CN104015182A - 一种蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蛇形机器人，包括蛇头、蛇体以及蛇尾，蛇头包括蛇头外壳以及固定在蛇头外壳尾端的关节公头；蛇体前端、后端均安装有关节母头；蛇尾包括蛇尾外壳以及固定在蛇尾外壳前端的关节公头；蛇头、蛇体与蛇尾通过关节公头与关节母头的插接顺次连接。本发明的有益效果为：蛇形机器人中的双核处理器，解决了传统的DSP+CPLD或DSP+RAM双芯片方案中的芯片间通讯问题，极大提高了蛇形机器人控制的速度和效率，大大降低蛇形机器人的复杂度。操作人性化、控制灵活、参数调整简单、检测灵敏度高、监测准确性强、速度控制精度高、速度动态响应快、电源应用率高。

Description

一种蛇形机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种蛇形机器人。

背景技术

随着嵌入式技术以及通信技术的发展，有关机器人领域的研究也越来越受到科学家和社会各界的关注，并且目前已取得了很大的成绩。蛇形机器人是一种新型的仿生物机器人，它实现了像蛇一样的“无肢运动”，是机器人运动方式的一个重大突破。蛇形机器人在许多领域有着广泛的应用前景，如在有辐射、有剧毒、地震、狭小管道等不适宜人类工作的场合，这些优势已经在部分生产应用中得到了充分的证实。对于蛇形机器人的研究，日本、美国等国家研究的相对比较多。国内主要是国防科技大学、中科院沈阳自动化研究所等科研单位在这方面有一定的研究。蛇形机器人在取得了较大成效的同时，也存在着环境适应性差、运动控制不稳定等问题，对灾害搜救工作不能实时、准确的做出响应。为了改进这类问题，笔者设计了本研究所述的蛇形机器人。该蛇形机器人可以在复杂环境中起伏前进，并能够实现侧移、翻转、平面蜿蜒等多种运动形式，能够把人从繁重、危险、单调乏味的工作环境中解脱出来，而且能够代替人在危险场合完成复杂作业。通过对蛇形机器人模型的运动分析，本发明研究出了一种蛇形机器人的运动方式，在其基础之上开发出一种蛇形机器人，并在其实体上得到了有效的性能、功能验证。

高性能蛇形机器人操作手包含两个方面的要求：蛇身与操作手能够实现自由伸缩、自由变换，可万向调节，在控制性能上能实现高精度的位置和速度控制，并提供较大的输出力矩，动态响应快；在蛇形机器人与控制系统的通信功能方面需要提高实时性，上位机应该追求简洁的操作界面、提供工业以太网、支持多种现场总线协议等。而传统的机器人系统复杂、成本较高、开发周期较长。

发明内容

为解决现有机器人技术只能处理定向定点等单一作业，无法完成环境复杂等非结构性环境中作业的技术缺陷，本发明设计出一种智能蛇形机器人，克服了普通机器人实效性差、运动结构固定、反应灵敏性低的缺陷，实现高精度高复杂度的运动作业。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种蛇形机器人，包括蛇头、蛇体以及蛇尾，蛇头包括蛇头外壳以及固定在蛇头外壳尾端的关节公头，蛇头外壳内部安装有主控制系统、伺服驱动器、操作手以及扭梁关节，关节公头上安装有无线针孔摄像头和传感器组；蛇体前端、后端均安装有关节母头；蛇体内安装有从控制系统、舵机控制器、舵机组、十自由度传感器、八路舵机控制器、电源装置以及温湿度传感器组；蛇尾包括蛇尾外壳以及固定在蛇尾外壳前端的关节公头，关节公头内部安装有可拆卸抓手控制器；蛇头、蛇体与蛇尾通过关节公头与关节母头的插接顺次连接；主控制系统和从控制系统通信连接。

进一步的，主控制系统包括顺次连接的数据接收装置、数据融合处理装置和数据发送装置；蛇体的十自由度传感器包括并排固定在蛇身内部的三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计；三轴加速度计、三轴陀螺仪以及三轴磁力计的输出端均与主控制系统的数据接收装置的输入端相连接，并且数据发送装置的输出端与八路舵机控制器的输入端相连接。三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计将获得的加速度信息和俯仰角信息输出给数据接收装置，经过数据接收装置转换后，输入给数据融合处理装置进行融合，融合后的输出数据通过数据发送装置进入八路舵机控制器，经八路舵机控制器处理后，控制舵机运动，实现对蛇体的闭环控制。传感器组以及温湿度传感器组包括测距传感器、压力传感器、温湿度传感器等。测距传感器、压力传感器、温湿度传感器将获得的蛇体周围的环境情况，输出给数据接收装置，经过数据接收装置调理和转换后，输入给从控制系统分析模块判断蛇体的周围的环境情况。

进一步的，主控制系统和从控制系统构成的主从控制系统包括依次连接的整流器、滤波器、制动器、ATmega1281(单片机系统)、信号采集单元、模拟运算器以及双核处理器，整流器的输出端通过辅助电源与双核处理器的输入端相连接，双核处理器的输出端与ATmega1281(单片机系统)的控制端相连接；(单片机系统)的输出端与舵机控制器的输入端相连接；主从控制系统还包括连接在双核处理器的输入端的保护电路以及连接在双核处理器的输出端的显示器和远程通讯装置，其中，远程通讯装置包括分别接入以太网和CAN网络的Internet通讯单元和CAN通讯单元。以双核处理器为核心的OMAP5432负责处理蛇形机器人的所有需要数据处理的信息；作为ARM控制核心主要用于视频采集压缩编码与预处理和采用扩展无线USB网卡的方式与地面监控站进行无线通讯；作为DSP核主要用于关节运动控制算法的实现、采样视频信息的处理以及针对传感器组的数据进行信息融合，姿态估计和规划运动路径，并将规划结果通过CAN总线发送出去。其中，双核处理器为OMAP5432双核处理器，单片机系统为嵌入式AVR单片机系统(ATmega1281)。

进一步的，操作手安装在蛇头外壳前端；数据接收装置、数据融合处理装置和数据发送装置安装在蛇头外壳后端，传感器安装在蛇头关节公头的外侧，无线摄像头安装在蛇头关节公头的内侧。

进一步的，蛇体包括至少一段蛇身且相邻蛇身之间均安装有两套万向节。每段蛇身之间的两套万向节连接处进一步缩短，并将连接轴处的连接件放大，可变形为十字轴万向节变形，使用齿轮来传递平行轴间的转动，将并不正交的轴线转化为正交轴线，实现了十字轴万向节式蛇形机器人的设计。这种万向节机构的优点在于两个动力输出轴即为蛇形机器人运动所必须的两个正交轴，这样正交轴在同一个平面内，完全正交。

进一步的，每段蛇身均由多个刚性关节和多个柔性关节交替连接组成，其中，刚性关节均由蛇身壳体、两个蛇身关节母头和两个铝合金固定片构成，两个蛇身关节母头分别固定在蛇身壳体的两端，铝合金固定片对称固定在蛇身关节母头内侧；柔性关节均由钢丝软管、正交舵机组和两个蛇身关节公头构成，两个蛇身关节公头分别固定在钢丝软管的两端，正交舵机组置于钢丝软管内并固定在蛇身关节公头内侧。

进一步的，所述舵机组为正交舵机组，其包括两个舵机、一个旋转扭架、一个舵机支架以及两个M型支架；两个舵机的前端分别固定在舵机支架和旋转扭架上，两个舵机的后端均与一个M型支架连接，且两个M型支架正交连接，以实现蛇体分段的三维运动。

进一步的，电源装置包括电池组和太阳能充电装置，太阳能充电装置包括升压器和八块柔性太阳能电池板，其中，八块柔性太阳能电池板、升压器以及电池组依次串联连接。八块柔性太阳能电池板串联后将获得的电压经升压器提升后，输送给电池组。

进一步的，可拆卸抓手控制器包括机械抓手套、轴轮扭梁、舵机驱动器以及舵机主固定板。可根据需要安装或拆卸可拆卸抓手控制器，当需要手工控制抓取时，将该控制器连接至蛇尾，套上机械抓手套即可控制蛇头操作手动作；当只需远程操控操作手时，取下该控制器即可。

本发明的有益效果为：该蛇形机器人中的双核处理器内含有ARM和DSP双核，解决了传统的DSP+CPLD或DSP+RAM双芯片方案中的芯片间通讯问题，极大提高了蛇形机器人系统控制的速度和效率，大大降低蛇形机器人的复杂度。操作人性化、控制灵活、参数调整简单、检测灵敏度高、监测准确性强、速度控制精度高、速度动态响应快、电源应用率高。可适用于危险环境监测排查、救灾废墟中的精密检测，复杂环境下的考古作业、医疗环境下的无痛进入人体检查和医疗。

附图说明

图1为本发明所述蛇形机器人的结构示意图；

图2为本发明所述主从控制系统的连接示意图；

图3为本发明所述主控制系统的电路连接示意图；

图4为本发明所述蛇形机器人的工作状态控制流程示意图；

图5为本发明所述操作手的电机连接示意图。

图中，

1、蛇头；2、蛇体；3、蛇尾；4、蛇身；5、大锥齿轮；6、小锥齿轮；7、电机固定板；8、电机；9、模块壳体；10、连接内环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构进行详细解释说明。

如图1所示，本发明提供的一种蛇形机器人，包括蛇头1、蛇体2以及蛇尾3，蛇头包括蛇头外壳以及固定在蛇头外壳尾端的关节公头，蛇头外壳内部安装有主控制系统、伺服驱动器、操作手以及扭梁关节，关节公头上安装有无线针孔摄像头和传感器组；蛇体前端、后端均安装有关节母头；蛇体内安装有从控制系统、舵机控制器、舵机组、十自由度传感器、八路舵机控制器、电源装置以及温湿度传感器组；蛇尾包括蛇尾外壳以及固定在蛇尾外壳前端的关节公头，关节公头内部安装有可拆卸抓手控制器；蛇头、蛇体与蛇尾通过关节公头与关节母头的插接顺次连接；主控制系统和从控制系统通信连接。

本发明提供的一种蛇形机器人，主控制系统包括顺次连接的数据接收装置、数据融合处理装置和数据发送装置；蛇体的十自由度传感器包括并排固定在蛇身内部的三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计；三轴加速度计、三轴陀螺仪以及三轴磁力计的输出端均与主控制系统的数据接收装置的输入端相连接，并且数据发送装置的输出端与八路舵机控制器的输入端相连接。三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计将获得的加速度信息和俯仰角信息输出给数据接收装置，经过数据接收装置转换后，输入给数据融合处理装置进行融合，融合后的输出数据通过数据发送装置进入八路舵机控制器，经八路舵机控制器处理后，控制舵机运动，实现对蛇体的闭环控制。传感器组以及温湿度传感器组包括测距传感器、压力传感器、温湿度传感器等。测距传感器、压力传感器、温湿度传感器将获得的蛇体周围的环境情况，输出给数据接收装置，经过数据接收装置调理和转换后，输入给从控制系统分析模块判断蛇体的周围的环境情况。

如图2-3所示，本发明提供的一种蛇形机器人，主控制系统和从控制系统构成的主从控制系统包括依次连接的整流器、滤波器、制动器、ATmega1281(单片机系统)、信号采集单元、模拟运算器以及双核处理器，整流器的输出端通过辅助电源与双核处理器的输入端相连接，双核处理器的输出端与ATmega1281(单片机系统)的控制端相连接；(单片机系统)的输出端与舵机控制器的输入端相连接；主从控制系统还包括连接在双核处理器的输入端的保护电路以及连接在双核处理器的输出端的显示器和远程通讯装置，其中，远程通讯装置包括分别接入以太网和CAN网络的Internet通讯单元和CAN通讯单元。以双核处理器为核心的OMAP5432负责处理蛇形机器人的所有需要数据处理的信息；作为ARM控制核心主要用于视频采集压缩编码与预处理和采用扩展无线USB网卡的方式与地面监控站进行无线通讯；作为DSP核主要用于关节运动控制算法的实现、采样视频信息的处理以及针对传感器组的数据进行信息融合，姿态估计和规划运动路径，并将规划结果通过CAN总线发送出去。其中，双核处理器为OMAP5432双核处理器，单片机系统为嵌入式AVR单片机系统(ATmega1281)。

主从控制系统采用多级控制模式，主控制系统发给从控制系统的舵机控制命令，从控制系统传给主控制系统的舵机位置反馈信息，传感器组传给主控制系统的检测信息。监控级主要对蛇形机器人的运动和操作手的状态进行全面地监控，在必要时通过无线局域网向蛇形机器人的操作手发出强制性的控制指令，以确保蛇形机器人及操作手的安全；主控制系统的OMAP5432双核处理器是机器人的控制核心，主要完成对传感器的信息融合，运动规划，图像采集编码，图像处理以及模式识别算法的实现，其丰富的多媒体功能大大满足前述要求；从控制系统主要实现解码控制变量以及舵机的反馈控制。采用多级分布式的控制方式可以减轻主控制器繁重的计算处理任务，将次要的任务分配到其它的处理器中，便于优化系统性能，有利于提高系统的实时性。

本发明提供的一种蛇形机器人，操作手安装在蛇头外壳前端；数据接收装置、数据融合处理装置和数据发送装置安装在蛇头外壳后端，传感器安装在蛇头关节公头的外侧，无线摄像头安装在蛇头关节公头的内侧。

本发明提供的一种蛇形机器人，蛇体包括至少一段蛇身4且相邻蛇身之间均安装有两套万向节。蛇身采用聚碳酸酯材料制成。每段蛇身均由多个刚性关节和多个柔性关节交替连接组成，其中，刚性关节均由蛇身壳体、两个蛇身关节母头和两个铝合金固定片构成，两个蛇身关节母头分别固定在蛇身壳体的两端，铝合金固定片对称固定在蛇身关节母头内侧；柔性关节均由钢丝软管、正交舵机组和两个蛇身关节公头构成，两个蛇身关节公头分别固定在钢丝软管的两端，正交舵机组置于钢丝软管内并固定在蛇身关节公头内侧。

本发明提供的一种蛇形机器人，所述舵机组为正交舵机组，其包括两个舵机、一个旋转扭架、一个舵机支架以及两个M型支架；两个舵机的前端分别固定在舵机支架和旋转扭架上，两个舵机的后端均与一个M型支架连接，且两个M型支架正交连接。

本发明提供的一种蛇形机器人，电源装置包括电池组和太阳能充电装置，太阳能充电装置包括升压器和八块柔性太阳能电池板，其中，八块柔性太阳能电池板、升压器以及电池组依次串联连接。

本发明提供的一种蛇形机器人，可拆卸抓手控制器包括机械抓手套、轴轮扭梁、舵机驱动器以及舵机主固定板。

如图4所示，示出了本发明所述的操作手的工作状态控制流程示意图。操作手依靠将导航传感器、压力传感器和姿态估计的结果等信息融合后而进行自主运动规划，在运动规划的过程中还结合距离最小化最优控制，而监控级能够直接对操作手的运动轨迹进行干预控制，这样可以在某些传感器失灵或其他危急时刻实行对机器人的遥测遥控，以保障操作手的安全，主控制器将运动规划的结果以一种控制变量的形式通过CAN总线传递给副控级，从控制器将被控变量进行分解后得出舵机的运动周期和运动角度信息，并转化成相应的PWM信号驱动舵机控制操作手实现规划的运动。

如图5所示，示出了为本发明所述的操作手的电机连接示意图。上述的操作手采用α钛合金材料，由模块壳体9、连接内环10、大锥齿轮5和小锥齿轮6等组成。大锥齿轮与连接内环固结，舵机固定在电机固定板7上，电机固定板与模块壳体固定连接，因此电机8的输出力矩通过小锥齿轮直接传递给大锥齿轮，来实现蛇形机器人操作手的万向运动，同时，α钛合金材料的柔性材质，保证了操作手提及的自由缩放。可收缩进入狭窄缝隙，切割并抓取、吸取各类微小颗粒，实现了医学治疗中的精细治疗，以及军事领域、救灾现场等缜密处理。本发明设计的是一种操作手万向自由度模块，每个自由度都具有单独的驱动和控制系统，将两套万向节连接处进一步缩短，并将连接轴处的连接件放大，转变为十字轴万向节变形。动力输出轴斜交放置，使得蛇体操作手轴连接紧致，所以使用图中齿轮来传递平行轴间的转动，将并不正交的轴线转化为正交轴线。该两自由度由以下部分组成：电机固定板、控制单元、模块壳体、连接内环、大锥齿轮、小锥齿轮等。大锥齿轮与连接内环固结，电机固结大锥齿轮，来实现蛇形机器人的万向运动。控制单元主要由电机和电路控制板组成，每个电路控制板控制两台电机，但电机之间的控制程序是相对独立的。在这些结构中电机固定板、大锥齿轮、小锥齿轮需要硬度大、不易变形的材质，选择合金钢材料；模块外壳、连接环对硬度要求相对较低，选择铝合金材料。实现了十字轴万向节扭梁式蛇形机器人操作手的设计。这种万向节扭梁机构的优点在于4个动力输出轴即为蛇形机器人操作手运动所必须的2个斜交轴，这样斜交轴在同一个平面内，每个体节均具有6个自由度，完全斜交的特点省去了单体节式相邻连接正交时的体节偏差，使控制更加简便和准确，而且要实现同样的运动和自由度这种结构省去了一半的体节。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种蛇形机器人，包括蛇头、蛇体以及蛇尾，其特征在于，蛇头包括蛇头外壳以及固定在蛇头外壳尾端的关节公头，蛇头外壳内部安装有主控制系统、伺服驱动器、操作手以及扭梁关节，关节公头上安装有无线针孔摄像头和传感器组；蛇体前端、后端均安装有关节母头；蛇体内安装有从控制系统、舵机控制器、舵机组、十自由度传感器、八路舵机控制器、电源装置以及温湿度传感器组；蛇尾包括蛇尾外壳以及固定在蛇尾外壳前端的关节公头，关节公头内部安装有可拆卸抓手控制器；

蛇头、蛇体与蛇尾通过关节公头与关节母头的插接顺次连接；主控制系统和从控制系统通信连接。

2.根据权利要求1所述的蛇形机器人，其特征在于，主控制系统包括顺次连接的数据接收装置、数据融合处理装置和数据发送装置；蛇体的十自由度传感器包括并排固定在蛇身内部的三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计；三轴加速度计、三轴陀螺仪以及三轴磁力计的输出端均与主控制系统的数据接收装置的输入端相连接，并且数据发送装置的输出端与八路舵机控制器的输入端相连接。

3.根据权利要求1所述的蛇形机器人，其特征在于，主控制系统和从控制系统构成的主从控制系统包括依次连接的整流器、滤波器、制动器、单片机系统、信号采集单元、模拟运算器以及双核处理器，整流器的输出端通过辅助电源与双核处理器的输入端相连接，双核处理器的输出端与单片机系统的控制端相连接；单片机系统的输出端与舵机控制器的输入端相连接；主从控制系统还包括连接在双核处理器的输入端的保护电路以及连接在双核处理器的输出端的显示器和远程通讯装置，其中，远程通讯装置包括分别接入以太网和CAN网络的Internet通讯单元和CAN通讯单元。

4.根据权利要求1所述的蛇形机器人，其特征在于，操作手安装在蛇头外壳前端；数据接收装置、数据融合处理装置和数据发送装置均安装在蛇头外壳后端，传感器组安装在蛇头的关节公头的外侧，无线摄像头安装在蛇头的关节公头的内侧。

5.根据权利要求1所述的蛇形机器人，其特征在于，蛇体包括至少一段蛇身且相邻蛇身之间均安装有两套万向节。

6.根据权利要求5所述的蛇形机器人，其特征在于，每段蛇身均由多个刚性关节和多个柔性关节交替连接组成，其中，刚性关节均由蛇身壳体、两个蛇身关节母头和两个铝合金固定片构成，两个蛇身关节母头分别固定在蛇身壳体的两端，铝合金固定片对称固定在蛇身关节母头内侧；柔性关节均由钢丝软管、正交舵机组和两个蛇身关节公头构成，两个蛇身关节公头分别固定在钢丝软管的两端，正交舵机组置于钢丝软管内并固定在蛇身关节公头内侧。

7.根据权利要求1所述的蛇形机器人，其特征在于，舵机组为正交舵机组，其包括两个舵机、一个旋转扭架、一个舵机支架以及两个M型支架；两个舵机的前端分别固定在舵机支架和旋转扭架上，两个舵机的后端均与一个M型支架连接，且两个M型支架正交连接。

8.根据权利要求1所述的蛇形机器人，其特征在于，电源装置包括电池组和太阳能充电装置，太阳能充电装置包括升压器和八块柔性太阳能电池板，其中，八块柔性太阳能电池板、升压器以及电池组依次串联连接。

9.根据权利要求1所述的蛇形机器人，其特征在于，可拆卸抓手控制器包括机械抓手套、轴轮扭梁、舵机驱动器以及舵机主固定板。