一种具有攀爬楼梯功能的履带式机器人控制系统及方法与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术的问题，发明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。

本发明的技术方案：

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：当前端行走机构攀爬至最后一阶楼梯时，前端行走机构放下后，检测到l4＞2w且此时主控制模块mcu标志为爬楼阶段，则认为攀爬楼梯结束，主控制模块mcu标志为平地运动阶段。

本发明的有益效果是：本发明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。

附图说明

图1是本发明的履带式机器人结构示意图。

图2是本发明的控制系统的结构示意图。

图3是本发明的流程图。

图4是履带式机器人开始攀爬楼梯前进行楼梯参数测量的示意图。

图5是履带式机器人抬起前端行走机构后继续行进至搭在第一阶楼梯的示意图。

图6是履带式机器人前端行走机构开始下落的示意图。

图7是履带式机器人前端行走机构抬起，同时后端行走机构下落，前后履带角度相同的示意图。

图8是履带式机器人前端行走机构下落，同时后端行走机构抬起，前后履带角度相同的示意图。

图中：1主控制模块mcu；2姿态检测模块；21激光测距模块；22陀螺仪传感器；3人机交互模块；31手柄操纵模块；311操纵手柄；312lcd显示屏；313无线收发模块；32语音识别模块；33app操纵模块；331电脑/手机app；332gprs无线数传模块；34摄像头模块；4电机驱动模块；5供电模块；51电路保护模块；52变压模块；11前端行走机构；12底盘；13后端行走机构；14机械臂；15伺服电机；16直流驱动电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1本发明的具有攀爬楼梯功能的履带式机器人控制系统用于控制一种具有攀爬楼梯功能的履带式机器人在楼梯上的攀爬。所述履带式机器人包括前端行走机构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相连，并可以实现相对与所述底盘12的定轴转动。固定在所述底盘12上的前后两台伺服电机15用于分别控制所述前端行走机构11、后端行走机构13的定轴转动。其中分别固定在前端行走机构11、后端行走机构13上的4台电机分别用于控制四条履带的转动。其中固定在所述底盘12上的所述机械臂14可以进行物品的抓取、放置的功能。此外还包括摄像头模34和位于直流驱动电机16表面中央位置的两个激光测距模块21。

参见图2，本发明的控制系统包括主控制模块mcu1、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。

所述供电模块5给主控制模块mcu1、姿态检测模块2、人机交互模块3以及电机驱动模块4供电。

所述姿态检测模块2还包括激光测距模块21、陀螺仪传感器22和摄像头模块23。所述激光测距模块21采集前端行走机构11前部相对楼梯的距离。所述陀螺仪传感器22采集机体底盘12与水平面的夹角。所述摄像头模块23采集楼梯的参数。

所述主控制模块mcu1采集所述姿态检测模块2的距离及姿态信号，输出伺服电机15控制信号；所述电机驱动模块4根据所述主控制模块mcu1发出的伺服电机控制信号，控制伺服电机15转动一定角度，从而使前端行走机构11、后端行走机构13转动一定角度。

所述人机交互模块3还包括手柄操纵模块31。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mcu1可通过所述无线收发模块313接收所述操纵手柄311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mcu1发出的电机控制信号控制直流驱动电机16的正反转。

所述人机交互模块3还包括app操纵模块33。app操纵模块包括电脑/手机app331、gprs无线数传模块332。所述主控制单片机mcu1可通过所述gprs无线数传模块332接收所述电脑/手机app331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mcu1发出的电机控制信号控制直流驱动电机16的正反转。

所述人机交互模块3还包括语音识别模块32。所述主控制模块mcu1可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mcu1发出的电机控制信号控制直流驱动电机16的正反转。

所述供电模块5还包括变压模块52。通过所述变压模块52电源分别给所述给主控制模块mcu1、姿态检测模块2以及人机交互模块3低压供电；给电机驱动模块4高压供电。

所述供电模块5还包括电路保护模块51。所述电路保护模块51监测电压信号和电流信号并将所述电压信号和电流信号发送至主控制模块mcu1，所述主控制模块mcu1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。

参见图3，一种具有攀爬楼梯功能的履带式机器人的自动控制方法，用于控制小型履带式机器人在楼梯上的移动。所述小型爬楼机器人自动控制方法如下：

参见图1和图3，通过直流驱动电机16处安装的两个并列激光测距模块21测量前端行走机构11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，此时前端行走机构11处安装的两个并列激光测距模块21所测距离差为零。

参见图3，通过摄像头模块23分别采集摄像头模块23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，此时可得到楼梯参数：

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)

参见图3，主控制模块mcu1结合前端行走机构11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°；否则返回警告信息给操作人员。

参见图3，主控制模块mcu1判断能够攀爬此楼梯之后，继续行进，位于前段行走履带11的激光测距模块21到第一阶楼梯立面的距离为s1＝l4+l3，l4是前端行走机构11前部到第一阶楼梯立面的距离；当l4＜1cm时，主控制模块mcu1控制将此时状态标志为爬楼阶段。

参见图4，主控制模块mcu1控制前端行走机构11向上抬起45°，继续行进则前端行走机构11会搭在第一阶楼梯上。继续行进则机体底盘12向上抬动，陀螺仪传感器22所采集的机体底盘12与水平面的夹角β将从零开始变大，此时主控制器模块mcu1根据此夹角的大小控制后端行走机构13抬起相同角度，从而保持后端行走机构13仍然贴合地面；

参见图5，继续行进，当机体底盘12与水平面的夹角不再为零时，此时主控制器模块mcu1控制前端行走机构11以一定速度向下落下，使前端行走机构11有与第一阶楼梯踏步贴合的趋势。前端行走机构11向下落下时与机体所成角度最大为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。

参见图6，后端行走机构13仍然贴合地面的情况下，此时机体底盘12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13不再贴合地面，主控制模块mcu1控制后端行走机构13开始以一定速度向下落下，主控制模块mcu1控制前端行走机构11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13相对机体向下的角度数相同。在前端行走机构11前部相对机体抬起至45°，后端行走机构13后部相对机体落下至45°的过程中，机体底盘12与水平面的夹角β不断减小，继续行进前端行走机构11会搭在第二阶楼梯，其中某一时刻机体底盘12与水平面的夹角β将减小至α。

参见图7，当前端行走机构11前部相对机体抬起至45°，后端行走机构13后部相对机体落下至45°之后，机体底盘12与水平面的夹角β＜α，前端行走机构11前部相对机体以一定速度放下，后端行走机构13后部相对机体以一定速度抬起，则机体底盘13与水平面的夹角β开始增加，β增加至α时，前端行走机构11停止放下，开始抬起，后端行走机构13停止抬起，开始放下，继续行进，则l4不断减小，重复上述步骤，则可以实现不断攀爬楼梯。

当前端行走机构11攀爬至最后一阶楼梯时，前端行走机构11放下后，检测到l4＞2w且此时主控制器模块mcu1标志为爬楼阶段，则认为攀爬楼梯结束，主控制模块mcu1标志为平地运动阶段。