] 本實施例所使用的樓梯是符合國家標準的直線型樓梯，根據(jù)《民用建筑設(shè)計通則》 規(guī)定，公共建筑室內(nèi)外臺階踏步寬度不宜小于30厘米，踏步高度在10到15厘米之間。本實 例所使用的樓梯梯段寬度為100厘米，踏步梯面高度為15厘米，踏步面的寬度為35厘米。
[0040] 小型履帶式移動機器人自主攀爬控制方法首先通過攝像頭8建模和圖像處理得 出攀爬樓梯的踏步梯面高度，與最大可攀爬樓梯高度進行對比，如果攀爬臺階的高度大于 最大可攀爬高度，則取消攀爬任務(wù)；如果攀爬臺階的高度小于最大可攀爬高度，則自動進行 攀爬任務(wù)，通過紅外傳感器9-10,攀爬之前機器人的初始姿態(tài)與踏步梯面相垂直。再通過桿 臂6-7的旋轉(zhuǎn)運動與履帶11-12的配合運動，實現(xiàn)攀爬樓梯的功能。具體主要包括以下步 驟：
[0041] 步驟1 :首先通過車頭前端的兩個紅外傳感器9-10使車頭垂直與第一節(jié)臺階，同 時使桿臂6-7中心線與地面平行，如圖3所示，通過攝像頭8進行建模和圖像分析來確定攀 爬臺階的高度為150毫米，攀爬臺階的高度小于最大可攀爬高度，則驅(qū)動履帶11-12向前運 動并用碼盤測速，使左右履帶的速度相等，直至到達車頭的履帶11-12恰好與第一節(jié)臺階 相接觸，驅(qū)動桿臂6-7按順時針方向旋轉(zhuǎn)，如圖4所示，進入步驟2 ;
[0042] 步驟2 :桿臂6-7按順時針方向旋轉(zhuǎn)，車體1被緩慢抬起，通過自身攜帶的姿態(tài)傳 感器使車體1與地面成Θ度，桿臂6-7停止轉(zhuǎn)動。Θ計算公式為：
[0043] Θ = arccos ((L-R)/D) *180/π，
[0044] 實例中L為150mm，R為30mm，D為140_，可計算的Θ為30度。
[0045] Θ為機器人車體與地面所成的最大角度，如果機器人車體與地面的角度大于θ， 桿臂逆時針方向旋轉(zhuǎn)時，桿臂無法通過踏步梯面。
[0046] 保持車體1與地面的角度不變，如圖5所示，桿臂6-7按逆時針方向轉(zhuǎn)動，同時為 了防止機器人下滑，用姿態(tài)傳感器進行持續(xù)的測量角度，保持機器人受力平衡。桿臂6-7按 逆時針方向轉(zhuǎn)動時，桿臂與踏步梯面相切時，桿臂恰好能通過踏步梯面的極限位置，如圖6 所示。對機器人進行受力平衡分析：
[0047] 對 a 點列力矩平衡方程：FI* (D*sin Θ+R)+fl*L_G* (D/2*cos Θ ) = 〇
[0048] 對 b 點列力矩平衡方程：f2* (D*sin Θ +R) -F2*L+G* (D/2*cos Θ +R) = 〇
[0049] 將機器人視為整體對其分析，
[0050] X 軸：Fl = f2
[0051] Y 軸：F2+fl = G
[0052] 如果角度Θ保持不變，則滿足Π 小于機器人履帶與踏步梯面的最大靜摩擦力，f2 小于機器人履帶與踏步面的最大靜摩擦力。實例中小型履帶式移動機器人滿足平衡方程， 不會出現(xiàn)下滑的問題，可以保持角度Θ為30度不變。進入步驟3;
[0053] 步驟3 :桿臂6-7逆時針轉(zhuǎn)動直到與車體1成一定角度β，桿臂6-7停止轉(zhuǎn)動，β 角保持不變，β滿足當桿臂與地面相接觸時，機器人的車體恰好與踏步梯面相平行。如圖 7所示。驅(qū)動輪2-3驅(qū)動履帶11-12向前運動，車體1與踏步面成90度角時，停止運動，如 圖8所示。β計算公式為：
[0054] β = 90+arcsin (R/L) *180/π，
[0055] 實例中L為150mm，R為30mm，可計算的β為101. 5度。進入步驟4 ;
[0056] 步驟4 :桿臂6-7按逆時針轉(zhuǎn)動，同時驅(qū)動輪2-3驅(qū)動履帶11-12以一定的速度勻 速轉(zhuǎn)動，此時車體1被抬起，直到桿臂6-7與踏步面成90度，如圖9、圖10、圖11所示，通過 步驟1對臺階梯面高度的判定，此時，機器人的重心已經(jīng)越過樓梯面的邊緣，對圖11進行分 析，可以得到攀爬臺階的最大高度h，h的計算公式為：
[0057] 有 Δ AOB ~Δ OCD 可得 OA/AB = 0C/0D，
【主權(quán)項】
1. 一種履帶式移動機器人爬樓梯的控制方法，所述履帶式移動機器人包括前輪、后輪 以及包覆在所述前輪和后輪上的履帶，其特征在于：在所述前輪設(shè)置有轉(zhuǎn)動角度可控的雙 桿臂，通過調(diào)整所述雙桿臂的轉(zhuǎn)角逐步提升所述履帶式移動機器人的重心位置完成攀爬。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述通過調(diào)整所述雙桿臂的轉(zhuǎn)角逐 步提升所述履帶式移動機器人的重心位置完成攀爬的具體步驟是： 步驟1 :確定攀爬臺階的高度，如果攀爬臺階的高度大于最大可攀爬樓梯高度，則停止 攀爬；如果攀爬臺階的高度小于最大可攀爬樓梯高度，則進入步驟2 ; 步驟2 :驅(qū)動履帶向前運動并用碼盤測速，使左右履帶的運動速度相同，直至到達車頭 的履帶恰好與第一節(jié)臺階相接觸，驅(qū)動雙桿臂按順時針方向旋轉(zhuǎn)，進入步驟3 ; 步驟3 :桿臂按順時針方向旋轉(zhuǎn)，使車體與地面成一定的角度為0，此時桿臂停止轉(zhuǎn) 動，0計算公式為： 0. arccos ((L-R)/D) *180/JT , 其中L為桿臂的長度，R前輪的半徑，D為前后輪中心之間的距離； 保持車體與踏步面的角度不變，進入步驟4 ; 步驟4:桿臂逆時針轉(zhuǎn)動直到與車體成一定角度0，桿臂停止轉(zhuǎn)動，0角保持不變；驅(qū) 動輪驅(qū)動履帶向前運動，車體與地面成90度角時，停止運動進入步驟5 ; 其中 0 計算公式為：0 = 180-arcsin(R/L)*180/jr ; 步驟5 :桿臂按逆時針轉(zhuǎn)動，同時驅(qū)動輪驅(qū)動履帶轉(zhuǎn)動抬起車體，直到桿臂與地面成90 度，進入步驟6 ; 步驟6 :驅(qū)動輪驅(qū)動履帶繼續(xù)轉(zhuǎn)動，直至整個車身完全在樓梯的臺階上，停止運動攀爬 一節(jié)樓梯結(jié)束，進入步驟7; 步驟7 :重復(fù)步驟2到步驟6,完成剩余節(jié)樓梯的攀爬。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于：在步驟2中，車頭垂直第一節(jié)臺階的 具體實現(xiàn)方法是：對兩個紅外傳感器進行校正，找到紅外傳感器與臺階的距離對應(yīng)電壓值， 通過單片機對兩個紅外傳感器測量的電壓值進行分析，得到兩個傳感器到臺階的距離相 等，此時，車頭與第一節(jié)臺階垂直。通過測速碼盤，保證兩邊履帶的速度相同，直至機器人的 履帶恰好與第一節(jié)臺階相接觸。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于：機器人角度的測量是通過姿態(tài)傳感 器來實現(xiàn)的，具體的實現(xiàn)方法是：當機器人發(fā)生翻轉(zhuǎn)時，用姿態(tài)傳感器測量得到一個粗略的 角度，機器人停止翻轉(zhuǎn)，延遲1秒鐘，再重新測量，如果達到所需的角度，則停止翻轉(zhuǎn)，如果 角度過大，則向角度偏小的方向翻轉(zhuǎn)，如果角度過小，則向角度偏大的方向進行翻轉(zhuǎn)，從而 達到所需要的角度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于：在步驟1中，機器人攀爬第一節(jié)臺階 之前需要測量臺階的高度，以用來確定機器人能否翻越該臺階，測量臺階高度的方法是：機 器人前端的攝像頭通過建模和圖像處理得出攀爬樓梯的踏步梯面高度。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種履帶式移動機器人爬樓梯的控制方法，所述履帶式移動機器人包括前輪、后輪以及包覆在所述前輪和后輪上的履帶，其特征在于：在所述前輪設(shè)置有轉(zhuǎn)動角度可控的雙桿臂，通過調(diào)整所述雙桿臂的轉(zhuǎn)角逐步提升所述履帶式移動機器人的重心位置完成攀爬。本發(fā)明提出的一種攀爬臺階的控制方法，適用于相對尺寸較小，無法通過傳統(tǒng)的控制方法實現(xiàn)自主攀爬臺階的小型履帶式移動機器人。本發(fā)明提出的一種新的控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)小型履帶式移動機器人攀爬樓梯的功能。機器人在攀爬樓梯的過程中，機器人通過自身所攜帶的傳感器實現(xiàn)自主控制，則能有效地避免時延問題，提高了控制精度。
【IPC分類】B62D55-075
【公開號】CN104875800
【申請?zhí)枴緾N201510330769
【發(fā)明人】宋光明, 劉杰, 彭璜, 韋中, 宋愛國
【申請人】東南大學
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年6月15日