人停止前进，导臂向前旋转，在 与楼梯踏步接触后继续向前旋转，导致车体被抬起，当导臂履带下侧与车体履带 下侧位于同一平面上时，导臂停止转动，带有导臂的履带式移动机器人开始向前 运动攀爬楼梯，当设置于带有导臂的履带式移动机器人上的超声测距传感器和红 外测距传感器测得的机器人与前方水平方向上的物体之间的距离大于L且L-楼 梯踏歩的水平宽度时，认为带有导臂的履带式移动机器人的前部已攀爬至楼梯顶 部，此时带有导臂的履带式移动机器人停止攀爬。步骤2:导臂向下旋转，直到导臂前端与地面接触，在导臂的旋转轴上产生转矩M，当旋转轴上的转矩传感器检测到转矩M大于设定值且该设定值大于1 牛-米时，导臂停止转动，机器人继续向上攀爬，导臂随机器人的攀爬而脱离与 地面的接触，导臂转轴上的转矩随着消失，此时带有导臂的履带式移动机器人停 止攀爬。步骤3:重复步骤2， 二维姿态传感器测量到的车体与水平面夹角cp也随机 器人攀爬而减小，此时，机器人继续攀爬至所述夹角(p不再减小时，停止攀爬， 导臂向后旋转，直到与车体的夹角e为45度时停止转动。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点本专利技术针对带有导臂的履带式移动机器人系统提出了一种自主控制方法。本 专利技术的要点是(1)利用自身携带的超声测距传感器和红外测距传感器对环境的感知，通过控制机器人导臂搭载第一级楼梯的踏歩上并向下旋转至特定角度e，将机器人的车体抬起，实现带有导臂的履带式移动机器人从水fF地面到楼梯这-攀爬过程，并使这一过程平稳可靠。(2)利用机器人搭载的二维姿态传感器来检 测机器人与楼梯之间的夹角，通过控制机器人左右履带的前进速度，使得二维姿 态传感器检测到的机器人横滚角为零，即机器人垂直于楼梯向上爬行，使得带有 导臂的履带式移动机器人攀爬过程稳定可靠，不会发生倾覆。(3)当机器人行进4至楼梯顶端时，导臂向下旋转，直到导臂前端与地面接触，利用导臂转轴上安装 的转矩传感器测量在导臂的旋转轴上产生转矩M，当旋转轴上的转矩传感器检 测到转矩M大于设定值且该设定值大于1牛，米时，导臂停止转动，机器人继续 向上攀爬，导臂随机器人的攀爬而脱离与地面的接触，导臂转轴上的转矩随着消 失，此时带有导臂的履带式移动机器人停止攀爬。如此往复。直到机器人的重心 完全越过最后一级台阶，此时导臂不会随着机器人的前进而与地面脱离，即导臂 旋转轴上始终有大于给定值的转矩存在，此时，二维姿态传感器测量到的车体与 水平面夹角(p也随机器人攀爬而减小。机器人继续攀爬至所述夹角cp不再减小 时，停止攀爬，导臂向后旋转，直到与车体的夹角e为45度时停止转动。这一 过程使得带有导臂的履带式移动机器人在从楼梯平面到水平面的过程中始终保 持运动的平衡和平稳，避免了刚性冲击，使得机器人的运动安全可靠。利用机器人搭载的超声、红外测距传感器、扭矩传感器和二维姿态传感器的 测量结果，控制机器人的导臂旋转，配合机器人车体的运动，实现带有导臂的履 带式移动机器人从楼梯到水平地面行走过程的柔性化，使得这一过程平稳，对机 器人的冲击小。上述控制方法层次清晰，结构简单，控制精确，运行稳定可靠。附图说明图l是本专利技术结构示意图。图2是本专利技术楼梯攀爬的初始阶段示意图，其中，图2a是本专利技术攀爬楼梯 的起始状态，图2b是本专利技术攀上楼梯的示意图。 图3是本专利技术楼梯攀爬的过程示意图。图4是本专利技术楼梯攀爬结束过程的示意图。其中，图4a是本专利技术攀爬至楼 梯顶端但重心未越过楼梯顶端阶段示意图，图4b是本专利技术重心越过楼梯顶端阶 段示意图，图4c是本专利技术完成攀爬阶段示意图。图5是本专利技术的一个具体实例示意图。具体实施例方式一种带有导臂的履带式移动机器人的楼梯攀爬方法，所述带有导臂的履带式 移动机器人包括前轮和后轮，前轮为驱动轮，后轮为随动轮，左右两侧的前、后 轮分别被两条履带包覆，组成机器人的行进机构，与机器人前轮共轴安装有履带 式导臂机构，并以前轮轴为转动中心，沿机器人行进方向做360度圆周旋转，在机器人的前方安装有超声测距传感器和红外测距传感器，用于测量遥操作小型移动机器人与前方障碍物之间的距离，在机器人前轮轴安装有力矩传感器，用于测 量导臂对前轮轴产生的力矩，在机器人几何中心安装有两维姿态传感器，用于测 量机器人的俯仰角度和横滚角度，在机器人的后部装有广角摄像本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有导臂的履带式移动机器人的楼梯攀爬方法，所述带有导臂的履带式移动机器人包括前轮和后轮，前轮为驱动轮，后轮为随动轮，左右两侧的前、后轮分别被两条履带包覆，组成机器人的行进机构，与机器人前轮共轴安装有履带式导臂机构，并以前轮轴为转动中心，沿机器人行进方向做３６０度圆周旋转，在机器人的前方安装有超声测距传感器和红外测距传感器，用于测量遥操作小型移动机器人与前方障碍物之间的距离，在机器人前轮轴安装有力矩传感器，用于测量导臂对前轮轴产生的力矩，在机器人几何中心安装有两维姿态传感器，用于测量机器人的俯仰角度和横滚角度，在机器人的后部装有广角摄像机，用于拍摄到机器人前方的画面，其特征在于：　步骤１：将移动机器人的车头对准楼梯并驶向楼梯，利用带有导臂的履带式移动机器人上的超声测距传感器和红外测距传感器测量机器人距前方楼梯的距离Ｓ，当Ｓ＜Ｌ－Ｄ时，其中，Ｌ为带有导臂的履带式移动机器人导臂的长度，Ｄ为带有导臂的履带式移动机器人前轮的直径，机器人停止前进，导臂向前旋转，在与楼梯踏步接触后继续向前旋转，导致车体被抬起，当导臂履带下侧与车体履带下侧位于同一平面上时，导臂停止转动，带有导臂的履带式移动机器人开始向前运动攀爬楼梯，当设置于带有导臂的履带式移动机器人上的超声测距传感器和红外测距传感器测得的机器人与前方水平方向上的物体之间的距离大于Ｌ且Ｌ＝楼梯踏步的水平宽度时，认为带有导臂的履带式移动机器人的前部已攀爬至楼梯顶部，此时带有导臂的履带式移动机器人停止攀爬。　步骤２：导臂向下旋转，直到导臂前端与地面接触，在导臂的旋转轴上产生转矩Ｍ，当旋转轴上的转矩传感器检测到转矩Ｍ大于设定值且该设定值大于１牛米时，导臂停止转动，机器人继续向上攀爬，导臂随机器人的攀爬而脱离与地面的接触，导臂转轴上的转矩随着消失，此时带有导臂的履带式移动机器人停止攀爬。　步骤３：重复步骤２，此过程中二维姿态传感器测量到的车体与水平面夹角也随机器人攀爬而减小，此时，机器人继续攀爬至所述夹角不再减小时，停止攀爬，导臂向后旋转，直到与车体的夹角θ为４５度时停止转动。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宋爱国，郭晏，唐鸿儒，屈传坤，曹彦，包加桐，韩益利，崔建伟，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]