CN103895005A - 一种仿人颈并联机器人及控制该机器人的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿人颈并联机器人及控制该机器人的方法。该机器人包括动平台、静平台、柔性绳索、压缩弹簧、基座、开关电源、步进电机驱动器、单片机、液晶显示模块、上位机，以及固定在基座上的步进电机、立柱，固定在动平台上的倾角传感器，固定在步进电机轴上的滑轮；基座与静平台由三根立柱连接，静平台与动平台由压缩弹簧连接，步进电机与动平台由柔性绳索连接；倾角传感器与单片机连接，步进电机与驱动器连接，驱动器分别与开关电源、单片机连接；单片机和上位机通信联接。该仿人颈并联机器人可以实现要求模仿的俯仰和横滚动作及其复合动作，并使机器人达到软件中输入的角度姿态，具有低成本、操作方便的特点。

Description

一种仿人颈并联机器人及控制该机器人的方法

技术领域

本发明涉及仿生机器人、并联机构以及自动控制技术，具体来说，涉及一种能够进行编程控制并联机构动平台姿态的仿人颈并联机器人。 

背景技术

近年来，国内外对仿人机器人进行了大量的研究。在这些研究中，研究者必须考虑机器人具有合适的仿人头颈。串联式是指由嵌入电机驱动串联机构实现仿生运动，每个电机单独负责一个自由度，结构简单并且易于控制，因此最为常见；球副式则由一个球副支撑以图实现仿生。在国外，日本在仿人型机器人领域的中处于领先地位，欧美国家也有着相当的研究成果，国内也有很多高校、科研单位进行了研究。 

仿人颈方面的成果中，并联式是指一种通过并联机构的形式实现仿生运动的仿人头颈。这种设计采用压缩弹簧来模拟人的颈椎来支撑头部并帮助颈部运动，通过安装在下方的电机驱动绳索模拟人类肌肉的拉伸作用，具有噪声小、仿生度高的特点。但由于仅使用了三根绳索，涉及到新的数学模型，要实现对仿人头颈给定姿态的运动控制较难实现。 

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种仿人颈并联机器人，该机器人不仅能实现较高程度的仿生，而且具有运动控制方便、低沉本的特点。 

发明内容：为解决上述技术问题，本发明提供了一种仿人颈并联机器人，该机器人包括动平台、基座、柔性绳索、压缩弹簧、底座、开关电源、步进电机驱动器、单片机，液晶显示模块、上位机，以及固定在底座上的步进电机、立柱，固定在动平台上的倾角传感器，固定在步进电机输出轴上的滑轮；其中， 

所述动平台位于基座上方，并且动平台与基座通过压缩弹簧连接，底座位于基座下方，并且底座与基座通过立柱连接； 

所述步进电机固定于底座上，步进电机与动平台通过柔性绳索连接，步进 电机通过导线与步进电机驱动器连接，步进电机驱动器通过导线与开关电源连接，开关电源通过电源线和220V交流电源连接； 

所述步进电机驱动器通过导线与单片机连接，倾角传感器通过导线与单片机连接，液晶显示模块通过插座与单片机连接，单片机通过串口通信线与上位机相连。 

优选的，所述柔性绳索一端固定于动平台上，另一端与步进电机轴上的滑轮连接,并穿过基座边缘上的对应过线孔。 

优选的，柔性绳索有三根、步进电机有三台；每根柔性绳索从动平台穿过基座与步进电机轴上的滑轮连接，且三根柔性绳索每两根之间的角度为120度；每两台步进电机之间的角度为120度。 

优选的，立柱有三个，且每两个立柱之间的角度为120度。 

本发明还提供了一种控制仿人颈并联机器人的方法，该方法包括如下步骤： 

上位机发出对步进电机的指令，单片机接受信号，将步进电机的信息发送给步进电机驱动器，步进电机驱动器根据指令驱动相应的步进电机实现运动；上位机发出点头、仰头、左歪脖、右歪脖、顺时针旋转或逆时针旋转这六类指令后，单片机调取相应的步进电机的控制程序，将信息发送给步进电机驱动器，步进电机驱动器根据指令驱动相应的步进电机实现运动。 

有益效果： 

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点： 

1.该仿人颈并联机器人能够很好地实现对人类头颈的仿生。本发明的仿人颈并联机器人以压缩压缩弹簧作为支撑，模拟人类颈椎的真实作用，且具有一定柔性；负责驱动机器人运动的是三根柔性绳索只产生单方向的拉力，是对人类颈部肌肉的贴切仿生。 

2.该仿人颈并联机器人能够以很小的误差调整运动姿态。本发明的仿人颈并联机器人以步进电机为驱动装置，通过柔性绳索进行三自由度的运动控制。当上位机发出指令信号后，单片机接收到上位机要求的弯曲角度，将内部存储的绳索长度变化换算为步进电机的旋转顺序与旋转圈数，并将脉冲指令发送给驱动器。驱动器接受到指令之后驱动步进电机以计算完毕的顺序和圈数进行旋转，使机器人达到一定的弯曲角度。位于动平台上的倾角传感器工作，把计算出 的倾角数据发送给单片机，单片机将此时的角度呈现在液晶显示模块上以供操作者核对。经测试，实际角度与规定角度的误差非常小。 

3.结构简单，操作灵活。相对于直接操作单片机进行控制，本发明的仿人颈并联机器人通过上位机发送运动指令，在操作上更加简化，降低了操作者入门难度；同时采用小型步进电机作为驱动源，将步进电机驱动器、开关电源、单片机等装置集合在一起调试，使得整体的硬件设计十分紧凑。 

4.仿人颈并联机器人上部设置倾角传感器，可以实时读取机器人姿态数据。 

附图说明

图1是本发明的立体图。 

图2是本发明的俯视图。 

图3是仿人颈并联机器人的控制结构图。 

图中有：1倾角传感器，2动平台，3压缩弹簧，4基座，5立柱，6步进电机，7单片机，8液晶显示模块，9步进电机驱动器，10开关电源模块，11滑轮，12绳索，13固定底座，14上位机。 

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本发明专利作进一步详细的说明。 

本发明中，绳索驱动的柔性仿人头颈并联机器人，其基座和动平台由3根绳索和1个压缩弹簧连接.采用压缩弹簧模拟人的颈椎作为并联机器人的支撑脊柱，以绳索模拟人颈部肌肉对机器人进行驱动控制.将作用在动平台上的外力等效为动平台中心的矢量力和力矩，基于力和力矩平衡条件，结合压缩弹簧侧向弯曲方程，解得机器人的逆运动学模型.为了使绳索驱动力最小，以绳子拉力的最小平均值和最小最大值为优化目标，基于非线性最优化拟牛顿算法对绳索在基座及动平台上端点位置进行了优化设计.仿真结果验证了并联机构逆运动学模型和优化方法的正确性和可行性。 

如图1和图2所示，本发明的仿人颈并联机器人，包括倾角传感器1、动平台2、压缩弹簧3、基座4、立柱5、步进电机6、单片机7、液晶显示模块8、 步进电机驱动器9、开关电源10、滑轮11、柔性绳索12、底座13、上位机14。 

动平台2位于基座4上方，通过压缩弹簧3与基座4相连接，在不受柔性绳索12拉力的时候保持水平。基座4位于底座13上方，由三根立柱5支撑，并保持水平。三台步进电机6置于底座13上，并以120°间隔均匀放置。三个滑轮11分别套在三台步进电机6的轴上，上面固定着柔性绳索12的一端，柔性绳索12的另一端穿过基座4边缘的小孔，固定在动平台2的边缘，固定点、小孔均与步进电机6的位置保持一致。三台步进电机6通过导线与三台步进电机驱动器9分别相连接，三台步进电机驱动器9通过导线与三台开关电源10相连接，三台步进电机驱动器9同时也通过导线与一台单片机7相连接。倾角传感器1通过导线与单片机7相连接，液晶显示模块8与单片机7相连接。220V电源对开关电源10供电，开关电源10对步进电机驱动器9供电，上位机14通过串口通信线对单片机7供电。 

仿人颈并联机器人，其三根柔性绳索12一端固定于动平台2上，另一端与步进电机7轴上的滑轮11连接,并穿过基座4边缘上的小孔，当步进电机7牵引柔性绳索12运动时，柔性绳索12将穿过基座4上的小孔进行拉伸或收缩，并通过固定在动平台2边缘的一端使动平台2实现运动。 

仿人颈并联机器人，其三根柔性绳索12、三台步进电机7、三个立柱5。每根柔性绳索12从动平台2穿过基座4与步进电机6轴上的滑轮11连接，且三根柔性绳索12每两根之间的角度为120度；每两台步进电机之间的角度为120度。 

立柱5有三个，且每两个立柱之间的角度为120度。 

使得机器人的三自由度运动控制符合理论模型中的要求。 

参见图3，控制该仿人颈并联机器人方法是： 

上位机14发出对具体一台步进电机6的指令，单片机7接受信号，将步进电机6的编号、旋转方向与旋转圈数等信息发送给步进电机驱动器9，步进电机驱动器9根据指令驱动相应的步进电机6实现运动；上位机14发出点头、仰头、左歪脖、右歪脖、顺时针旋转或逆时针旋转这六类指令后，单片机7调取相应的步进电机7的控制程序，将信息发送给步进电机驱动器9，步进电机驱动器9根据指令驱动相应的步进电机6实现运动； 

上位机14中软件得到的指令是使仿人颈并联机器人调整的特定角度时，单 片机7接受信号，将这一角度下柔性绳索12的长度变化换算为步进电机6的运动要求，并将脉冲指令发送给步进电机驱动器9，步进电机驱动器9根据指令驱动相应的步进电机6实现运动，柔性绳索12将动平台2驱动至要求的角度。位于动平台2上方的倾角传感器1将测定此时机器人的弯曲角度，将数据发送给单片机7处理，单片机7将采集到的角度信息显示在液晶显示模块8上。 

应理解上述实施例仅用于说明本发明技术方案的具体实施方式，而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。 

Claims (5)

1.一种仿人颈并联机器人，其特征在于，该机器人包括动平台（2）、基座（4）、柔性绳索（12）、压缩弹簧（3）、底座（13）、开关电源（10）、步进电机驱动器（9）、单片机（7），液晶显示模块（8）、上位机（14），以及固定在底座（13）上的步进电机（6）、立柱（5），固定在动平台（2）上的倾角传感器（1），固定在步进电机（6）输出轴上的滑轮（11）；其中，

所述动平台（2）位于基座（4）上方，并且动平台（2）与基座（4）通过压缩弹簧（3）连接，底座（13）位于基座（4）下方，并且底座（13）与基座（4）通过立柱（5）连接；

所述步进电机（6）固定于底座（13）上，步进电机（6）与动平台（2）通过柔性绳索（12）连接，步进电机（6）通过导线与步进电机驱动器（9）连接，步进电机驱动器（9）通过导线与开关电源（10）连接，开关电源（10）通过电源线和220V交流电源连接；

所述步进电机驱动器（9）通过导线与单片机（7）连接，倾角传感器（1）通过导线与单片机（7）连接，液晶显示模块（8）通过插座与单片机（7）连接，单片机（7）通过串口通信线与上位机（14）相连。

2.根据权利要求1所述的仿人颈并联机器人，其特征在于，所述柔性绳索（12）一端固定于动平台（2）上，另一端与步进电机（6）轴上的滑轮（11）连接,并穿过基座（4）边缘上的对应过线孔。

3.根据权利要求2所述的仿人颈并联机器人，其特征在于，柔性绳索（12）有三根、步进电机（6）有三台；每根柔性绳索（12）从动平台（2）穿过基座（4）与步进电机（6）轴上的滑轮（11）连接，且三根柔性绳索（12）每两根之间的角度为120度；每两台步进电机之间的角度为120度。

4.根据权利要求3所述的仿人颈并联机器人，其特征在于，立柱（5）有三个，且每两个立柱之间的角度为120度。

5.一种控制仿人颈并联机器人的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

上位机（14）发出对步进电机（6）的指令，单片机（7）接受信号，将步进电机（6）的信息发送给步进电机驱动器（9），步进电机驱动器（9）根据指令驱动相应的步进电机（6）实现运动；上位机（14）发出点头、仰头、左歪脖、右歪脖、顺时针旋转或逆时针旋转这六类指令后，单片机（7）调取相应的步进电机（7）的控制程序，将信息发送给步进电机驱动器（9），步进电机驱动器（9）根据指令驱动相应的步进电机（6）实现运动。

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