CN105549592B - 一种具有容错控制的智能球形机器人及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有容错控制的智能球形机器人及其控制方法，包括上半球面和下半球面，上半球面和下半球面分别均匀开设分成六个扇形的上机械足和下机械足，还包括一支撑板，所述支撑板上端沿周侧等间隔固定六个分别于上机械足电连的上舵机；下机械足分别经一连杆机构驱动，连杆机构包括与所述支撑板转动连接的第一活动杆、与第一活动杆转动连接的第二活动杆和第二活动杆转动连接的第三活动杆，第三活动杆还分别与下机械足固定连接；第一、第二和第三活动杆各自经一下舵机驱动，上舵机和下舵机经一控制电路板控制；支撑板上还设有与控制电路板电连接的角度传感器。本发明的有益效果在于：采用上、下半球面的分割结构，控制灵活，可实现功能强大。
Description
技术领域
本发明涉及机器人控制领域，尤其涉及一种具有容错控制的智能球形机器人及其控制方法。
背景技术
随着现代科学技术的不断进步和发展，智能机器人领域的研究也取的了迅猛的发展。目前，国内外就有很多球形机器人的成功设计，而且他们的驱动结构多种多样。经过调查发现，现有的设计大多是整体外形采用球形的设计结构，而通过内部各种不同的驱动结构来完成对其运动的控制。但是，从他们所采取的设计方案和所达成的效果来分析都存在着以下三个问题：
（1）这种设计只是达到了球状外形的设计，并没有完全体现出球形在实际应用中应该拥有的优势，而且还失去了普通机器人通过肢体动作来完成一些任务的灵活性。
（2）众所周知，机器人在实际生活中应具有帮助人们来完成一些困难和复杂任务的功能，而这种整体球形的设计不具有机械操作能力，因而显得更加不灵活。
（3）现有的机器人由于设计的整体性过于局限而导致不能自动识别自身故障，而在部件受损时失去运动能力。以上问题都严重影响了球形机器人在实际生活中的实用价值和智能化。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种具有容错控制的智能球形机器人及其控制方法，实现机器人的智能化和灵活性。
本发明解决技术问题所采用的方案是：一种具有容错控制的智能球形机器人，包括两相互配合的上半球面和下半球面，所述上半球面和下半球面上下围合成一球形；所述上半球面和下半球面分别均匀开设分成六个扇形的上机械足和下机械足，六个上机械足和六个下机械足一一对应；还包括一固定于所述上半球面和下半球面之间且呈环形的支撑板，所述支撑板上端沿周侧等间隔固定六个分别于所述上机械足电连的上舵机；所述下机械足分别经一连杆机构驱动，所述连杆机构包括与所述支撑板转动连接的第一活动杆、与所述第一活动杆转动连接的第二活动杆和所述第二活动杆转动连接的第三活动杆，所述第三活动杆还分别与所述下机械足固定连接；所述第一活动杆、第二活动杆和第三活动杆各自经一下舵机驱动，所述上舵机和下舵机经一设置于所述支撑板上的控制电路板控制；所述支撑板上还设有一用于测量上半球面倾斜角度且与所述控制电路板电连接的角度传感器。
进一步的，所述控制电路板包括一控制单元、与所述控制单元电连的无线通讯模块和电流检测模块，所述角度传感器与所述控制单元电连。
进一步的，所述控制单元分别经与舵机驱动电路与所述上舵机和下舵机相连。
进一步的，所述下机械足的底部还分别固定有一压力传感器，所述压力传感器与所述控制单元电连。
进一步的，所述压力传感器的型号为微型称重测力传感器DJWX-21。
进一步的，还包括一电源模块，所述电源模块为航模锂电池供电，所述锂电池经稳压模块与所述控制单元、角度传感器、压力传感器、无线通讯模块和电流检测模块电连。
进一步的，所述角度传感器的型号为MPU6050。
本发明还提供一种如上述所述的具有容错控制的智能球形机器人的控制方法，包括以下步骤：
步骤S0：将支撑板固定于上半球面、下半球面之间，所述上半球面和下半球面上下围合成一球形；
步骤S1：接通电源，通过控制电路板驱动上舵机和下舵机，使得上半球面的六个上机械足处于收拢状态，并且收拢呈一半球面，下半球面的六个下机械足伸展处于站立状态；
步骤S2: 通过无线通讯模块控制上半球面的六个上机械足处于伸展状态，经一角度传感器自动开启角度检测并实时反馈给控制电路板中的控制单元来调节下半球面六个下机械足的姿态保证上半球面的六个上机械足伸展形成的托举平面处于水平；
步骤S3：继续保持上半球面的六个上机械足处于伸展状态，通过驱动下半球面的下机械足，通过一电流检测模块实时检测各下机械足的工作电流，并将检测得到的各个下机械足的工作电流反馈至控制电路板中的控制单元，通过控制单元控制下舵机对六个下机械足进行姿态调整；
步骤S4：通过无线通讯模块控制各个下机械足前进的方向和速度，经位于下机械足底部的压力传感器，以及角度检测传感器和电流检测模块和控制单元构成反馈控制系统；
步骤S5：将反馈控制系统所获取的数据信号通过无线通讯模块传输给外部操控中心。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明采用上、下半球面分割控制结构来分别完成水平托举平台的实现和六脚姿态行走的设计结构，姿态控制准确，控制灵活，可实现功能强大。通过上半球面的六个上机械足展开形成水平托举平台，通过下半球面的六个下机械足形成六角姿态行走，通过下舵机配合驱动下机械足的多自由度的转动，使得六个上机械足形成的水平托举平台处于水平状态。通过压力感应传感器来检测下机械足与地面的接触并进行信号的实时反馈控制，从而实现机器人的稳定运行控制，控制准确，保证运行的稳定性高。通过角度传感器来检测机器人的水平托举平台的角度并实时进行信号反馈，通过运行姿态的调整，从而保证托举平台一直处于水平状态。
本发明整体外型采用球形设计结构可以更好的实现该机器人能够适应各种复杂的工作环境，即可以实现六足稳定行走，在特殊的环境中又可以实现滚动运行，结构灵活，控制方便。本发明采用电流异常检测模块来检测通过个肢体自由度的电流异常情况来判断各自由度工作状态，检查故障。本发明采用无线通讯模块进行数据信息传输，可以实现特殊环境的远程遥控，又可以实现采集数据的无线传输，方便机器人特殊功能的实现。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为本发明实施例的机器人的外部机构示意图。
图2为本发明实施例的机器人的内部机构示意图。
图3为本发明实施例的下机械足的结构示意图。
图4为本发明实施例的电路控制结构图。
图中：1-上半球面；10-上机械足；2-下半球面；20-下机械足；3-支撑板；4-连杆机构；40-第一活动杆；41-第二活动杆；42-第三活动杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1～4所示，一种具有容错控制的智能球形机器人，包括两相互配合的上半球面1和下半球面2，所述上半球面1和下半球面2上下围合成一球形；所述上半球面1和下半球面2分别均匀开设分成六个扇形的上机械足10和下机械足20，六个上机械足10和六个下机械足20一一对应；还包括一固定于所述上半球面1和下半球面2之间且呈环形的支撑板3，所述支撑板3上端沿周侧等间隔固定六个分别于所述上机械足10电连的上舵机；所述下机械足20分别经一连杆机构4驱动，所述连杆机构4包括与所述支撑板3转动连接的第一活动杆40、与所述第一活动杆40转动连接的第二活动杆41和所述第二活动杆41转动连接的第三活动杆42，所述第三活动杆42还分别与所述下机械足20固定连接；所述第一活动杆40、第二活动杆41和第三活动杆42各自经一下舵机驱动，所述上舵机和下舵机经一设置于所述支撑板3上的控制电路板控制；所述支撑板3上还设有一用于测量上半球面1倾斜角度且与所述控制电路板电连接的角度传感器。
从上述可知，本发明的有益效果在于：发明采用上、下半球面2分割控制结构来分别完成水平托举平台的实现和六脚姿态行走的设计结构，姿态控制准确，控制灵活，可实现功能强大。通过上半球面1的六个上机械足10展开形成水平托举平台，通过下半球面2的六个下机械足20形成六角姿态行走，通过下舵机配合驱动下机械足20的多自由度的转动，使得六个上机械足10形成的水平托举平台处于水平状态。通过压力感应传感器来检测下机械足20与地面的接触并进行信号的实时反馈控制，从而实现机器人的稳定运行控制，控制准确，保证运行的稳定性高。通过角度传感器来检测机器人的水平托举平台的角度并实时进行信号反馈，通过运行姿态的调整，从而保证托举平台一直处于水平状态。
在本实施例中，所述控制电路板包括一控制单元、与所述控制单元电连的无线通讯模块和电流检测模块，所述角度传感器与所述控制单元电连。
在本实施例中，所述控制单元分别经与舵机驱动电路与所述上舵机和下舵机相连。
在本实施例中，所述下机械足20的底部还分别固定有一压力传感器，所述压力传感器与所述控制单元电连。
在本实施例中，所述压力传感器的型号为微型称重测力传感器DJWX-21。
在本实施例中，还包括一电源模块，所述电源模块为航模锂电池供电，所述锂电池经稳压模块与所述控制单元、角度传感器、压力传感器、无线通讯模块和电流检测模块电连。压力传感器为微型称重测力传感器DJWX-21，该传感器外形尺寸微小，将压力传感器固定于下机械足20的底部作为接触检测模块，不会影响整体结构的设计，体积小，精度高，方便控制。
本发明采用的电流检测模块是WCS2202霍尔电流传感器，该传感器采集频率高，信号采集准确，精度高，体积小，使用方便。
本发明采用的无线通讯模块为蓝牙模块，该模块可实现远距离数据的稳定传输，用于机器人远程控制的信号传输和采集的数据传输，传输稳定，体积小，控制方法简易。
在本实施例中，所述角度传感器的型号为MPU6050。所述角度传感器是全球首例整合性6轴运动处理组件MPU6050，免除了组合陀螺仪和加速度计轴间差的问题，角度数据采集精度高，体积小，性能高。
本发明还提供一种如上述所述的具有容错控制的智能球形机器人的控制方法，包括以下步骤：
步骤S0：将支撑板3固定于上半球面1、下半球面2之间，所述上半球面1和下半球面2上下围合成一球形；
步骤S1：接通电源，通过控制电路板驱动上舵机和下舵机，使得上半球面1的六个上机械足10处于收拢状态，并且收拢呈一半球面，下半球面2的六个下机械足20伸展处于站立状态；
步骤S2: 通过无线通讯模块控制上半球面1的六个上机械足10处于伸展状态，经一角度传感器自动开启角度检测并实时反馈给控制电路板中的控制单元来调节下半球面2六个下机械足20的姿态保证上半球面1的六个上机械足10伸展形成的托举平面处于水平；
步骤S3：继续保持上半球面1的六个上机械足10处于伸展状态，通过驱动下半球面2的下机械足20，通过一电流检测模块实时检测各下机械足20的工作电流，并将检测得到的各个下机械足20的工作电流反馈至控制电路板中的控制单元，通过控制单元控制下舵机对六个下机械足20进行姿态调整；
步骤S4：通过无线通讯模块控制各个下机械足20前进的方向和速度，经位于下机械足20底部的压力传感器，以及角度检测传感器和电流检测模块和控制单元构成反馈控制系统；
步骤S5：将反馈控制系统所获取的数据信号通过无线通讯模块传输给外部操控中心。
在特殊环境，需要机器人滚动运行的时候，可以远程控制机器人上半球面1和下半球面2收拢，并且在滚动过程中通过控制上机械足10顶角和下机械足20底脚的快速摆动来实现滚动方向的控制。
综上所述，本发明采用上、下半球面分割控制结构来分别完成水平托举平台的实现和六脚姿态行走的设计结构，姿态控制准确，控制灵活，可实现功能强大。
本发明提供的上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，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，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具有容错控制的智能球形机器人，其特征在于：包括两相互配合的上半球面和下半球面，所述上半球面和下半球面上下围合成一球形；所述上半球面和下半球面分别均匀开设分成六个扇形的上机械足和下机械足，六个上机械足和六个下机械足一一对应；还包括一固定于所述上半球面和下半球面之间且呈环形的支撑板，所述支撑板上端沿周侧等间隔固定六个分别于所述上机械足电连的上舵机；所述下机械足分别经一连杆机构驱动，所述连杆机构包括与所述支撑板转动连接的第一活动杆、与所述第一活动杆转动连接的第二活动杆和所述第二活动杆转动连接的第三活动杆，所述第三活动杆还分别与所述下机械足固定连接；所述第一活动杆、第二活动杆和第三活动杆各自经一下舵机驱动，所述上舵机和下舵机经一设置于所述支撑板上的控制电路板控制；所述支撑板上还设有一用于测量上半球面倾斜角度且与所述控制电路板电连接的角度传感器；所述的具有容错控制的智能球形机器人的控制方法，包括以下步骤：
步骤S0：将支撑板固定于上半球面、下半球面之间，所述上半球面和下半球面上下围合成一球形；
步骤S1：接通电源，通过控制电路板驱动上舵机和下舵机，使得上半球面的六个上机械足处于收拢状态，并且收拢呈一半球面，下半球面的六个下机械足伸展处于站立状态；
步骤S2: 通过无线通讯模块控制上半球面的六个上机械足处于伸展状态，经一角度传感器自动开启角度检测并实时反馈给控制电路板中的控制单元来调节下半球面六个下机械足的姿态保证上半球面的六个上机械足伸展形成的托举平面处于水平；
步骤S3：继续保持上半球面的六个上机械足处于伸展状态，通过驱动下半球面的下机械足，通过一电流检测模块实时检测各下机械足的工作电流，并将检测得到的各个下机械足的工作电流反馈至控制电路板中的控制单元，通过控制单元控制下舵机对六个下机械足进行姿态调整；
步骤S4：通过无线通讯模块控制各个下机械足前进的方向和速度，经位于下机械足底部的压力传感器，以及角度检测传感器和电流检测模块和控制单元构成反馈控制系统；
步骤S5：将反馈控制系统所获取的数据信号通过无线蓝牙传输模块传输给外部操控中心。
2.根据权利要求1所述的一种具有容错控制的智能球形机器人，其特征在于：所述控制电路板包括一控制单元、与所述控制单元电连的无线通讯模块和电流检测模块，所述角度传感器与所述控制单元电连。
3.根据权利要求2所述的一种具有容错控制的智能球形机器人，其特征在于：所述控制单元分别经与舵机驱动电路与所述上舵机和下舵机相连。
4.根据权利要求2所述的一种具有容错控制的智能球形机器人，其特征在于：所述下机械足的底部还分别固定有一压力传感器，所述压力传感器与所述控制单元电连。
5.根据权利要求4所述的一种具有容错控制的智能球形机器人，其特征在于：所述压力传感器的型号为微型称重测力传感器DJWX-21。
6.根据权利要求4所述的一种具有容错控制的智能球形机器人，其特征在于：还包括一电源模块，所述电源模块为航模锂电池供电，所述锂电池经稳压模块与所述控制单元、角度传感器、压力传感器、无线通讯模块和电流检测模块电连。
7.根据权利要求1所述的一种具有容错控制的智能球形机器人，其特征在于：所述角度传感器的型号为MPU6050。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20160504 Assignee: Fuzhou Lingdaoyi Education Technology Co.,Ltd. Assignor: FUZHOU University Contract record no.: X2023350000365 Denomination of invention: An intelligent spherical robot with fault-tolerant control and its control method Granted publication date: 20180320 License type: Exclusive License Record date: 20230928 |