一种底盘抬升轮式机器人的控制系统及控制方法与流程

文档序号：18901574发布日期：2019-10-18 22:00阅读：630来源：国知局

本发明属于机器人控制技术领域，尤其涉及一种底盘抬升轮式机器人的控制系统及控制方法。

背景技术：

目前，最接近的现有技术：

机器人技术的发展，是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，也是为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，近年来,随着科学技术和相关理论的发展,移动机器人的智能化程度越来越高,人们对移动机器人所能完成任务的要求也相应提高,除了希望其能够实现基本的装配和整理工作以外,同时也要求其能够自主完成一些比较复杂的任务,如底盘抬升物料发射和拿取等。

一般的轮式车在平面上是非常稳定迅速的，但是仅限于平面内。对于较高一点的高地就无法前进。而且一般的轮式车能实现的功能都非常单一。所以这就需要车型机器人底盘有爬高地的功能以及配合环境所需要的各项要求。为此本方案提出了一种与机器人竞赛有关的轮式车，其需要底盘驱动轮与底盘自身的抬升机构相配合来实现爬高地的功能，以及物料发射与拿取的功能。

因此对目标准确的击打和拿取控制问题逐渐引起国内外学者广泛关注。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有技术中，所述同步带会由于同步轮之间的距离差，使同步带的松紧程度不同，从而导致同步带、轮之间无法同时运作或由于过度紧绷而导致同步带轮之间无法运作，在同步带安装时也会出现安装不当导致同步轮断裂。

(2)现有技术多功能机器人在进行底盘整体抬升时，会由于底盘上各部分的受力不均或各抬升机构的抬升速度不同，导致底盘在抬升过程中会出现底盘卡顿、不平稳以及达不到指定高度的现象。

(3)现有技术中，所述底盘抬升轮式车为手动遥控型机器人，所以受限于操控者的视线范围内，一旦超出视野便无法判断周围障碍物，便难免会与障碍物发生碰撞。

解决上述技术问题的难度：现有的技术问题都是通过队员在制作过程中所发现出来的。如果无法准确判断抬升机构中两同步轮的相对位置，以及无法解决底盘抬升该过程中的卡顿问题，那么就无法实现本车型机器人上高地的功能。如果不能解决避障问题，不仅其本身的机械结构会造成损坏，也会对车体的线路的连接造成一定的影响。

解决上述技术问题的意义：

对于这些问题本发明重新绘制底版，以及各孔位，并通过机器进行准确加工。也会将相应同步轮与电机旋转轴固定，当正式安装时，根据同步带的松紧程度确定电机同步轮的位置。对于底盘整体抬升这一问题主要通过对底盘升降的每一步进行受力分析，以及整体的重心都需要利用动力学仿真软件adams定性确定各部分尺寸对上高地的影响，然后做出实物，由实际的上岛性能对部分尺寸进行调整，最后整车及关键部件的尺寸。

而对于避障问题我们会在底盘周围安装红外接近传感器又称红外光电红外开关是红外线光电开关的简称，利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。现有的光电传感器优先使用的是波长780mm——3um的近红外光，并已有比较稳定的集成产品，与数字电路的接口也非常简单。光电开关输出是开关量，只能判断在测量距离内有无障碍物，不能给出障碍的实际距离。但是通常该类传感器带有一个灵敏度调节旋钮，可以调节传感出发的距离。所以在手动车被操控的时候遇到障碍物可以自动避开。在机器车来不及反应时也可以通过防撞装置保护自己。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种底盘抬升轮式机器人的控制系统及控制方法。

本发明是这样实现的，一种底盘抬升轮式机器人控制方法，包括：

将底盘模块初始化，通过can发送与接收的报文列队知晓底盘的运动状态。通过控制直流减速电机进行全向移动并配合底盘抬升机构及气动支撑辅助装置控制机器人的升降，且由底盘控制中心板监视底盘运动状态，再由遥控器进行底盘整体控制。

先将云台发射模块初始化，通过can/pwm发送与接收的报文列队知晓云台的运动状态，通过控制俯仰电机、横摇电机、拨轮电机以及摩擦轮电机等控制任务，实现云台的俯仰、摇头、拨弹及发射炮弹等功能,并通过对遥控器、电机、电调、及云台整体的姿态解析，来进一步完善云台发射的稳定与准确性。

先将夹取模块初始化，通过can/pwm发送与接收的报文列队知晓夹取机构的运动状态，利用舵机传输pwm波控制机械爪进行拔旗动作，由夹取模块控制中心板监视夹取机构运动状态，完成输出信号、执行指令、完成动作。

进一步，通过控制直流减速电机进行全向移动并配合底盘抬升机构及气动支撑装置控制机器人的升降中，先将每个麦轮支架的上方以等边三角形的形式固定三根不锈钢柱和一根螺纹丝杠固定在底线中心，并以三块固定板固定铜柱、丝杠的相对位置。

进一步，通过控制直流减速电机进行全向移动并配合底盘抬升机构及气动支撑装置控制机器人的升降中，进一步包括：

当机器人准备上高地时，整车抬升，底盘下方气缸驱动装置将导向轮及支撑板推出。车型机器人逐渐减速将前轮靠齐台阶边缘支撑到高地上，再利用带轮和电机产生的动力抬起前轮，后轮推动整车将前轮和中间支撑轮推上高地。

当后轮与高地侧面接触时，再次利用带轮和电机产生的动力抬起后轮，并通过前轮向前的动力以及中间支撑轮的随动性，整车体向前移动，直至前后轮全部附着于高地上。

进一步，控制俯仰电机、横摇电机、拨轮电机以及摩擦轮电机，实现云台的俯仰、摇头、拨弹及发射炮弹中，利用云台发射机构控制机器人对准目标进行物料发射，当云台发射开关启动后，拨轮由电机带动，拨轮转速由对直流电机进行pwm脉宽调制控制这样就可以控制单位时间内拨出物料的个数。当物料进入发射导管后会受到两侧旋转摩擦轮的作用获得一定的初速度，而摩擦轮是在直流电机的控制下工作。

当电机旋转使摩擦轮转动，同时摩擦物料使其获得动能，物料发射出去。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述底盘抬升轮式机器人控制方法的底盘抬升轮式机器人控制系统，所述底盘抬升轮式机器人控制系统包括：

机器人主控系统，用于控制机器人的所有动作。

底盘、抬升机构控制系统，与机器人主控系统连接，用于控制机器人全方位的运动以及速度和运动状态的切换以及控制机器人定点抬升登上指定高度的高地。

前端气动支撑机构控制系统，与机器人主控系统连接，用于控制机器人上高时开启的辅助支撑。

云台发射机构主控制系统，与机器人主控系统连接，用于控制机器人对准目标进行物料发射。

夹取机构控制系统，与机器人主控系统连接，，用于控制机器人对指定位置的物料进行拿取。

进一步，所述底盘抬升轮式机器人控制系统进一步包括：

无线遥控器，通过can总线/pwm接口与机器人主控系统连接，用于进行远程操控机器人。

本发明的另一目的在于提供一种底盘抬升轮式机器人包括：

主控板。

所述主控板通过can总线/pwm接口分别连接前端气动支撑机构、云台发射机构、夹取机构以及底盘、抬升机构。

底盘、抬升机构用于控制机器人全方位的运动以及速度和运动状态的切换以及控制机器人定点抬升登上指定高度的高地。

前端气动支撑机构，用于控制机器人上高时开启的辅助支撑。

云台发射机构，用于控制机器人对准目标进行物料发射。

夹取机构，用于控制机器人对指定位置的物料。

主控板还通过can总线/pwm接口连接无线遥控器，用于进行远程操控。

进一步，所述夹取机构分为升降机构和夹取机构。所述升降机构为底盘升降机构，夹取机构为舵机机械夹。夹取物料时，提供相应的抱力，将物料夹取，舵机提供的夹抱力使机械夹将物料夹住。机械爪内槽粘覆有防滑橡胶。

进一步，底盘结构通过直流减速电机实现全向移动以及配合底盘抬升机构上高地，气动支撑装置辅助机器人登高地，云台发射机构控制俯仰电机、横摇电机、拨轮电机以及摩擦轮电机，分别通过云台yaw/pitch、拨轮及摩擦轮实现云台的俯仰、摇头、拨弹及发射炮弹。

所述底盘采用四轮麦克纳姆轮驱动结构，以及底盘左右两边中心位置安装有支撑导轮和气动支撑导轮的辅助结构。

四轮分别通过与三根长杆一、根丝杠、两块板块固定形成腿，再通过固定于底盘的第三板块。

进一步，前端气动支撑机构固定于底盘的正下方。

夹取机构固定于底盘尾部正上方。

云台发射机构固定于底盘上方，且在云台发射机构后部固定有气瓶。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明基于常见的轮式车模型,结合遥控技术,搭建了轮式机器人物料发射及物料拿取控制系统,不仅实现了对物体准确的击打和拿取，同时也可作为一款竞技型机器人，为用户提供机器类竞赛的平台。

本发明提供的底盘抬升轮式机器人其结构包含底盘抬升机构、云台发射机构、夹取机构三大模块，包含它们通过can总线/pwm接口与主控板连接，由无线遥控器进行远程操控。本发明机器人的整体结构主要通过直流减速电机实现全向移动，气动装置辅助爬坡，舵机传输pwm波给机械爪执行拔旗动作。同时它们都是通过单片机控制，单片机通过与各驱动芯片连接，完成输出信号-执行指令-完成动作这一流程。

附图说明

图1是本发明实施例提供的底盘抬升轮式机器人控制系统图。

图2是本发明实施例提供的不同转矩下的电机转速、电流、输出功率及效率性能参数图。

图3是本发明实施例提供的车型机器人控制系统原理图。

图4是本发明实施例提供的底盘抬升机器人示意图。

图5是本发明实施例提供的机器人导轮触碰高地一示意图。

图6是本发明实施例提供的机器人导轮触碰高地二示意图。

图7是本发明实施例提供的机器人底盘抬升，启动装置支撑一示意图。

图8是本发明实施例提供的机器人底盘抬升，启动装置支撑二示意图。

图9是本发明实施例提供的前腿抬升向前移动使支撑导轮支撑于高地，使后腿贴附于高地侧边一图。

图10是本发明实施例提供的前腿抬升向前移动使支撑导轮支撑于高地，使后腿贴附于高地侧边二图。

图11是本发明实施例提供的后轮抬起，通过前轮向前的动力及导轮的支撑是车体登上高地一图。

图12是本发明实施例提供的后轮抬起，通过前轮向前的动力及导轮的支撑是车体登上高地二图。

图13是本发明实施例提供的对物料目标的锁定示意图。

图14是本发明实施例提供的对物料的拿取示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有技术中，所述同步带会由于同步轮之间的距离差，使同步带的松紧程度不同，从而导致同步带、轮之间无法同时运作或由于过度紧绷而导致同步带轮之间无法运作，在同步带安装时也会出现安装不当导致同步轮断裂。现有技术多功能机器人在进行底盘整体抬升时，会由于底盘上各部分的受力不均或各抬升机构的抬升速度不同，导致底盘在抬升过程中会出现底盘卡顿、不平稳以及达不到指定高度的现象。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种底盘抬升轮式机器人的控制系统及控制方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种底盘抬升轮式机器人控制系统，所述底盘抬升轮式机器人控制系统包括：

机器人主控系统，用于控制机器人的所有动作。

前端气动支撑机构控制系统，与机器人主控系统连接，用于控制机器人上高时开启的辅助支撑。

云台发射机构主控制，与机器人主控系统连接，用于控制机器人对准目标进行物料发射。

夹取机构控制系统，与机器人主控系统连接，，用于控制机器人对指定位置的物料进行拿取。

所述底盘抬升轮式机器人控制系统进一步包括：

无线遥控器，通过can总线/pwm接口与机器人主控系统连接，用于进行远程操控机器人。

本发明实施例提供的底盘抬升轮式机器人控制方法，包括：

通过控制直流减速电机进行全向移动并配合底盘抬升机构及气动支撑装置控制机器人的升降。

通过控制俯仰电机、横摇电机、拨轮电机以及摩擦轮电机，实现云台的俯仰、摇头、拨弹及发射炮弹。

利用舵机传输pwm波控制机械爪进行拔旗动作，完成输出信号、执行指令、完成动作。

通过控制直流减速电机进行全向移动并配合底盘抬升机构及气动支撑装置控制机器人的升降中，先将每个麦轮支架的上方以等边三角形的形式固定三根不锈钢柱和一根螺纹丝杠固定在底线中心，并以三块固定板固定铜柱、丝杠的相对位置。

通过控制直流减速电机进行全向移动并配合底盘抬升机构及气动支撑装置控制机器人的升降中，进一步包括：

控制俯仰电机、横摇电机、拨轮电机以及摩擦轮电机，实现云台的俯仰、摇头、拨弹及发射炮弹中，利用云台发射机构控制机器人对准目标进行物料发射，当云台发射开关启动后，拨轮由电机带动，拨轮转速由对直流电机进行pwm脉宽调制控制这样就可以控制单位时间内拨出物料的个数。当物料进入发射导管后会受到两侧旋转摩擦轮的作用获得一定的初速度，而摩擦轮是在直流电机的控制下工作。

当电机旋转使摩擦轮转动，同时摩擦物料使其获得动能，物料发射出去。

本发明的另一目的在于提供一种底盘抬升轮式机器人包括：

主控板。

所述主控板通过can总线/pwm接口分别连接前端气动支撑机构、云台发射机构、夹取机构以及底盘、抬升机构。

底盘、抬升机构用于控制机器人全方位的运动以及速度和运动状态的切换以及控制机器人定点抬升登上指定高度的高地。

前端气动支撑机构，用于控制机器人上高时开启的辅助支撑。

云台发射机构，用于控制机器人对准目标进行物料发射。

夹取机构，用于控制机器人对指定位置的物料。

主控板还通过can总线/pwm接口连接无线遥控器，用于进行远程操控。

所述夹取机构分为升降机构和夹取机构。所述升降机构为底盘升降机构，夹取机构为舵机机械夹。夹取物料时，提供相应的抱力，将物料夹取，舵机提供的夹抱力使机械夹将物料夹住。机械爪内槽粘覆有防滑橡胶。

底盘结构通过直流减速电机实现全向移动以及配合底盘抬升机构上高地，气动支撑装置辅助机器人登高地，云台发射机构控制俯仰电机、横摇电机、拨轮电机以及摩擦轮电机，分别通过云台yaw/pitch、拨轮及摩擦轮实现云台的俯仰、摇头、拨弹及发射炮弹。

所述底盘采用四轮麦克纳姆轮驱动结构，以及底盘左右两边中心位置安装有支撑导轮和气动支撑导轮的辅助结构。

四轮分别通过与三根长杆一、根丝杠、两块板块固定形成腿，再通过固定于底盘的第三板块。

前端气动支撑机构固定于底盘的正下方。

夹取机构固定于底盘尾部正上方。

云台发射机构固定于底盘上方，且在云台发射机构后部固定有气瓶

在本发明实施例中，本发明机器人的底盘结构主要通过直流减速电机实现全向移动以及配合底盘抬升机构上高地，气动支撑装置辅助机器人登高地，云台发射机构则需要控制俯仰电机、横摇电机、拨轮电机以及摩擦轮电机，分别通过云台yaw/pitch、拨轮及摩擦轮来实现云台的俯仰、摇头、拨弹及发射炮弹，舵机传输pwm波给机械爪执行拔旗动作。同时它们都是通过stm32开发板控制，开发板通过与各驱动芯片连接，完成输出信号-执行指令-完成动作这一流程。

在本发明实施例中，所述底盘采用的是常规的四轮麦克纳姆轮驱动结构，以及底盘左右两边中心位置的支撑导轮和气动支撑导轮的辅助结构。所述底盘采用的是基本的框架式结构，为使底盘达到上升下降的效果，会先将每个麦轮支架的上方以等边三角形的形式固定三根不锈钢柱和一根螺纹丝杠固定在底线中心，并以三块固定板固定铜柱、丝杠的相对位置。所述靠近麦轮的固定板固定于底盘，第二块固定板借助铜柱也固定于底盘，麦轮和顶部支撑板则可自由上下活动。为控制底盘与麦轮相对上下移动的速度及协调性，底盘抬升机构采用的是是丝杠螺母传动，每个螺母都与一个同步轮固定，在给定的位置也安装有一个与电机相连接的同步轮，并通过同步带将两同步轮想牵连。为了充分发挥电机性能，选择用传动比1：2的同步带传动进行加速，同时设计张紧轮对同步带张紧。

在本发明实施例中，所述底盘下方安装的前端气动支撑机构，由2个导轮、2块前轮支撑板、滑轨和气缸组成，如图所示。2块外轮廓l+内轮廓j型的前轮支撑板通过铜柱进行固定。其中，l型的前端带有一定的弧度，减少了执行爬坡这一动作时产生不必要的摩擦及阻力，j型的内轮廓增加了支撑板前端的承受力，保证了2小型导轮能够在气缸的推动下顺利执行辅助上台阶动作，提高实际的操作性。当机器人准备上高地时，整车抬升，底盘下方气缸驱动装置将2导向轮及支撑板推出。车型机器人逐渐减速将前轮靠齐台阶边缘支撑到高地上，之后利用带轮+电机产生的动力抬起前轮，后轮推动整车将前轮和中间支撑轮推上高地。当后轮与高地侧面接触时，再次利用带轮+电机产生的动力抬起后轮，并通过前轮向前的动力以及中间支撑轮的随动性，整车体向前移动，直至前后轮全部附着于高地上。

在本发明实施例中，所述云台发射机构，用于控制机器人对准目标进行物料发射，当云台发射开关启动后，拨轮由电机带动，拨轮转速由对直流电机进行pwm脉宽调制控制这样就可以控制单位时间内拨出物料的个数。当物料进入发射导管后会受到两侧旋转摩擦轮的作用获得一定的初速度，而摩擦轮是在直流电机的控制下工作。当电机旋转使摩擦轮转动，同时摩擦物料使其获得动能，物料才得以发射出去。这种简单的原理，既保证了物料发射的稳定性，又极好的控制了物料发射的角度、速度。

在本发明实施例中，所述夹取机构分为升降机构和夹取机构。所述升降机构即为底盘升降机构，夹取机构为舵机机械夹。夹取物料时，需要提供相应的抱力，才能将物料夹取而不掉落，所以在此结构中，夹抱力由舵机提供，通过命令的发出，使机械夹将物料夹住。为增加机械爪与物料之间的摩擦力，在机械爪内槽增加了一层防滑橡胶。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例

本发明实施例提供的系统采用自主设计的云台板和底盘控制板，使用stm32f407ve作为主控，通过can总线/pwm接口与主控板连接，由无线遥控器进行远程操控。can报文的发送统一在任务中进行，采用队列形式，先入先出的队列原则在保证了报文完整发送的同时，又合理地利用了freertos的时间片，使得控制任务有足够的时间执行大量的逻辑运算，同时通过检测stm32主控的can寄存器来实现can的错误恢复，从而多重保障了底盘和云台电机的正常运行。本发明机器人的整体结构主要通过直流减速电机实现全向移动，气动装置辅助爬坡，舵机传输pwm波给机械爪执行拔旗动作。同时它们都是通过单片机控制，单片机通过与各驱动芯片连接，完成输出信号-执行指令-完成动作这一流程。

本发明机器人的底盘结构主要通过直流减速电机实现全向移动以及配合底盘抬升机构上高地，气动支撑装置辅助机器人登高地，云台发射机构则需要控制俯仰电机、横摇电机、拨轮电机以及摩擦轮电机，分别通过云台yaw/pitch、拨轮及摩擦轮来实现云台的俯仰、摇头、拨弹及发射炮弹，舵机传输pwm波给机械爪执行拔旗动作。

所述底盘采用的是常规的四轮麦克纳姆轮驱动结构，以及底盘左右两边中心位置的支撑导轮和气动支撑导轮的辅助结构。四轮分别通过与三根长杆一、根丝杠、两块板块固定形成腿，再通过固定于底盘的第三板块，固定了各腿之间在底盘平面内的相对位置。从而实现了底盘的上下移动。而气动结构则固定于底盘的正下方，夹取机构固定于底盘尾部正上方，发射机构固定于底盘上方，且在发射机构后部固定有气瓶，固定于底盘上的各机构也是通过动力学仿真软件adams分配于相应位置，使重心保持在底盘中心。

底盘是由四个直流电机通过同步轮、带对底盘抬升进行控制，所述底盘抬升部分包含发射机构、夹取机构、气动支撑机构。其总和重量为m＝13600g＝13.6kg，一个电机所需承受重量为m＝3.4kg，已知同步轮之间的等效力臂为l＝100mm，可以得到电机的负载为：

m＝mgl＝3.4×9.8×0.1＝3.32n.m

电机初步采用rm3508减速电机，传动比为19:1，所以所需电机的扭矩为：

t＝m×i＝3.32×1/19＝0.17n.m

根据电机的性能参数，如图3所示，给出了在输出电压为24v时，不同转矩下对应的电机转速、电流、输出功率及效率性能参数。

如表1所示，几个典型状态下电机的性能参数。电机状态处于最大效率点附近，可以满足工作需求。

表1典型状态下电机的性能参数

下面结合附图对本发明的底盘抬升机器人登高过程及物料的拿取过程作进一步描述。

在本发明实施例中，图3是本发明实施例提供的车型机器人控制系统原理图。