一种可变形废墟搜索机器人灵活遥控系统及方法与流程

本发明涉及移动机器人，具体涉及一种可变形废墟搜索机器人灵活遥控系统及方法。

背景技术：

1、废墟环境十分复杂，可变形废墟搜索机器人需要具备崎岖地形和狭窄空间的通行能力。为实现崎岖地形通过而设计的机器人通常为履带式和足式两种类型，四履带足式机器人则结合了两种类型机器人的优点，其具有更强的牵引力和越障能力的同时能够适应各种复杂地形，包括狭小空间、楼梯和台阶等。在废墟救援的场景中，通常伴随着各种复杂的情况和挑战，例如恶劣的环境条件和废墟结构的不稳定性等可能对可变形废墟搜索机器人操作者的生命构成威胁的风险因素。为确保操作者可以在安全距离对机器人进行灵活控制，适用于可变形废墟搜索机器人的遥控系统必不可少。

2、四履带足式机器人拥有四个单独控制的可移动腿，分别为左前腿、右前腿、左后腿和右后腿，每条腿的末端连接一个可旋转的橡胶履带。具有独特结构的四履带足式机器人包含10个独立的执行器，左前腿和右前腿均拥有2个自由度，左后腿和右后腿均拥有3个自由度，其区别在于左前腿和右前腿的前端固定连接机器人躯干，左后腿和右后腿的前端通过旋转关节与机器人躯干连接。该机器人每个腿的运动独立，这样的优点是对环境的适应能力强，通过单独控制机器人各旋转关节、驱动轮能够实现的主要动作包括前进、转向、匍匐、站立、倾斜、侧倾、翘起、举升、翻转，具备全地形通过能力，缺点是控制十分复杂。

3、操作者一般采用遥控设备的物理按键进行控制操作，但物理按键只能获取开关量，不适合四履带足式机器人需要灵活控制旋转关节转角的情况，故难以通过一般遥控设备交互来实现机器人的灵活控制。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：采用遥控设备的物理按键进行控制操作，不适合四履带足式机器人需要灵活控制旋转关节转角的情况。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种可变形废墟搜索机器人灵活遥控系统，包括第一控制器、第二控制器、第一无线通信模块、第一无线通信模块和电机驱动器组；

3、其中，第一控制器，作为遥控设备的控制器，读取并处理用户通过第一扳机键至第十二扳机键和第一摇杆至第二遥杆输入的开关信号和模拟信号得到遥控信号，并将遥控信号发送至第二控制器；

4、第二控制器，作为可变形废墟搜索机器人整体的控制器，根据遥控信号实时转化为控制信号，并将输出给电机驱动器组，实现由电机驱动器组驱动的各个电机的协同控制；

5、第一控制器与第二控制器通过第一无线通信模块与第二无线通信模块相互连接；

6、电机驱动器组，与第二控制器连接，电机驱动器组包括左前腿末端旋转关节电机驱动器、左前驱动轮电机驱动器、右前腿末端旋转关节电机驱动器、右前驱动轮电机驱动器、左后腿前端旋转关节电机驱动器、左后腿末端旋转关节电机驱动器、左后驱动轮电机驱动器、右后腿前端旋转关节电机驱动器、右后腿末端旋转关节电机驱动器和右后驱动轮电机驱动器。

7、优选地，所述第一无线通信模块与所述第二无线通信模块采用蓝牙、wi-fi、4g或lora。

8、本发明的技术方案还提供了一种可变形废墟搜索机器人灵活遥控方法，应用于如权利要求1所述的一种可变形废墟搜索机器人灵活遥控系统，包括以下步骤：

9、步骤1：将系统装置初始化，建立遥控设备与可变形废墟搜索机器人整体的通信连接，并驱动电机驱动器组；

10、步骤2：第一控制器读取遥控设备的第一扳机键至第二扳机键和第一摇杆至第二遥杆输入的模拟信号并转换为数字信号，得到第一扳机键值至第十二扳机键值和第一摇杆值至第二遥杆值；

11、步骤3：第一控制器等待定时器触发，当定时器触发时则进入步骤4；

12、步骤4：第一控制器将第一扳机键值至第十二扳机键值和第一摇杆值至第二摇杆值封装为数据帧作为遥控信号，并发送给第二控制器，第二控制器处理遥控信号并转换为对可变形废墟搜索机器人的控制命令；控制命令包括转角控制命令和速度控制命令，其中，第一扳机键值至第十二扳机键值转换为腿部旋转关节的转角控制命令，第一摇杆值至第二摇杆值转换为躯干中心的速度控制命令；

13、步骤5：第二控制器根据转角控制命令和速度控制命令，实时计算用于实现各个电机的协同控制的控制命令，得到各旋转关节电机的目标位置和各驱动轮电机的目标转速；

14、步骤6：第二控制器将目标位置和目标转速分别装换为相对应的控制信号，其中，目标位置转换为各个电机的位置控制信号，目标转速转换为各个电机的速度控制信号；第二控制器与电机驱动器组通信并发送控制信号，进而驱动腿部旋转关节和履带驱动轮的运动，实现对可变形废墟搜索机器人遥控。

15、优选地，所述第一控制器为微处理器，利用模数转换器将用户通过第一扳机键至第十二扳机键和第一摇杆至第二摇杆输入的模拟信号转换为数字信号并发送给第二控制器。

16、优选地，所述步骤5中采用如下方法得到所述目标转速：

17、将机器人的平面运动模型抽象为两轮差速驱动机器人模型，并建立运动模型，在工作空间的状态变量如下：

18、s＝[p]＝[x,y,θ]

19、满足微分运动学的约束方程如下：

20、

21、其中，左、右侧履带与地面接触面速度为vl、vr，目标线速度为vc，目标角速度为ωc，差速模型虚拟驱动轮的间距dlr，线速度为

22、将机器人躯干中心的速度描述为虚拟轮速度的方程如下：

23、

24、其中，dwb为实际左右侧履带间距；采用等效差速转向模型对可变形废墟搜索机器人简化运动模型进行表示：

25、

26、将给定可变形废墟搜索机器人躯干中心的目标速度转化为四个履带与地面接触面速度的方程如下：

27、

28、

29、其中，左前履带腿组件带与地面接触面速度为vtr1，右前履带腿组件带与地面接触面速度为vtr2，左后履带腿组件带与地面接触面速度为vtr3，右后履带腿组件带与地面接触面速度为vtr4，得到目标转速。

30、本发明的技术方案提出一种可变形废墟搜索机器人灵活遥控系统及方法，拥有四个独立控制的履带腿组件，包含有4个驱动轮电机和6个旋转关节电机，通过对履带腿组件旋转关节的组合控制能实现机器人多种姿态的变化，以顺应复杂地形的轮廓。本发明的技术方案为可变形废墟搜索机器人的灵活操控提供了一种创新的解决方案，操作人员能够通过交互友好的遥控方法对可变形废墟搜索机器人躯干中心速度、躯干姿态和履带腿组件转角的运动实现解耦控制。操作人员通过控制三维摇杆的方向、偏移角度从而控制可变形废墟搜索机器人的运动方向和速度，通过按压线性扳机键实现可变形废墟搜索机器人履带腿的旋转运动，可以直观的调整机器人的运动轨迹，提高可变形废墟搜索机器人在复杂环境下救援效率。

技术特征：

1.一种可变形废墟搜索机器人灵活遥控系统，其特征在于，包括第一控制器、第二控制器、第一无线通信模块、第一无线通信模块和电机驱动器组；

2.如权利要求1所述的一种可变形废墟搜索机器人灵活遥控系统，其特征在于，所述第一无线通信模块与所述第二无线通信模块采用蓝牙、wi-fi、4g或lora。

3.一种可变形废墟搜索机器人灵活遥控方法，应用于如权利要求1所述的一种可变形废墟搜索机器人灵活遥控系统，其特征在于，包括以下步骤：

4.如权利要求3所述的一种可变形废墟搜索机器人灵活遥控方法，其特征在于，所述第一控制器为微处理器，利用模数转换器将用户通过第一扳机键至第十二扳机键和第一摇杆至第二遥杆输入的模拟信号转换为数字信号并发送给第二控制器。

5.如权利要求3所述的一种可变形废墟搜索机器人灵活遥控方法，其特征在于，所述步骤5中采用如下方法得到所述目标转速：

技术总结本发明公开了一种可变形废墟搜索机器人灵活遥控系统及方法，拥有四个独立控制的履带腿组件，包含有4个驱动轮电机和6个旋转关节电机，通过对履带腿组件旋转关节的组合控制能实现机器人多种姿态的变化，以顺应复杂地形的轮廓。本发明为可变形废墟搜索机器人的灵活操控提供了创新的解决方案，操作人员能够通过交互遥控方法对可变形废墟搜索机器人躯干中心速度、躯干姿态和履带腿组件转角的运动实现解耦控制。操作人员通过控制三维摇杆的方向、偏移角度从而控制可变形废墟搜索机器人的运动方向和速度，通过按压线性扳机键实现可变形废墟搜索机器人履带腿的旋转运动，直观的调整机器人的运动轨迹，提高可变形废墟搜索机器人在复杂环境下救援效率。技术研发人员：周梅杰,黄起源,郑军奇,柴熠,付仕凯受保护的技术使用者：上海机器人产业技术研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/23