CN101948011A - 一种六足万向行走的多功能月球探测机器人 - Google Patents

一种六足万向行走的多功能月球探测机器人 Download PDF

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Abstract

本发明是一种六足万向行走的多功能月球探测机器人，它分为机械结构和控制系统两部分；机械结构是由一个圆形载物平台和六个按正六边形均匀分布的多自由度足臂所构成，在此基础上，可以在圆形载物平台上加装需要的各种功能模块，以实现功能扩展；控制系统采用AVR单片机结构，用来将各个功能模块和机械结构结合起来，形成一个月球探测机器人系统。该机器人具有腿式爬行和轮式滚动两种行走方式，具备万向行走功能，行走效率明显提高，适用范围更广。同时在已有功能的基础上新增自适应地形、壁障、路径优化处理、机械臂抓取，自动识别修复故障等功能，可用于月球探测等航天领域，同时还可用于地面探测、救援、运输等民用领域。

Description

一种六足万向行走的多功能月球探测机器人
技术领域
本发明涉及一种六足万向行走的多功能月球探测机器人，它有腿式爬行和轮式滚动两种行走方式，属于月球探测机器人技术领域。
背景技术
近年来为了满足对月球探测等领域的需求，国内外纷纷对月球探测机器人进行了深入地研究，并已取得一定成果。特别是美国和俄罗斯，在这方面已积累了成熟的经验。我国对探测月球探测机器人的研究起步较晚，但随着探月工程的展开与推动，这方面的研究发展较快。目前出现的探测月球探测机器人主要分轮式和腿式两大类。在万向行走方面，月球探测机器人无需转弯便可实现任意方向行走。现有的万向行走装置有偏心轮(仅能做从动轮使用)，也有若干滚子组成的既能作为从动轮又可作为主动轮使用的平面万向行走装置以及三角式磁铁链轮驱动万向行走装置等。
目前的月球探测机器人主要采用的样式是轮式车体，这种构造对平坦的地形适应能力较好，但很难适应复杂、崎岖的地形，在复杂路面上行走时会造成一定的颠簸，稳定性较差。
发明内容
本发明是一种六足万向行走的多功能月球探测机器人，它分为机械结构和控制系统两部分；
机械结构是由一个圆形载物平台和六个按正六边形均匀分布的多自由度足臂所构成，在此基础上，可以在圆形载物平台上加装需要的各种功能模块，以实现功能扩展；控制系统采用AVR单片机结构，用来将各个功能模块和机械结构结合起来，形成一个六足万向行走的多功能月球探测机器人系统。
其中，该圆形载物平台由载物平台上片1和载物平台下片2构成，两片之间相互平行，且中间用铜柱固定连接，圆形载物平台的圆周上均匀分布有六个足臂，这六个足臂在结构上是完全相同的，并且在平台上对称分布，足臂和圆形载物平台之间用舵机3连接，形成可转动的关节。
其中，该足臂为多自由度轮、腿式结构，每条足臂有三个关节10、11、12，在每两个关节结合处安装有一个舵机，在每个足臂的末端关节5处均安装直流电机6、轮子7和贴片式压力传感器8。其中，该关节10、11、12均有两长方片状组成，之间用连接杆9连接；直流电机6用螺钉拧在关节10的末端，贴片式压力传感器8固定于末端关节10上，直流电机6和贴片式压力传感器8是独立分开的。
足臂末端的贴片式压力传感器8以感知每条足臂的受力情况，从而判断是否有足臂处于悬空状态。贴片式压力传感8器主要由压敏电阻回路组成，通过感知压力的变化，将压力值采集后与设定好的阈值相比较，若压力值高于阈值，则可认为足臂已经触地；若压力值低于阀值，则可认为足臂处于悬空状态。比较值将反馈给上位机主控器模块，以调整各个关节处的舵机的运动。该足臂能使六足万向行走的多功能月球探测机器人具有较好的地形适应能力和行走能力。
控制系统包括：上位机主控器模块、舵机控制模块、地形信息采集模块和人机交互与操纵模块；其中，舵机控制模块、地形信息采集模块和人机交互与操纵模块都与上位机主控器模块集成在一起；
其中，上位机主控器模块安装在载物平台的1、2之间，主要完成信息的处理和各个模块之间的协调工作。本发明在选择上位机主控器模块时，采用AVR单片机的ATmega16控制板作为主控机，实时地处理采集的地形信息，通过步态解算，将月球探测机器人的运动位置解算为足臂每个关节需要运动的角度，同时将该角度转换为各个关节处舵机所能接收的PWM(Pulse Width Modulation即脉宽调制/脉冲宽度调制)波信号，通过控制PWM波高低电平的时间，来控制各个关节处舵机的运动状态，从而实现对各个足臂的准确控制。
步态解算过程如下所示：
足臂竖直方向运动时，A保持不动，B、C同时转动。(A、B、C分别代表三个关节)
Figure BSA00000262113800021
进行Taylor展开并保留到2次项，得
Figure BSA00000262113800022
对
Figure BSA00000262113800023
求偏导，
Figure BSA00000262113800031
由上面两式得，
Figure BSA00000262113800032
这样就得到了B、C转动量的关系，即可分段求出积分量，积分的结果即为角度值。
其中，舵机控制模块，对足臂进行准确定位和控制。该舵机控制模块与上位机主控器模块之间通过通用串口通讯，来实现信息的传递。舵机控制模块通过实时接收上位机主控器模块传送的舵机控制参数，用ATmega16控制板得出PWM波信息，给出波形高低电平的时间控制信息，即舵机应该转动多少角度再传送给各个舵机，从而实现对各关节的控制。根据PWM波形的高电平时间决定各个舵机所需转动的角度，从而实现各个关节的相对运动。上位机主控器模块和舵机控制模块的关系是主从关系，上位机主控器模块是属于最核心的控制器，而舵机控制模块则是其下属，上位机主控器模块给指令给舵机控制模块，舵机控制模块再给指令给舵机。
其中，地形信息采集模块，是本发明六足万向行走的多功能月球探测机器人不可或缺的部分，六足万向行走的多功能月球探测机器人所在区域的地形信息采集后，送给上位机主控器模块处理，上位机主控器模块里有对应的模数转换器件，将模拟信号转换成数字信号，这些数字信号可以为六足万向行走的多功能月球探测机器人导航和路径优化选择处理提供较好的数据，同时上位机主控器模块处理好数据后，实时的将适应地形的姿态角，即足臂的每两个关节之间形成的角度，发送给舵机控制模块。
其中，人机交互与操纵模块由无线模块和操纵窗口组成，操纵窗口有六足万向行走的多功能月球探测机器人运行控制信息、摄像头传回的区域地形信息、手控和自主控制调节信息，运动姿态调节信息等。通过操纵窗口可以实时监测和控制六足万向行走的多功能月球探测机器人的运动状态，将控制信息通过无线模块传送给位于六足万向行走的多功能月球探测机器人的圆形载物平台上的上位机主控器模块，上位机主控器模块接收控制信号后执行中断，跳到相应的控制代码处执行相应动作。
六足万向行走的多功能月球探测机器人可以根据需要配置一台用于采集图像的云台和数个红外测距传感器和压力传感器，其中云台和红外测距传感器可以安装在载物平台上，这些设备的运用可以使得机器人具备很强的地面适应能力，完成在复杂环境下的行走。
本发明优点及功效在于：本发明六足万向行走的多功能月球探测机器人具有腿式爬行和轮式滚动两种行走方式，具备万向行走功能，行走效率明显提高，适用范围更广。同时在已有功能的基础上新增自适应地形、壁障、路径优化处理、机械臂抓取，自动识别修复故障等功能，这些功能具有很强的复杂地形适应、路径优化、故障识别等能力，可用于月球探测等航天领域，同时还可用于地面探测、救援、运输等民用领域。
附图说明
图1腿式爬行结构示意图
图2轮式滚动结构示意图
图3足臂结构示意图
图4控制系统流程图
图5舵机控制PWM波简图
图6上位机主控器模块的步态解算过程
图7行进步态控制流程
图中标号说明如下：
1、载物平台上片  2、载物平台下片  3、4、5、舵机  6、直流电机7、轮子  8、贴片式压力传感器  9、连接杆  10、11、12关节T为一个周期；PWM为控制脉宽，为0.5ms～2.5ms之间  Tw为延时等待时间
具体实施方式
请参阅图1-7所示，本发明一种六足万向行走的多功能月球探测机器人，它分为机械结构和控制系统两部分。机械结构采用经典的六足对称式结构，使其具备万向行走功能。为了使机器人具有腿式爬行和轮式滚动两种行走方式；
在机械结构中，主体部分由圆形载物平台和六个中心对称分布的足臂构成。圆形载物平台主要用于连接六个足臂，以及承载整个控制系统部分(控制系统放置于载物平台上片1和下片2之间)。圆形载物平台和六个足臂分别由PCB板(Printed Circuit Board即印制电路板)和铝合金材料加工而成。其中，载物平台由两片经PCB板加工而成的圆形板材构成，中间用铜柱支撑，以加强结构的强度。每个足臂由三个关节10、11、12构成，并且在足臂末端安装轮子7，使每个足臂同时具有腿式爬行和轮式滚动两种功能。在足臂的每个关节处安装一个舵机。在对舵机的选择上，我们选择了森汉公司的SH-M14型号的舵机，该舵机有双端输出支承轴，采用传统的PWM协议，旋转角度能达到185度，可以位置自锁和跟踪。同时为了使该机器人具有更强的地形适应能力和运动能力。整个机械结构由18个舵机和6个电机控制和带动运动。
在控制系统中，使用AVR单片机的ATmega16控制板实现对上位机主控器和舵机的控制。在足臂的末端安装贴片式压力传感器8，通过感知足臂的受力情况反馈给上位机主控器模块，经过计算比较，可以判断足臂末端是否着地，从而可以实现步态闭环控制。另外，在载物平台上安装用于采集图像的云台和数个红外测距传感器，以达到避障的目的，这些设备安装在载物平台上，为六足万向行走的多功能月球探测机器人的探测能力提供了保障。
当采用腿式爬行方式行走时，如图1所示。每两两间隔的三只足臂分为一组，在行进过程中始终有一组足臂着地，即每次都有三只足臂着地，保持平衡，交替进行着地和跨步移动。这样就形成了三角形支撑，使六足万向行走的多功能月球探测机器人整体重心落在该三角形区域内，有效地保证了运动过程中的稳定性。
由于六足万向行走的多功能月球探测机器人具有高度的对称性，在运动方向的选择和转换上，该六足万向行走的多功能月球探测机器人具有万向行走功能，即运动中需要换向时，机器人不需要进行像汽车那样的倒车和大角度的旋转转向，只需要将六只足臂重新排布，将所需的运动方向所对应的足臂的位置定为新的前进，而其他足臂则根据该足臂方向来选择新的运动方向，从而实现万向行走功能，很大程度上提高了六足万向行走的多功能月球探测机器人运动的灵活性，对于小范围内六足万向行走的多功能月球探测机器人的换向运动起到很大的作用。
在采用腿式爬行方式行走时，地形信息采集模块的传感器(包括云台、红外测距传感器、贴片式压力传感器)传回地形数据，例如前方是否有障碍物，障碍物的远近，地面是否十分平坦等信息，将这些信息传送给上位机主控器模块处理，上位机主控器模块里有对应的模数转换器件，将模拟信号转换成数字信号，这些数字信号可以为六足万向行走的多功能月球探测机器人导航和路径优化选择处理提供较好的数据，同时上位机主控器模块处理好数据后，实时的将适应地形的姿态角，即足臂的每两个关节之间形成的角度，发送给舵机控制模块，分析后选择是否可以采用轮式行进方式前行。当地形信息适合采用轮式行进方式时，机器人将根据预先给好的程序，上位机主控器模块发送指令给舵机控制模块，舵机控制模块再将信息传送给舵机，调整各个足臂的位置，即可改为轮式滚动的方式行走。
当采用轮式滚动方式行走时，如图2所示，六足万向行走的多功能月球探测机器人的轮子均参与滚动，均产生动力。这样六个足臂平均分配整体重量，可以减小只有其中几个轮子着地时轮子与地面之间的压力，不仅可以保护直流电机和控制系统，防止由于电机过载造成电流过大对控制系统的影响，还可以减轻各关节处舵机的负荷，对舵机的工作寿命起到一定影响。

Claims (4)

1.一种六足万向行走的多功能月球探测机器人，它分为机械结构和控制系统两部分，其特征在于：
机械结构是由一个圆形载物平台和六个按正六边形均匀分布的多自由度足臂所构成，该圆形载物平台由载物平台上片和载物平台下片构成，两片之间相互平行，且中间用铜柱固定连接，圆形载物平台的圆周上均匀分布有六个足臂，这六个足臂在结构上是完全相同的，并且在平台上对称分布，足臂和圆形载物平台之间用舵机连接，形成转动的关节；
该每条足臂有三个关节，在每两个关节结合处安装有一个舵机，在每个足臂的末端关节处均安装直流电机、轮子和贴片式压力传感器；其中，该关节均有两长方片状组成，之间用连接杆连接；直流电机用螺钉拧在关节的末端，贴片式压力传感器固定于末端关节10上，直流电机和贴片式压力传感器是独立分开的；
足臂末端的贴片式压力传感器以感知每条足臂的受力情况，从而判断是否有足臂处于悬空状态；贴片式压力传感器由压敏电阻回路组成；
控制系统包括：上位机主控器模块、舵机控制模块、地形信息采集模块和人机交互与操纵模块；其中，舵机控制模块、地形信息采集模块和人机交互与操纵模块都与上位机主控器模块集成在一起；
该上位机主控器模块安装在载物平台之间，完成信息的处理和各个模块之间的协调工作；实时地处理采集地形信息，通过步态解算，将六足万向行走的多功能月球探测机器人的运动位置解算为足臂每个关节需要运动的角度，同时将该角度转换为各个关节处舵机所能接收的PWM波信号，通过控制PWM波高底电平的时间，来控制各个关节处舵机的运动状态，从而实现对各个足臂的准确控制；
该舵机控制模块对足臂进行准确定位和控制；该舵机控制模块与上位机主控器模块之间通过通用串口通讯，来实现信息的传递；舵机控制模块通过实时接收上位机主控器模块传送的舵机控制参数，根据PWM波形的高低电平时间决定各个舵机所需转动的角度，从而实现各个关节的相对运动；
该地形信息采集模块将所在区域的地形信息采集后，送给上位机主控器模块处理，上位机主控器模块里有对应的模数转换器件，将模拟信号转换成数字信号，这些数字信号为六足万向行走的多功能月球探测机器人导航和路径优化选择处理提供较好的数据，同时上位机主控器模块处理好数据后，实时的将适应地形的姿态角，即足臂的每两个关节之间形成的角度，发送给舵机控制模块；
该人机交互与操纵模块由无线模块和操纵窗口组成，操纵窗口有六足万向行走的多功能月球探测机器人运行控制信息、摄像头传回的区域地形信息、手控和自主控制调节信息以及运动姿态调节信息；通过操纵窗口的实时监测和控制六足万向行走的多功能月球探测机器人的运动状态，将控制信息通过无线模块传送给上位机主控器模块，上位机主控器模块接收控制信号后执行中断，跳到相应的控制代码处执行相应动作。
2.根据权利要求1所述的六足万向行走的多功能月球探测机器人，其特征在于：在选择上位机主控器模块时，采用AVR单片机的ATmega16控制板。
3.根据权利要求1所述的六足万向行走的多功能月球探测机器人，其特征在于：
步态解算过程如下所示：
足臂竖直方向运动时：
Figure FSA00000262113700021
进行Taylor展开并保留到2次项，得
Figure FSA00000262113700022
对
Figure FSA00000262113700023
求偏导，
Figure FSA00000262113700024
Figure FSA00000262113700025
由上面两式得，
Figure FSA00000262113700026
这样即可分段求出积分量，积分的结果即为角度值。
4.根据权利要求1所述的六足万向行走的多功能月球探测机器人，其特征在于：圆形载物平台上加装有一台用于采集图像的云台、数个红外测距传感器和压力传感器。
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