一种具有带自动稳定装置的激光雷达的室外自主移动机器人的制作方法

本发明涉及室外自主移动机器人技术，具体是一种具有带自动稳定装置的激光雷达的室外自主移动机器人。

背景技术：

实时定位与地图构建是移动机器人实现自主移动的关键，现有的技术基本解决了机器人在室内平坦地面上的实时定位与地图构建，由于室内地面平坦，激光雷达在进行实时定位与地图构建时干扰小，地图构建成功率高，实现了移动机器人在室内的自主运行。

但在室外环境下，由于地面环境复杂，移动机器人在室外运行时会产生较大的颠簸和震动，在使用激光雷达进行实时定位与地图构建时，激光雷达姿态发生较大变化时会导致地图构建失败，机器人无法进行自主移动。使现有的室外自主移动机器人只能在无颠簸环境下进行实时定位与地图构建，而在复杂的地形环境下不能进行地图构建。

技术实现要素：

为了解决现有的移动机器人在震动和颠簸环境下地图构建成功率低的问题，本发明提出了一种具有带自动稳定装置的激光雷达的室外自主移动机器人，可以在机器人姿态发生变化时使得激光雷达的姿态保持稳定。从而使得机器人在室外运行时进行实时定位与地图构建，实现机器人在室外环境下的自主移动。

实现本发明目的的技术方案是：

一种具有带自动稳定装置的激光雷达的室外自主移动机器人，包括无减震装置的履带式移动机器人底盘、设置在该底盘上的四自由度机械臂和固定在四自由度机械臂末端的惯性测量单元及激光雷达。

所述无减震装置的履带式移动机器人底盘包括移动机器人机体和设置在该机体上的机器人底盘控制器、射频天线及履带单元，机体内设有驱动电机、电机驱动器和锂电池，与履带单元连接，控制履带正常运动。

所述四自由度机械臂包括机械臂底座、机械臂第一关节、机械臂第一连杆、机械臂第二关节、机械臂第二连杆、机械臂第三关节、机械臂第三连杆、机械臂第四关节和机械臂末端支架，机械臂底座一端固定设置在移动机器人机体上，另一端与机械臂第一关节连接；

机械臂第一关节通过机械臂第一连杆与机械臂第二关节连接；

机械臂第二关节通过机械臂第二连杆与机械臂第三关节连接；

机械臂第三关节通过机械臂第三连杆与机械臂第四关节连接；

机械臂第四关节与机械臂末端支架连接。

所述惯性测量单元和激光雷达分别设置在机械臂末端支架上、下端，并分别与机器人底盘控制器连接，通过机器人底盘控制器控制惯性测量单元测量机器人本体姿态。

本发明具有如下优点：

1.可以使用激光雷达完成室外不平坦路面环境下的自主移动机器人的实时定位与地图构建；

2.运行平稳：通过机器人自身和机械臂末端的惯性测量单元得到姿态信息，控制机械臂保持激光雷达姿态稳定；

3.适应性强：一般室外移动机器人平台只能完成平坦路面下的实时定位与地图构建，本发明可以使得机器人在复杂路面环境下完成地图构建。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例：室外自主移动机器人在平坦路面状态示意图；

图3为本发明实施例：室外自主移动机器人在纵向颠簸状态示意图；

图4为本发明实施例：室外自主移动机器人在横向颠簸状态示意图。

具体实施方式

如图1所述，本发明具有带自动稳定装置的激光雷达的室外自主移动机器人，由无减震装置的履带式移动机器人底盘，四自由度机械臂，固定在机械臂末端的惯性测量单元和激光雷达组成。其中：

无减震装置的履带式移动机器人底盘由机器人底盘控制器12，射频天线13，移动机器人机体14，右侧履带单元15，左侧履带单元16组成。其中机器人底盘控制器12中包含机器人控制器和测量机器人本体姿态的惯性测量单元；移动机器人机体14中包括一般移动机器人的零部件，包含金属结构零件，驱动电机，电机驱动器，锂电池等，能使履带正常运动。右侧履带单元15和左侧履带单元16分别包括一条橡胶履带，一个履带驱动轮，一个导向轮，若干支撑轮和连接结构件等常规橡胶履带单元。

四自由度机械臂结构包括通过机械臂底座11，机械臂第一关节10，机械臂第一连杆1，机械臂第二关节2，机械臂第二连杆3，机械臂第三关节4，机械臂第三连杆5，机械臂第四关节6，机械臂末端支架8。四自由度机械臂通过机械臂底座11固定在移动机器人底盘中的移动机器人机体14上。机械臂底座11另一端与机械臂第一关节连接；

机械臂第一关节10通过机械臂第一连杆1与机械臂第二关节2连接；

机械臂第二关节2通过机械臂第二连杆3与机械臂第三关节4连接；

机械臂第三关节4通过机械臂第三连杆5与机械臂第四关节6连接；

机械臂第四关节6与机械臂末端支架8连接。

固定在机械臂末端的惯性测量单元是惯性测量单元7安装在四自由度机械臂中的机械臂末端支架8上。

激光雷达9安装在四自由度机械臂中的机械臂末端支架8下方。

当机器人在运行之前首先需要初始化机器人的姿态，将机器人放置于水平地面，机械臂的初始位置设置在当机器人底盘在水平状态时机械臂第一关节10相对垂直方向旋转角度A，使得机械臂第一连杆1与垂直方向呈角度A；机械臂第二关节2相对于机械臂第一连杆1所指方向旋转角度B，机械臂第二连杆3与机械臂第一连杆1所指方向呈角度B；机械臂第三关节4相对于机械臂第二连杆3所指方向旋转角度C，使得机械臂第三连杆5与机械臂第二连杆3所指方向呈角度C；机械臂第四关节6相对于机械臂第三连杆5旋转角度D，初始状态D为0；此时得到机械臂末端支架8相对于移动机器人底盘旋转中心的纵向距离为h，与地面距离为d，如图2所示。

由于室外地面环境复杂，机器人在行进过程中会遇到颠簸，如果障碍物使得机器人发生纵向倾斜时，如图3所示。机器人在行进过程中需要越过纵向障碍物O，导致机器人底盘相对于地面的纵向倾斜角度为Q。安装在移动机器人底盘上的12机器人底盘控制器中的惯性测量单元和固定在机械臂末端的惯性测量单元是惯性测量单元7能分别检测到机器人底盘和四自由度机械臂中机械臂末端支架8的姿态变化，通过校正算法计算得到控制指令，机器人底盘控制器12控制调整机械臂中每个关节的旋转角度，使得机械臂末端支架8的姿态保持稳定，从而使得激光雷达9相对于原始地面距离d和移动机器人底盘旋转中心的纵向距离h保持不变。

如图4所示，如果障碍物使得机器人发生横向倾斜时，机器人在行进过程中一侧履带需要越过纵向障碍物O1而另一侧履带不需要翻越障碍物，导致机器人底盘相对于地面的横向倾斜角度为Q1。安装在移动机器人底盘上的12机器人底盘控制器中的惯性测量单元和固定在机械臂末端的惯性测量单元是惯性测量单元7能分别检测到机器人底盘和四自由度机械臂中机械臂末端支架8的姿态变化，通过校正算法计算得到控制指令，机器人底盘控制器12控制调整机械臂中每个关节的旋转角度，使得机械臂末端支架8的姿态保持稳定，从而使得激光雷达9相对于原始地面距离d和移动机器人底盘旋转中心的纵向距离h保持不变。

机器人在室外运行时遇到的地面障碍通常为复合型不规则障碍物，导致的机器人底盘倾斜都可以拆分为纵向倾斜和横向倾斜，通过上述两种实例的复合，机器人在室外运行时能够保证激光雷达9相对于原始地面距离d和移动机器人底盘旋转中心的纵向距离h保持不变。从而使得机器人可以稳定的实时定位与地图构建。