[发明专利]用于爬楼机器人的智能感知与执行的腿部机构

说明书

技术领域

本发明属于一种用于水平姿态爬楼机器人的腿部智能执行机构，尤其涉及机器人在多类型楼梯以及机器人支撑地面会出现塌陷工况下的智能识别和控制。

背景技术

随着科技的发展和技术的进步，机器人的使用越来越普及，出现了很多应用于各种场合的机器人，其中爬楼搬运机器人的研究越来越得到重视。对于爬楼搬运机器人，非常重要的一个性能指标是爬楼时机器人平台不会发生倾斜，为此，申请人对水平姿态爬楼机器人进行了研究。水平姿态爬楼机器人在水平且不易塌陷的支撑面上行走和爬行时，为了保持水平姿态，只要保证各腿抬升高度一致即可。但是机器人平台上的重物不是均衡放置的，这就导致各腿对地面的压力不同，且很多场合地面强度也不是均匀的，一旦某支腿对支撑面的压力超出了其承受范围就会导致支撑面塌陷从而引起平台的倾斜。爬楼机器人的另外一个很重要的指标是能够适应不同类型楼梯的爬楼，这就要求该机器人具有自动识别和判断楼梯的尺寸，在此基础上自主决策采取合适的步长和抬升高度来执行爬楼动作。因此，要使水平姿态爬楼机器人能够在实际的复杂环境中仍然能够达到预期的要求，必须实现前述两项关键技术，基于此，申请人研制出了一种用于水平姿态爬楼机器人的智能感知与执行的腿部机构。该机构包括三大部分，分别为腿部感知机构、数据采集系统和腿升降智能控制系统，第一部分为腿部感知机构，将微型力传感器置于腿部机构中，用于感知地面对机器人腿部的支撑力，从而判断腿是否需要继续下降以寻找稳定支撑面，将光电位移传感器置于腿部机构前部，探测前方物体距腿部的距离，根据距离来执行腿部的升降与停止；第二部分是数据采集系统，主要是采集力传感器与位移传感器的信号，将信号处理后送入MCU；第三部分是腿升降智能控制系统，分析测试系统传输过来的信号，根据编写好的算法和规则对腿的升降动作做出控制。为了保证地面对脚的支撑力传递到传感器，橡胶垫必须超出支撑座下表面，以使地面对脚部的挤压能够传递到底板，底板挤压力感应触头，最终将支撑力传递到采集系统。另外腿部不与地面接触时，力传感器不能输出电信号，所以通过旋动螺栓使底板与支撑板间的弹簧安装时呈受压状态。水平姿态爬楼机器人在任意时刻都应该保持水平姿态，所以本发明选用伺服电动推杆作为执行腿。

发明内容

本发明的目的在于突破上述两项关键技术难点，提供一套能够自动感知、自动判断与执行的腿部智能升降机构，使水平姿态爬楼机器人运行更具可靠性、智能化和柔性化，扩大了水平姿态爬楼机器人的使用范围。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于爬楼机器人的智能感知与执行的腿部机构，其特征在于，包括支撑座、力传感器、测距传感器、弹簧、弹簧压板和信号采集和执行机构控制模块，所述的信号采集和执行机构控制模块包括电动推杆、电机驱动器、采集卡和STM32控制板卡，所述的电动推杆与支撑座连接，电动推杆由电机驱动，电机连接电机驱动器，电机驱动器通过RS232串口线与STM32控制板卡相连，采集卡的输出端口与STM32控制板卡相连，输入端口与力传感器和测距传感器相连，所述的力传感器和测距传感器设于支撑座内，所述的弹簧压板通过固定螺栓吊挂在支撑座上，弹簧压板的上表面与支撑座的下表面皆设有沉头孔，所述的弹簧穿在所述的固定螺栓上，弹簧的两端嵌在所述的两个沉头孔中，弹簧呈压缩状态，力传感器的触头设于弹簧压板和支撑座之间。

优选地，所述的测距传感器通过螺纹连接固定在支撑座内。

优选地，所述的力传感器通过固定板固定在支撑座内。

优选地，所述的支撑座的上方和侧面开有孔，分别用于引出光电传感器传输线和力传感器传输线。

优选地，所述的支撑座采用中空结构。

优选地，所述的支撑座的底部固定连接防护板。

优选地，所述的橡胶垫通过强力胶粘在弹簧压板下侧。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明适用于水平姿态爬楼行走机构或机器人在楼梯类型不一、支撑面不平、支撑面易坍陷的场合下，自动识别判断并自动做出调整，实现安全爬行和保持水平姿态的功能，使爬楼与行走更具柔性和智能化。采用本发明，爬楼机器人升降腿可以自动寻找稳定支撑面，避免地面出现塌陷而对机器人以及负载造成严重破坏。通过腿前部的位移传感器和相应处理程序不仅可以适应不同台阶高度的爬楼，而且可以根据所测位移进行爬楼与水平行走间的切换，提高效率。

附图说明

图1a为用于爬楼机器人的智能感知与执行的腿部机构的结构图；

图1b为图1a中A-A剖面图，图1c为图1a中B-B剖面图；