移动机器人平台的驱动结构和控制装置.pdf

本发明的机器人平台的驱动结构，包括设置于平台底盘的至少三组车轮，所述每组车轮对称的设置于所述平台底盘两侧，至少有一组为驱动轮，至少一组为转向轮，所述平台底盘的前两组车轮中的同侧车轮的轮轴，通过可在垂直于所述轮轴的平面内旋转的摇臂连接。本发明的平台控制装置，所述控制器还包括一实现对所述机器人平台的运行状况实现实时监控的系统监控模块，所述系统监控模块可以实时提供机器人平台的运行状态信息，所述系统监控模块在系统发生不可预见的情况无法解决时能够通知用户介入。本发明提高了机器人平台的驱动结构和平台控制装置，使得机器人的安全性能得到保障。

1、  一种机器人平台的驱动结构，包括设置于平台底盘的至少三组车轮，所述每组车轮对称的设置于所述平台底盘两侧，至少有一组为驱动轮，至少一组为转向轮，所述平台底盘的前两组车轮中的同侧车轮的轮轴，通过可在垂直于所述轮轴的平面内旋转的摇臂连接。

2、  如权利要求1所述的机器人平台的驱动结构，其特征在于：所述车轮为三组，所述摇臂的转轴与第三组车轮的转轴通过连杆件连接，所述连杆件可在垂直于所述轮轴的平面内沿一主轴旋转，所述主轴设置于所述连杆件中部，所述主轴固定连接于所述平台底盘。

3、  如权利要求1所述的机器人平台的驱动结构，其特征在于：所述摇臂为直杆或以其转轴为顶点成一钝角。

4、  如权利要求1或2所述的机器人平台的驱动结构，其特征在于：第一组和第三组车轮为驱动轮。所述机器人平台的转向靠所述第一组和第三组车轮左右两边的驱动差速实现。

5、  如权利要求1或2所述的机器人平台的驱动结构，其特征在于：所述摇臂的转轴内装有可使摇臂在没有障碍时保持在水平位置上的扭簧。

6、  一种机器人平台，包括平台底盘、所述平台底盘上连接的驱动结构、传感机构和音视频采集机构，其特征在于：所述驱动结构为权利要求1或2所述的机器人平台驱动结构。

7、  如权利要求6所述的机器人平台，其特征在于，所述机器人平台还包括设置于平台底盘上方的为所述驱动平台提供电能的太阳能板，所述音视频采集机构包括雷达和摄像头。

8、  一种机器人平台控制装置，包括：一具有信息处理和行为规划功能的控制器，连接于所述控制器的一电源管理模块、人机接口、传感机构、一通信模块、音视频采集与处理模块，和由所述控制器控制的使所述机器人平台移动的移动机构；其特征在于：
所述控制器还包括一实现对所述机器人平台的运行状况实现实时监控的系统监控模块，所述系统监控模块可以实时提供机器人平台的运行状态信息，所述系统监控模块在系统发生不可预见的情况无法解决时能够通知用户介入。

9、  如权利要求8所述的机器人平台控制装置，其特征在于，所述系统监控模块，可以实时提供的机器人平台的运行状态信息，当其在判知周围属性的基础上对作业范围或运行姿态进行评估，如果超过设定的取值范围，系统监控模块就会终止应用层任务的执行通知用户介入，保证了人类的安全，同时也使机器人能够安全运行。

10、  如权利要求9所述的机器人平台控制装置，其特征在于：所述控制器还包括实现信息处理和行为规划功能的信息处理和行为规划模块和开放接口给用户以使用户能够进行多方面的二次开发的应用模块；所述控制器中的三模块为垂直分层结构，所述系统监控模块为最顶层，所述信息处理和行为规划模块为最底层，其接收所述控制器外部的输入，上两层模块的输出也通过所述信息处理和行为规划模块到达控制器外部。

移动机器人平台的驱动结构和控制装置
所属技术领域
本发明涉及一种人工智能技术，尤其涉及一种移动机器人平台的驱动结构和控制装置。
背景技术
目前机器人与人类接触的机会越来越多，这就对机器人的安全性提出了更高的要求。所以在机器人移动平台的控制方法上要充分考虑到机器人和人类双方面的安全性。
移动机器人平台的驱动结构包括轮式和履带式等，轮式移动平台的最常用的结构是三轮式。三轮式机构是采用两个高精度的驱动轮和一个万向随动轮或方向轮。两个驱动轮分别控制实现移动平台的运动，通过两个驱动轮的差速来决定运动方向或是通过方向轮来控制运动方向。
轮式驱动平台的三轮式结构，设计思路简单且容易实现，适合行进于平坦的地面或其他表面，但在崎岖不平的路况下，如具有高度差，斜坡，沟壑等自然及人工障碍，面对复杂的地面环境时，驱动平台的三轮式结构显得有些差强人意，平稳性不好、越障能力欠缺，难以适应复杂地面环境的需要，使得机器人的强大功能无法得到充分的发挥。
同时，移动机器人平台的控制装置，通常采用分层机制，包括最底层的交互环境，其通过传感器输入驱动模块，驱动模块通过执行机构输出于交互环境。驱动模块之上有信息处理和行为规划模块、应用模块。
目前情况下，机器人还不能完全自主，因此，人对整个机器人控制装置的运行情况进行监控是必要的。当机器人控制装置发生不可预见的情况使得自身无法解决时，无法通知用户处理这种异常、冲突和死锁；同时，也难以实现直接控制机器人平台来完成用户期望的任务。同时，机器人也无法通过运行环境和运行状态，实现自身一定程度的模块自组织和自诊断功能，难以达到避免伤害人和保护自身安全的目的。
发明内容
为了克服现有技术的机器人平台的安全性的不足，本发明的第一个目的在于提供一种平稳性好、越障能力强、适应复杂地面环境需要的机器人平台驱动结构，使得机器人的安全性得到保障，强大功能得到充分的发挥。
本发明的第二个目的在于提供一种平稳性好、越障能力强、适应复杂地面环境需要的具有本发明机器人平台驱动结构的机器人平台，使得机器人的安全性得到保障，强大功能得到充分的发挥。
本发明的第三个目的在于提供一种机器人平台控制装置，能够实时监控和处理状态异常，进而保障人类和机器人的安全性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种机器人平台的驱动结构，包括设置于平台底盘的至少三组车轮，所述每组车轮对称的设置于所述平台底盘两侧，至少有一组为驱动轮，至少一组为转向轮，所述平台底盘的前两组车轮中的同侧车轮的轮轴，通过可在垂直于所述轮轴的平面内旋转的摇臂连接。
一种机器人平台，包括平台底盘、所述平台底盘上连接的驱动结构、传感机构和音视频采集机构，所述驱动结构为权利要求1或2所述的机器人平台驱动结构。
一种机器人平台控制装置，包括：一具有信息处理和行为规划功能的控制器，连接于所述控制器的一电源管理模块、人机接口、传感机构、一通信模块、音视频采集与处理模块，和由所述控制器控制的使所述机器人平台移动的移动机构；
所述控制器还包括一实现对所述机器人平台的运行状况实现实时监控的系统监控模块，所述系统监控模块可以实时提供机器人平台的运行状态信息，所述系统监控模块在系统发生不可预见的情况无法解决时能够通知用户介入。
本发明的机器人平台的驱动结构与识别装置，可应用于移动机器人、复杂环境作业机器人、远程作业机器人、医疗保健助理、服务机器人等驱动平台。
本发明的移动机器人平台的驱动结构与本发明的机器人平台的有益效果在于：
1)机器人平台能跨越更大尺寸的障碍物；
2)能够很好的克服倾覆力矩对机器人平台行走的不良影响；
3)转向能力更强，转弯半径较小，且运行平稳。
本发明的机器人平台控制装置的有益效果在于，人对整个机器人平台的运行情况实现了实时监控。当系统发生不可预见的情况使得机器人平台装置自身无法解决时，由系统监控模块通知用户处理这种异常、冲突和死锁，如改变任务的执行状态(挂起、终止还是执行)和人为改变机器人平台的运行状态等。另外，在某些情况下用户可以通过系统监控模块直接控制机器人平台来完成用户期望的任务。同时，本发明的机器人平台控制装置，实现自身一定程度的模块自组织和自诊断功能，达到了不伤害人和保护自身安全的目的。
附图说明
图1是本发明实施例机器人平台驱动结构的正视示意图。
图2是本发明实施例机器人平台驱动结构的侧视示意图。
图3是本发明实施例机器人平台驱动结构的俯视示意图。
图4是本发明实施例的机器人平台控制装置的层次结构图。
图5是本发明实施例的机器人平台控制装置的模块结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明实施例机器人平台驱动结构的正视示意图。图2是本发明实施例机器人平台驱动结构的侧视示意图。图3是本发明实施例机器人平台驱动结构的俯视示意图。图4是本发明实施例的机器人平台控制装置的层次结构图。图5是本发明实施例的机器人平台控制装置的模块结构图。
如图1、图2和图3所示，本发明实施例的机器人，其平台驱动机构为本发明实施例的机器人平台驱动结构，共有三排六个车轮，其中第一组和第三组为驱动轮，前两组车轮两两为一对，通过悬臂32连接，机器人的车体可以打开，为了保护机器人的控制装置，电路板、电池、无线接收装置及视觉传感器都放在车体内部。
如图1、图2和图3所示，本发明实施例的机器人，雷达1通过雷达连接件2连接于车体车壳7前侧，摄像头46通过摄像头杆架49连接于车壳7后侧，摄像头46下方的基座上设置有舵机47，可使摄像头47可以转动。车壳上表面连接有太阳能板6，车壳7下方连接车底盘8，车底盘8上连接有本发明实施例的机器人平台驱动结构。主动轮10和从动轮26通过转轴20连接于连杆件33，连杆件后方连接第三组的车轮；连杆件33通过主轴29连接于车底盘8。
如图1所示，雷达连接件2下端连接有传动箱44中设置的雷达上轴4，传动箱44中还设置有电机座42、其上设置的雷达驱动电机41、传动机构43及支撑传动机构43的雷达连接杆40。
本发明的机器人平台驱动结构，后面的两组车轮可以都装有驱动电机，也可以只有其中一组驱动。驱动速度可调，机器人能在斜坡角度不大于30度的路面行走。机器人前两组车轮采用联杆悬挂安装，能够很好的适应不同的地面情况，同时可以越过高度约为车轮半径的垂直障碍，如围栏；在非垂直障碍的情况下，比如石块，机器人的越障高度略大于垂直障碍。
本发明的机器人，车体上装有摄像头，拍摄到的视频信号可以经无线方式传送到视频无线接收器上，并能通过控制台上的监视器显示出来。同时，摄像头下安装有伺服电机控制摄像头的转动，实现环境信息的采集。
本发明的机器人平台驱动结构，可为六轮、八轮等不同结构形式，优选为六轮，保证与地面有较大的接触面积，利于在崎岖不平的路面行走。
本发明的机器人平台，前两组车轮通过摇臂联在一起，遇到障碍时，摇臂会在障碍物的作用下，前端抬升，后端下降，使得平台在没有明显抬升的情况下，机器人就能较平稳的越过障碍；另外，摇臂后端连接的第二组车轮下降也能更紧密的接触地面，减少了车体悬空的可能性，克服了倾覆力矩对机器人行走的不良影响。摇臂采用30*20*3的方形钢管足够承受。为防止锈蚀，保证外观美观，也要进行必要的酸洗处理。
为降低机器人平台的重心，是的机器人平台运行稳定，不宜倾倒，在机器人平台的底盘可使用50*20*3的方形钢管。同时，底盘使用表面热喷涂处理，使得底盘耐磨、耐冲撞，进而增强机器人平台的受力能力，延长机器人使用寿命。
如图3所示，摇臂32的转轴20与第三组车轮27的转轴通过连杆件33连接，连杆件33可在垂直于车轮轮轴的平面内沿主轴29旋转，主轴29设置于连杆件33中部，主轴29固定连接于所述平台底盘8。摇臂32为直杆或以其转轴20为顶点成一钝角。
本发明实施例的机器人平台驱动机构，摇臂32的转轴20内装有扭簧，在没有障碍时可以使悬臂保持在水平位置，更重要的，扭簧起到了缓冲的作用，提高了车体的稳定性，保护机器人平台不受路面颠簸的影响。主轴29上也装有用于缓冲的弹簧钢片16，弹簧钢片两端固定于弹簧片挡座17。
本发明的机器人平台，因其具有很强的越障能力，可用于模拟行星(如火星)探测器。因为最后一组车轮被抬起的高度，远小于障碍的高度(即第一组车轮被抬起的高度)，又因为平台的长度远大于最后一组车轮被抬起的高度，因此，在第一组车轮翻越障碍时，平台的倾斜很小。对于单侧前轮越障的情形，其侧向倾斜也很小。
如图5所示，本发明实施例的机器人平台控制装置，包括一具有信息处理和行为规划功能的控制器，连接于控制器的一电源管理模块、人机接口、由超声波传感器实现的传感机构、一通信模块、包括通过控制连接于控制器的图像处理模块在内的音视频采集与处理模块，和由所述控制器控制的使所述机器人平台移动的移动机构；
控制器还包括一实现对机器人平台的运行状况实现实时监控的系统监控模块，所述系统监控模块可以实时提供机器人平台的运行状态信息，所述系统监控模块在系统发生不可预见的情况无法解决时能够通知用户介入。
如图4所示，本发明的机器人平台控制装置，所述控制器还包括实现信息处理和行为规划功能的信息处理和行为规划模块和开放接口给用户以使用户能够进行多方面的二次开发的应用模块。
如图4所示，本发明的机器人平台控制装置，其控制器中为垂直分层结构，包括位于最上层的系统监控模块，最下层的信息处理与行为规划模块，介于两模块间的应用模块。
针对目前情况下，机器人还不能完全在主的情况，系统监控模块实现了人对整个系统的运行情况的实时监控。系统监控模块不参与具体的任务和行为规划，除了给用户提供运行状态的信息外，当系统发生不可预见的情况使得自身无法解决时，由系统监控模块通知用户处理这种异常、冲突和死锁，如改变任务的执行状态(挂起、终止还是执行)和人为改变机器人的运行状态等。另外，在某些情况下用户可以通过系统监控模块直接控制机器人来完成用户期望的任务。同时，本发明的机器人平台的控制装置，可以通过运行环境和运行状态，实现自身一定程度的模块自组织和自诊断功能，实现避免伤害人和保护自身安全的目的。
本发明的机器人平台控制装置，其控制器中的应用模块，开放给用户，可以根据开放给他们的接口在这个层面上进行多方面的二次开发。
本发明的机器人平台控制装置，其控制器中信息处理和行为规划模块：接收驱动模块的多传感器信息并完成信息融合处理，同时传送机器人的当前运行状态；根据接收到的来自应用模块的任务指令，规划出机器人所应采取的具体的行为模式。
驱动模块主要完成多传感器的驱动信息编码；接收来上一层的行为控制命令，驱动执行机构。
本发明的机器人平台控制装置的物理层，包括物理的传感器、执行机构，及他们的控制电路。
本发明的机器人平台控制装置，通过基于多传感器(包括超声波、声纳、CCD、热释、速度、电流和位置等的传感器)信息融合的方法保证机器人的安全作业范围，同时能够辨识周围物体属性及对机器人位姿做出评测。机器人有安全作业范围和能够辨识人类的存在是保证不伤害人类的基础。机器人能够对自身的位姿做出评测是保证机器人安全的基础，同时能够在发生问题时做出应急处理。
本发明的机器人平台控制装置，我们确定了两个作业范围D_l和D_h，且D_l≤D_h，其中D_l为作业范围下确集，D_h为作业范围上确集。传感器的采样序列为D_i(n)，按照灰关联分析法可以得到两个关联度γ_il和γ_ih，如果有γ_ih>γ_il，则机器人有安全的作业空间，进而说明系统能完成应用程序请求的运行模式，但是还要综合考虑对于周围人的辨识及对运行姿态评估。
对于周围人的辨识，我们使用人体热释传感器和CCD，给定人的特征序列值，然后将采样值与之进行灰关联分析，并计算灰关联度得出评价结果。
进而，本发明机器人平台控制装置的系统监控模块，可以实时提供的机器人平台的运行状态信息，当其在判知周围属性的基础上对作业范围或运行姿态进行评估，如果超过设定的取值范围，系统监控模块就会终止应用层任务的执行通知用户介入，保证了人类的安全，同时也使机器人能够安全运行。
以上所述的仅为本发明的较佳可行实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。