[發明專利]兩輪擺錘式自適應越障機器人及其運動控制方法

在審

• 申請號: 202110759191.X
• 申請日: 2021-07-05
• 公開（公告）號: CN113415356A
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 楊文哲;吳立群;徐海浩;王洪成;王澤恩;黃阿龍
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: B62D63/02
• 分類號: B62D63/02;G05D1/02;G05D1/08;B60K7/00;B60K1/04
• 代理公司: 浙江千克知識產權代理有限公司 33246
• 代理人: 周希良

本發明涉及機器人技術領域，具體涉及一種兩輪擺錘式自適應越障機器人及其運動控制方法，包括兩車輪、兩伸縮懸臂以及位于兩伸縮懸臂之間的中心車架；每一伸縮懸臂的一端均安裝有主驅動電機，另一端均安裝有姿態控制電機；主驅動電機與其對應的車輪連接，主驅動電機用以驅動其對應的車輪轉動，并在車輪堵轉時驅動與其對應的伸縮懸臂旋轉；姿態控制電機與中心車架連接，用以驅動中心車架轉動；每一伸縮懸臂均安裝有伸縮控制電機與伸縮機構；伸縮控制電機通過伸縮機構驅動與其對應的伸縮懸臂伸縮。控制機器人在三種步態之間的切換以適應不同類型、不同高度的障礙物，無需人工遙控切換，從而達到自適應越障的目的。

技術領域

本發明涉及機器人技術領域，具體涉及一種兩輪擺錘式自適應越障機器人及其運動控制方法。

背景技術

目前，國內機器人的行走機構大致分為履帶式行走機構、足式行走機構、輪組式行走機構等。機器人在城市道路的鋪裝路面時常常遇到如減速帶、路沿石、樓梯等障礙，而考慮到實際應用場景中機器人大多數時候都是在鋪裝道路上行駛，這就要求機器人在具備越障之余又要兼顧平整鋪裝路面上的高速行進能力，這對機器人的自適應越障能力提出了很高要求。

一些機器人采用安裝可變形輪的多輪底盤的結構來兼顧爬樓與行走時的性能，但變形輪機構復雜可靠性底下，且多輪底盤轉向性能差，變形輪亦缺乏足夠的緩沖措施使得其平地行駛性能不佳，從而制約其投入應用。其它常見的越障機器人采用的履帶式行走機構雖然具備較強的越障能力，但此類底盤重量大、越障過程中車身姿態變動劇烈且價格昂貴。此外，在爬樓過程中對樓梯邊緣損壞程度較大。足式行走機構是一套仿生機構，適合多種路況，在行走或爬臺階過程中需要大量的機構參與協調，以保證機身的平衡，此外還要通過傳感器判斷樓梯的踏步來確定自己的步距和步高參數，對控制系統的準確性要求極高。此外，足式行走機構在平地上行進效率低下。

發明內容

本發明的目的是為了解決上述問題，提出了一種兩輪擺錘式自適應越障機器人及其運動控制方法。

為實現以上技術目的，本發明采用以下技術方案：

兩輪擺錘式自適應越障機器人，包括兩車輪，還包括兩伸縮懸臂以及位于兩伸縮懸臂之間的中心車架；每一伸縮懸臂的一端均安裝有主驅動電機，另一端均安裝有姿態控制電機；主驅動電機與其對應的車輪連接，主驅動電機用以驅動其對應的車輪轉動，并在車輪堵轉時驅動與其對應的伸縮懸臂旋轉；姿態控制電機與中心車架連接，用以驅動中心車架轉動，控制中心車架的姿態使其保持水平穩定；每一伸縮懸臂均安裝有伸縮控制電機與伸縮機構；伸縮控制電機通過伸縮機構驅動與其對應的伸縮懸臂伸縮，兩伸縮懸臂伸縮的同時帶動中心車架做直線運動；兩車輪、兩伸縮懸臂以及中心車架整體以兩車輪的中心連線為軸做自由擺動。兩輪擺錘式自適應越障機器人由中心車架、兩伸縮懸臂、兩車輪和右車輪共計五個主要部件組成。中心車架左右對稱地安裝有姿態控制電機，分別與兩伸縮懸臂下部連接且可自由轉動，從而構成兩個旋轉關節。每一伸縮懸臂內部均安裝有伸縮控制電機，通過伸縮機構驅動伸縮懸臂伸長和縮短，從而構成兩個移動關節。每一伸縮懸臂上部均安裝有主驅動電機，驅動電機通過傳動軸連接車輪并驅動車輪旋轉，從而構成兩個旋轉關節。這五個主要部件及其構成的六個關節共同組成機器人的兩輪擺錘式結構。主驅動電機用于驅動車輪旋轉，并在車輪堵轉時驅動伸縮懸臂旋轉。伸縮控制電機通過伸縮機構控制懸臂伸長和縮短，從而改變中心車架旋轉軸心距離車輪旋轉軸心的距離。伸縮機構具備自鎖功能，能夠讓伸縮懸臂保持中心車架不會在重力的作用下產生誤動作，避免行進過程中中心車架觸地。

進一步地，主驅動電機的轉子與其對應的車輪連接，定子與其對應的懸臂連接。

進一步地，姿態控制電機的軸線與中心車架質心處的重力作用線相交。電機在調節中心車架的姿態時僅需一個較小輸出力矩即可完成姿態調節功能。除此之外，姿態控制電機亦可在“擺動——伸出——翻越”越障步態下輸出較大的力矩輔助機器人越障。姿態控制電機亦可在“擺動——伸出——翻越”越障步態下輸出較大的力矩輔助機器人越障。

進一步地，中心車架處于最低點時的重力作用線與兩整體所在的鉛垂線重合。