具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步地描述，但本发明的保护范围并不仅仅限于此。

实施例一

如图1-7所示，本实施例为一种两轮摆锤式自适应越障机器人，包括两车轮，还包括两伸缩悬臂以及位于两伸缩悬臂之间的中心车架1，每一伸缩悬臂的一端均安装有主驱动电机7，另一端均安装有姿态控制电机6；主驱动电机7与其对应的车轮连接，主驱动电机7用以驱动其对应的车轮转动，并在车轮堵转时驱动与其对应的伸缩悬臂旋转；姿态控制电机6与中心车架1连接，用以驱动中心车架1转动，控制中心车架1的姿态使其保持水平稳定；每一伸缩悬臂均安装有伸缩控制电机8与伸缩机构9；伸缩控制电机8通过伸缩机构9驱动与其对应的伸缩悬臂伸缩，两伸缩悬臂伸缩的同时带动中心车架1做直线运动；两车轮、两伸缩悬臂、以及中心车架1整体以两车轮的中心连线为轴做自由摆动。两车轮分别为左车轮4与右车轮5，两伸缩悬臂分别为左伸缩悬臂2与右伸缩悬臂3。机器人主体结构由中心车架1、左伸缩悬臂2、右伸缩悬臂3、左车轮4和右车轮5五大主要部件组成，左车轮4和右车轮5的轴心做为机器人摆锤式结构的转动中心，并起到支撑机器人主体结构作用。伸缩悬臂作为摆锤式结构的连接杆，上端连接着车轮。中心车架1作为摆锤式结构锤头，悬挂在伸缩悬臂的下端，并占据着机器人的主要质量。这五大主要部件彼此连接，共同构成四个旋转关节10和两个移动关节11。机器人采用的两轮结构可以通过两轮差速实现中心转向功能，同时采用大直径橡胶充气车轮，使得机器人可以在采用大扭矩减速电机直驱车轮的情况下仍然能够获得20km/h以上的平地高速性能。车轮通过橡胶充气内胆起到缓冲和减阻作用，重量相较变形轮也大大降低，使得机器人能够在实现自适应越障功能之余仍具备优秀的道路行驶性能，从而提高机器人的工作效率。因此，本实施例能够兼顾越障能力和平整道路上的高速行驶能力的具有自适应越障能力的机器人。

如图2所示，主驱动电机7内部有传感器能够实时监测主驱动电机7的运动状态，包括电机转速、电机输出力矩、电机转角、里程计等信息，并将这些信息反馈回控制系统。主驱动电机7的转子分别通过传动轴23与左车轮4、右车轮5相连接，用于驱动左车轮4、右车轮5转动，并构成两个旋转关节10。主驱动电机7的定子安装在与其对应的伸缩悬臂上，使得伸缩悬臂的上端及车轮构成与车轮轴线共线的两组铰链结构。伸缩悬臂的下端通过姿态调节电机6与中心车架1相连分别构成另两组轴线与上端铰链结构平行的铰链结构。这四组铰链结构使得机器人的中心车架1能够以车轮轴线为中心做旋转运动，并将中心车架1、左伸缩悬臂2、右伸缩悬臂3和左车轮4、右车轮5组成机器人主体的摆锤结构。

伸缩控制电机8通过伸缩机构9控制伸缩悬臂伸长和缩短，从而改变中心车架1旋转轴心距车轮旋转轴心的水平距离。伸缩控制电机8具备的自锁功能能够让伸缩悬臂在缩回原始零位后还能够保持在零位处，避免伸缩悬臂在机器人行进过程中在震动等外界干扰下伸缩机构9的伸出长度发生变化导致中心车架1触地。伸缩控制电机8中减速器的减速比极大，自带自锁功能，因此，本实施例的伸缩机构可为伸缩控制电机8中的减速器。

伸缩控制电机8内部也安装有传感器，能够感知当前电机转速、转角等信息，用于控制系统判断当前伸缩机构9是否已经伸缩到了设定的位置，并做出相对应的反馈控制。伸缩悬臂上还安装有第二姿态传感器，能够感知当前伸缩悬臂的旋转倾角，并将数据传输回控制系统，帮助控制系统感知当前悬臂姿态。本实施例通过伸缩悬臂结构来使得机器人能够在高姿态角度状态下获得一个足够的行程来加大中心车架的质心偏心距，继而增大机器人的最大平衡力矩，使得机器人能够获得更大的极限越障高度。

中心车架1左右两侧对称安装的姿态控制电机6，分别与左伸缩悬臂2、右伸缩悬臂3下部相连接，构成两个旋转关节10。姿态控制电机6在机器人越障和平时行进中用于使中心车架1相对伸缩悬臂产生旋转运动，继而使得中心车架1的姿态保持水平稳定。姿态控制电机6的轴线与中心车架1的质心处的重力作用线相交，这样可以姿态控制电机6在调节中心车架1的姿态时仅需一个较小输出力矩即可完成姿态调节功能。除此之外，姿态控制电机6亦可在“摆动——伸出——翻越”越障步态中输出较大的力矩辅助机器人越障。与主驱动电机7和伸缩控制电机8类似，姿态控制电机6内部也具有传感器能够实时监测电机自身包括电机转速、输出力矩、电机转角等运动状态，并将这些信息反馈回控制系统，用于控制系统控制越障步态中伸缩悬臂的姿态。中心车架1处于最低点时的重力作用线与两车轮整体所在的铅垂线重合。

为了中心车架1能够构成机器人摆锤结构中的“重锤”，中心车架1内部安装有大容量电池12，既可以为机器人提供动力，也可以为中心车架1起到配重作用。中心车架1内部安装有第一姿态传感器13用于感知中心车架1当前的加速度、姿态角等信息，既可以用于确定中心车架1当前的姿态，也可以控制系统在“摆动——伸出——翻越”越障步态中判断当前情况下中心车架1是否已经放置稳定。中心车架1上还安装有碰撞传感器14，既可以在机器人行进过程中起到避障作用，也可以辅助机器人的控制系统判断机器人在是否完成了越障过程。中心车架1内部安装有工控机17，搭载控制系统用于机器人的导航、避障、路径规划和自适应越障过程中的越障步态中计算和控制。中心车架1上还安装有视觉传感器15和激光雷达16，既可以用于机器人的导航，还可以用于感知机器人周围所处环境，感知当前障碍高度和类型，判断机器人需要越障还是避障，以及根据障碍物类型切换机器人的越障步态。视觉传感器15安装在中心车架1的侧壁，激光雷达16安装在中心车架1的顶部舱盖22上。中心车架1底部安装有高摩擦系数的防滑板18和吸盘19。防滑板18用于防止机器人在“摆动——伸出——翻越”越障步态中机器人中心车架1与障碍物之间放置不良出现打滑现象，吸盘19用于机器人在摆动——伸出——翻越”越障步态中提供机器人中心车架1与障碍物之间的吸附力，防止中心车架1打滑。

如图5所示，上述中心车架1上部还设置有预留安装孔，机器人能够安装如货架20、探照灯、紫外线灯、水箱、喷雾器、高音喇叭等附加设备。机器人也可以通过中心车架1上部安装的拓展接口21安装诸如高清变焦云台相机、红外云台相机等拓展模块，并通过拓展接口21为这些拓展模块提供数据传输和供电等功能。机器人根据任务需求和使用环境安装不同的附加设备和拓展模块，从而满足目前市场上主流应用需求，如物流派送、医疗消杀、巡防安检、反恐防暴等。

实施例二

本实施例提供一种两轮摆锤式自适应越障机器人运动控制方法，包括以下步骤，

S1:通过中心车架上安装的视觉传感器检测需要攀越的障碍高度；当视觉传感器检测到需要攀越的障碍高度位于较低高度区间时，控制系统控制机器人进入步骤S2，通过“摆动”步态翻越障碍；当视觉传感器检测到要翻越的障碍高度位于中等高度区间时，或者机器人完成摆动步态后仍未能翻越障碍，则控制系统控制机器人进入步骤S3“摆动——伸出”步态翻越障碍；当视觉传感器检测到要翻越的障碍高度位于较高高度区间时，或者机器人完成摆动——伸出步态后仍未能翻越障碍，则控制系统控制机器人进入步骤S4，通过“摆动——伸出——翻转”步态翻越障碍；

S2:机器人车轮与障碍接触并堵转时，伸缩悬臂在反作用力矩的作用下带动中心车架沿机器人行进的方向向上摆动；安装在伸缩悬臂上的主驱动电机逐渐加大输出力矩，并在控制系统控制下将伸缩悬臂与垂直方向上的倾角稳定在“摆动”步态的预设倾角，预设倾角为90°；若机器人在伸缩悬臂达到预设倾角之前就已经完成了越障，则减小主驱动电机输出力矩，使机器人的伸缩悬臂返回原始位置，机器人继续行进；若机器人在伸缩悬臂到达预设倾角之后仍未完成越障动作，则机器人进入步骤S3“摆动——伸出”步态；

S3:主驱动电机在控制系统控制下继续增大输出力矩并将伸缩悬臂维持在“摆动——伸出”步态的预设倾角处。预设倾角在80-100度之间，具体值由检测到的障碍物高度所决定。伸缩悬臂内部安装的伸缩控制电机运动，将伸缩悬臂向外伸出至预设长度值，以达到进一步增大平衡偏心力矩的目的；若机器人在伸缩悬臂达到预设值之前就已经开始翻越障碍，则控制系统驱动伸缩控制电机运动，将伸缩悬臂缩回至初始零位，从而完成越障过程；若机器人在伸缩悬臂达到最大预设值之后仍未开始越障，则机器人进入S4“摆动——伸出——翻转”步态；

S4:主驱动电机在控制系统控制下减小输出力矩从而将中心车架放置在障碍上表面上。在碰撞传感器和第一姿态传感器检测到中心车架放置稳定后，控制系统控制主驱动电机重新增大输出力矩，并控制伸缩控制电机将伸缩悬臂缩回，同时姿态控制电机带动伸缩悬臂和车轮向上翻转，从而达到翻越障碍物的目的；

S5:机器人车轮完成障碍翻越后，控制系统控制伸缩控制电机将伸缩悬臂缩回至初始零位，将中心车架重新从障碍物上表面提起至原始位置。

本实施例运动控制方法如图8-10所示，共分为用于大角度斜坡及较低高度(如减速带)障碍越障过程的“摆动”步态、用于中等高度(如街道路沿石，门槛)障碍越障过程的“摆动——伸出”步态和用于较高高度(如楼梯)障碍越障过程的“摆动——伸出——翻转”步态三种。三种越障步态既可以通过机器人中心车架1上安装的视觉传感器15和激光雷达16等传感器判断障碍类型而主动设置，也可以根据机器人在越障过程中根据车轮、伸缩悬臂和中心车架1的实际越障状态被动切换。机器人在平地行驶及三种越障步态的切换过程如下：当机器人处于自由状态或处于平整道路上行驶时，车轮所受的摩擦滚阻较小，主驱动电机7处于静止或高速转动状态，输出的驱动力矩很小，伸缩悬臂所受到的反驱动力矩也很小，中心车架1在重力的作用下稳定在摆锤结构的最低点附近。在此状态下，机器人伸缩悬臂上的伸缩控制电机8无需动作，伸缩机构9自锁以防止中心车架1滑落。当机器人碰到障碍的时候，车轮会与障碍物相接触造成堵转，在控制系统控制机器人试图继续前进翻越障碍的过程中，车轮所受到驱动力矩和阻力矩迅速增加，反驱动力矩也迅速增加。这时，机器人的伸缩悬臂在反作用力矩的作用下带动中心车架1以车轮轴线为中心作向上摆动。一般来说，机器人所需翻越的障碍物的高度越高，机器人完成越障过程所需的最大驱动力矩也将越大。控制系统为了满足机器人能够具备足够大的平衡力矩来稳定车身使得主驱动电机7能够输出足够的驱动力矩，需要调节机器人进入预设准备越障步态。当视觉传感器检测到要翻越的障碍高度位于较低高度区间时，则控制系统控制机器人进入“摆动”越障步态。如果机器人的控制系统因传感器盲区、外界干扰等因素并未检测到障碍物而未预先设置越障步态，则控制系统在伸缩悬臂上安装的第二姿态传感器检测到伸缩悬臂的摆角超过越障步态切换阈值后控制机器人进入“摆动”越障步态。当视觉传感器检测到要翻越的障碍高度位于中等高度区间时，或者第二姿态传感器感知到机器人完成“摆动”步态后仍未能翻越障碍，则控制系统控制机器人进入“摆动——伸出”步态。当传感器检测到要翻越的障碍高度位于较高高度区间时，或者第二姿态传感器感知到机器人完成“摆动——伸出”步态后仍未能翻越障碍，则控制系统控制机器人进入“摆动——伸出——翻越”步态。当越障过程完成之后，车轮所受到的阻力矩迅速减小，而车轮转速迅速增加，主驱动电机7输出的驱动力矩也随之迅速减小，控制系统在检测到主驱动电机7的转速、输出力矩以及中心车架1安装的第一姿态传感器13和伸缩悬臂上安装的第二姿态传感器均达到触发条件后，控制系统控制左右伸缩悬臂上的伸缩控制电机8通过伸缩机构9将伸缩悬臂重新复位至零点，重新开始行进。三种步态之间的切换均可由控制系统根据机器人上各传感器反馈的信息来驱动机器人自主完成，以适应不同类型、不同高度的障碍物，无需人工遥控切换，从而达到自适应越障的目的。若机器人需要连续翻越多个障碍(如翻越楼梯类型障碍)，则机器人只需多次重复执行预设越障步态即可完成连续越障。

如图8所示，上述两轮摆锤式自适应越障机器人处于“摆动”越障步态中，车轮持续堵转，主驱动电机7输出的驱动力矩持续增加，伸缩悬臂在反驱动力矩的作用下带动中心车架1以车轮轴线为中心向上摆动。在此过程中，控制系统通过伸缩悬臂上的第二姿态传感器实时反馈回的参数控制主驱动电机7的力矩输出，将伸缩悬臂的垂直倾角稳定在预设值处。伸缩悬臂上的伸缩控制电机8不运动，伸缩机构9自锁以保持伸缩悬臂稳定在零位不会伸长。控制系统通过中心车架1上安装的第一姿态传感器13控制姿态控制电机6将中心车架1的姿态稳定在水平位置。若控制系统通过传感器检测到伸缩悬臂的姿态角均已经达到水平后车轮仍未开始运动，即机器人仍未开始翻越障碍，则控制系统将机器人的越障步态切换至“摆动——伸出”越障步态。

如图9所示，上述两轮摆锤式自适应越障机器人处于“摆动——伸出”越障步态中，车轮持续堵转，主驱动电机7输出的驱动力矩继续增加，伸缩悬臂上的伸缩控制电机8开始运动，带动伸缩机构9将伸缩悬臂向外伸出至预设值，并通过伸缩控制电机8内部的传感器来监测伸缩机构9的伸长量是否达到预设值。在此过程中，控制系统通过伸缩悬臂上的第二姿态传感器实时反馈回的参数控制主驱动电机7的力矩输出，将伸缩悬臂的垂直倾角继续稳定在预设值处。控制系统通过中心车架1上安装的第一姿态传感器13控制姿态控制主驱动电机7继续将中心车架1的姿态稳定在水平位置。若控制系统通过传感器检测到伸缩悬臂的姿态角均已经达到预设值且伸缩悬臂的伸缩量达到最大值后车轮仍未开始运动，即机器人仍未开始翻越障碍，则控制系统将机器人的越障步态切换至“摆动——伸出——翻越”越障步态。

如图10所示，上述两轮摆锤式自适应越障机器人处于“摆动——伸出——翻越”越障步态中，车轮持续堵转，控制系统先控制伸缩悬臂上的主驱动电机7输出的驱动力矩减小，伸缩控制电机8继续将伸缩机构9的伸长量维持在最大值。由于驱动力矩减小，伸缩悬臂收到的反驱动力矩也减小，并在重力作用下以车轮轴线为中心向下垂落，从而将中心车架1放置在障碍物的上表面。当传感器检测到中心车架1已经稳定放置后，控制系统控制主驱动电机7增加驱动力矩的输出，伸缩控制电机8运动将伸缩机构9缩回，姿态控制电机6增加输出力矩，从而辅助车轮翻越障碍。在车轮翻越过障碍后，伸缩控制电机8控制伸缩机构9缩回带动伸缩悬臂重新复位至原始零位，从而将中心车架1从障碍物上表面提起，完成越障过程。