CN107914789A - 移动终端控制的智能仿生步行机器人 - Google Patents

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梁美彦
王昱
孟坚磊
曹康轩
李波
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62DMOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D57/00Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
    • B62D57/032Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members with alternately or sequentially lifted supporting base and legs; with alternately or sequentially lifted feet or skid
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/02Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/021Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles
    • G05D1/0255Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using acoustic signals, e.g. ultra-sonic singals

Abstract

本发明提供一种移动终端控制的智能仿生步行机器人,属于机器人领域。机器人躯干由相互平行的两个六边形金属板组成;六个机械腿分别与六边形六个顶点连;基关节舵机两端固定于两个金属板间;基节一端与基关节舵机连,基节另一端与股关节舵机连;股节一端与股关节舵机连,股节另一端与胫关节舵机连,胫节一端与胫关节舵机连,胫节另一端与足部连;控制模块设于上层金属板上;无线通信模块设于上层金属板上,无线通信模块与控制模块连;电源模块设于两个金属板间,且电源模块与控制模块连;电源开关设于上层金属板上,且电源开关与电源模块连;基关节舵机、股关节舵机和胫关节舵机还分别与控制模块连;移动终端控制系统与无线通信模块远程无线连。

Description

移动终端控制的智能仿生步行机器人
技术领域
[0001]本发明涉及仿生步行机器人技术领域,尤其涉及一种移动终端控制的智能仿生步 行机器人。
背景技术
[0002]在空间探测、矿山开采、地震救灾以及开展放射性科学实验等特殊环境下,地面条 件往往崎岖不平,复杂而非结构化的地形严重威胁人类安全。这种条件下,经常需要使用机 器人代替人类来从事一些活动。
[0003]目前在这些环境条件下,通常使用轮式机器人或履带式机器人。在操控轮式机器 人或履带式机器人时,通常使用上位机或手柄实现。
[0004]然而,由于轮式机器人或履带式机器人的重心颠簸严重,在应用于复杂而非结构 化的地形时,不仅会受到诸多限制,不便于大规模制造,而且由于行动不便,容易导致处理 问题效率低。另外,操控机器人通过手柄或者上位机直接控制,不仅使得控制程序的可移植 性比较差,而且手柄或上位机容易损坏,导致维护成本比较高。
发明内容
[0005]本发明的目的是解决目前的轮式机器人或履带式机器人在使用时不便于大规模 制造、处理问题效率低、可移植性比较差、维护成本比较高及不适于在非结构化的地形应用 的技术问题,提供一种移动终端控制的智能仿生步行机器人。
[0006] 为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
[0007] 一种移动终端控制的智能仿生步行机器人,包括机器人躯千、六个机械腿、机身控 制系统和移动终端控制系统,每个机械腿包括基关节舵机、基节、股关节舵机、股节、胫关节 舵机、胫节和足部,所述机身控制系统包括控制模块、无线通信模块电源模块和电源开关; 所述机器人躯千由相互平行的两个六边形的金属板组成,且两个金属板之间通过螺丝固定 连接;六个机械腿分别与六边形的六个顶点连接;每个机械腿的基关节舵机的两端分别固 定于两个金属板之间;基节的一端与基关节舵机转动连接,基节的另一端与股关节舵机转 动连接;股节的一端与股关节舵机转动连接,股节的另一端与胫关节舵机转动连接,胫节的 一端与胫关节舵机转动连接,胫节的另一端与足部固定连接;控制模块设置于机器人躯干 的上层金属板上;无线通信模块设置于上层金属板上,无线通信模块与控制模块连接;电源 模块设置于两个金属板之间,且电源模块与控制模块连接;电源开关设置于上层金属板上, 且电源开关与电源模块连接;基关节舵机、股关节舵机和胫关节舵机还分别与控制模块连 接;移动终端控制系统与无线通信模块远程无线连接,移动终端控制系统用于通过无线通 信模块向控制模块发送控制指令,控制模块用于根据控制指令生成PWM脉冲信号后,通过 PWM控制信号驱动基关节舵机、股关节舵机和胫关节舵机中的至少一个动作。
[0008] 可选地,所述机身控制系统还包括超声波避障模块,超声波避障模块设置于上层 金属板的前端,超声波避障模块与控制模块连接;超声波避障模块用于测量机器人机身与 障碍物之间的距离,并将测量结果发送至控制模块;控制模块用于当根据测量结果确定机 器人机身与障碍物之间的距离小于预设距离阈值时,向基关节舵机、股关节舵机和胫关节 舵机发出中断指令,以停止机器人的当前动作。
[0009] 可选地,所述机身控制系统还包括视频采集模块和收发模块,收发模块分别与移 动终端控制系统、控制模块和视频采集模块连接,视频采集模块与控制模块连接,收发模块 用于接收移动终端控制系统发送的视频采集指令后,将视频采集指令发送至控制模块;控 制模块还用于根据视频采集指令控制视频采集模块采集现场视频数据;收发模块还用于将 视频采集模块采集的视频数据发送至移动终端控制系统进行显示。
[0010] 可选地,所述机身控制系统还包括低压报警模块,低压报警模块通过插针与电源 模块连接;低压报警模块用于实时检测电源模块的电压,且当检测到电源模块的电压小于 预设电压阈值时,发出报警信号。
[0011] 可选地,所述足部为半球形。
[0012] 可选地,所述电源模块包括可充电锂电池。
[0013] 可选地,所述无线通信模块为蓝牙模块。
[0014]可选地,所述控制模块控制基关节舵机、股关节舵机和胫关节舵机动作时形成的 步态为三角步态。
[0015] 本发明的有益效果是:
[0016]通过设置机器人包括机器人躯千和机械腿,提供一种足式仿生机器人,从而便于 应用于复杂而非结构化的地形,进而能够提高在这些环境中处理问题的效率,适于大规模 制造。通过设置移动终端控制系统、无线通信模块和控制系统,使得机器人的运动能够通过 无线终端控制,不仅使得控制程序的可移植性比较好,而且无需手柄等设备,维护成本比较 低。因此,与背景技术相比,本发明具有结构简单、能够适用于非结构化的复杂地形、适于大 规模制造、处理问题效率高、可移植性比较好及维护成本比较低等优点。
附图说明
[0017]图1是本发明的结构示意图。
[0018]图2是图1中机器人躯干的俯视图。
[0019]图3是图1中机身控制系统的组成结构及其与移动终端控制系统的连接关系示意 图。
具体实施方式
[0020]下面将结合附g和实施例对本发明作进一步地详细描述。
[0021]、如图1至图3所示,本实施例中的移动终端控制的智能仿生步行机器人包括机器人 躯、六个f械腿、机身控制系统和移动终端控制系统16,每个机械腿包括基关节舵机2、 基节3、股关它机4、股节5、胫关节舵机6、胫节7和足部8,所述机身控制系统包括控制模块 10、无线通伯模块11、电源模块14和电源开关所述机器人躯干丨由相互平行的两个六边 形的金属板组成,且两个金属板之间通过螺丝固定连接;六个机械腿分别与六边形的六个 顶点,接;每个机械腿的基关节舵机2的两端分别固定于两个金属板之间;基节3的一端与 基关节舵机2转动连接,基节3的另-端与股关节舵机4转动连接;股节5的一端与股关节舵 T儿4将按,版下5的另一牺与胫关13舵机6转动连接,胫节7的一端与胫关节舵机6转动连 接,胫节7的另一端与足部8固定连接;控制模块1〇通过铆钉固定于机器人躯干i的上层金属 板上;无线通信模块11设置于上层金属板上,无线通信模块丨丨与控制模块1〇连接;电源模块 14设置于两个金属板之间,且电源模块14与控制模块1〇通过整流电桥连接;电源开关17设 置于上层金属板上,且电源开关17与电源模块14连接;基关节舵机2、股关节舵机4和胫关节 舵机6还分别与控制模块10连接;移动终端控制系统16与无线通信模块^远程无线连接,移 动终端控制系统16用于通过无线通信模块11向控制模块10发送控制指令,控制模块10用于 根据控制指令生成PWM控制信号后,通过PWM脉冲信号驱动基关节舵机2、股关节舵机4和胫 关节航机6中的至少一个动作。
[0022]如图2所示,本发明中机器人躯干1与各机械腿之间整体构成椭圆形分布,该椭圆 形分布具有两大优势:其一是减少足间运动干涉的发生概率,其二是增加了机器人步行的 稳定性。
[0023]机器人的每条机械腿均由基节3、股节5和胫节7三个肢节构成,具有“躯干-基节” 关节、“基节-股节”关节、“股节-胫节”关节3个独立的旋转自由度,基关节舵机2、股关节舵 机4和胫关节舵机6被集中配置于躯干四周,可以减少肢体的转动惯量、增加机器人的运动 灵活性和整体刚度。控制模块10上的舵机控制端口与基关节舵机2、股关节舵机4和胫关节 舵机6共18个舵机用排线连接。控制模块10采用32路舵机控制板对18个舵机进行独立控制 的方式。在移动终端控制系统16和控制模块10的作用下,基节3、股节5和胫节7能够绕基关 节舵机2、股关节舵机4和胫关节舵机6做单自由度的旋转运动。其中,基关节舵机2、股关节 舵机4和胫关节舵机6可以采用HX1218D型数字舵机,该型号的舵机采用PWM脉冲信号控制。 其中,05ms的PWM脉冲信号可以控制它们的0-270°的转角范围,具有精度高、扭矩 大、反应灵敏,运行平稳而且线性度高等特点。
[°024] 移动终端控制系统16可以安装于安卓移动终端上。移动终端控制系统16的UI界面 上设置有多个控制按键,通过这些控制按键可以分别控制机器人的前进、后退、左转、右转、 爬楼梯、跳舞、归位和休息等功能,进而实现对机器人动作姿态和行为的控制。
[0025]电源模块14为蓄电池,其能提供的电压可以为7.4V。控制模块10板载有一块 Arduino芯片,该Arduino芯片的型号可以为ATmegal68芯片,通过对ATmegal68芯片的编程 可以实现机器人的控制和通信。
[0026]可选地,所述机身控制系统还包括超声波避障模块9,超声波避障模块9通过螺丝 或铆钉固定于上层金属板的前端,超声波避障模块9与控制模块10连接;超声波避障模块9 用于测量机器人机身与障碍物之间的距离,并将测量结果发送至控制模块1〇;控制模块10 用于当根据测量结果确定机器人机身与障碍物之间的距离小于预设距离阈值时,向基关节 舵机2、股关节舵机4和胫关节舵机6发出中断指令,以停止机器人的当前动作。
[0027]其中,超声波避障模块9与控制模块10上的I/O接口连接。超声波避障模块9通过超 声波测距原理实时测量机器人机身与障碍物之间的距离,且机器人机身与障碍物之间的距 离s = vt/2,其中,v表示超声波的速度,v的取值为340m/s,t表示发出超声波的时刻与接收 返回的超声波的时刻之间的差值。预设距离阈值可以根据需要设定,如将预设距离阈值设 置为30cm等。这种方式实现避障具有测距原理简单,可探测距离范围较大,价格低廉等特 点,适合广泛采用。
[0028]可选地,所述机身控制系统还包括视频采集模块12和收发模块13,收发模块13分 别与移动终端控制系统16、控制模块10和视频采集模块12连接,视频采集模块丨2与控制模 块10连接,收发模块13用于接收移动终端控制系统16发送的视频米集指令后,将视频采集 指令发送至控制模块10;控制模块10还用于根据视频采集指令控制视频采集模块12采集现 场视频数据;收发模块13还用于将视频采集模块12采集的视频数据发送至移动终端控制系 统16进行显示。通过设置视频采集模块I2和收发模块I3,使得移动终端控制系统16能够实 时获得机器人在步行过程中的视频画面。
[0029]可选地,所述机身控制系统还包括低压报警模块15,低压报警模块15通过插针与 电源模块14连接;低压报警模块15用于实时检测电源模块14的电压,且当检测到电源模块 14的电压小于预设电压阈值时,发出报警信号。通过设置低压报警模块15,可以及时发现电 源模块14供电不足的情况,避免系统中的舵机因供电不足而损坏。
[0030]可选地,所述足部8为半球形,以使得本发明在行走时受力更加均匀,步伐更加稳 定。
[0031]可选地,所述电源模块14包括可充电锂电池。具体地电源可以为7.4V可充电锂电 池,从而达到资源重复利用的效果,以节省成本。
[0032]可选地,所述无线通信模块11为蓝牙模块,g卩移动终端控制系统16与控制模块1〇 之间通过蓝牙通信。蓝牙模块可以采用HC-05芯片实现。蓝牙通信能够在一定距离范围内, 实现点对点的无线数据传输,具有抑制同频干扰、保证可靠传输、随机噪声影响小等特点。 [0033]可选地,所述控制模块10控制基关节舵机2、股关节舵机4和胫关节舵机6动作时形 成的步态为三角步态,即由机器人躯干1 一侧的前足、后足与另一侧中足构成两组足,交替 支撑摆动来实现机器人的稳定步行。机器人采用三角步态运动时的占空比为〇.5,即同一时 刻有三只机械腿接触地面,另三只机械腿离地,且三只机械腿离地和接触地面的时间相同。 这个占空比权衡了运动速度和稳定性。本发明通过将机器人的基关节舵机2、股关节舵机4 和胫关节舵机6的转动与三角步态相结合,不仅实现了机器人在非结构化地形情况下快速 稳定地步行,而且实现了原地转弯、跨越台阶等动作。
[0034]可选地,移动终端控制的智能仿生步行机器人还包括上位机,控制模块1〇可以从 上位机下载控制程序。其中,上位机通过USB串口与控制模块10连接。
[0035]本发明在使用时,打开电源开关I7给系统上电,控制模块10和无线通信模块11开 始工作,打开移动终端控制系统16,建立移动终端控制系统16与无线通信模块i丨之间的无 线连接,此时,用户即可通过移动终端控制系统16控制机器人开始工作。其中,移动终端控 制系统16的UI界面上预设有控制按键,当用户按下任一控制按键时,如前进按键时,即发送 对应的控制信号,该控制信号经无线通信模块U接收并转发至控制模块1〇,控制模块1〇产 生相应脉宽的PWM脉冲信号,通过PWM脉冲信号控制基关节舵机2、股关节舵机4和胫关节舵 机6旋转一定角度,机器人就可以实现相应的动作和步态。另外,系统上电后,超声波避障模 也开始工作,从而进行实时测距。进一步地,当用户通过移动终端控制系统16发送视频 采集指令时,该视频采集指令通过收发模块13发送至控制模块1〇,控制模块1〇控制视频采 集块I2采集视频数据,并将视频数据通过收发模块13发送至移动终端控制系统16。
[0036]另外,本发明还可以定义优先级,实现控制模块1〇对超声波避障模块9、无线通信 模块11、视频模块12的分时协调控制。具体地,可以定义超声波避障模块9的优先级最高,从 而当经超声波避障模块9测距确定前方存在障碍物时,能够及时停止机器人的动作,避免机 器人损坏。
[0037]以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制, 凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改,等同变化与修饰,均属于 本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1. 一种移动终端控制的智能仿生步行机器人,其特征在于,包括机器人躯干a)、六个 机械腿、机身控制系统和移动终端控制系统(16),每个机械腿包括基关节舵机(2)、基节 (3)、股关节舵机⑷、股节(5)、胫关节舵机(6)、胫节⑺和足部(8),所述机身控制系统包括 控制模块(10)、无线通信模块(11)、电源模块(14)和电源开关(17); 所述机器人躯干(1)由相互平行的两个六边形的金属板组成,且两个金属板之间通过 螺丝固定连接;六个机械腿分别与六边形的六个顶点连接;每个机械腿的基关节舵机⑵的 两端分别固定于两个金属板之间;基节⑶的一端与基关节舵机⑵转动连接,基节⑶的另 一端与股关节舵机⑷转动连接;股节⑸的一端与股关节舵机⑷转动连接,股节⑸的另 一端与胫关节舵机⑹转动连接,胫节⑺的一端与胫关节舵机⑹转动连接,胫节⑺的另 一端与足部(8)固定连接;控制模块(10)设置于机器人躯干(1)的上层金属板上;无线通信 模块(id设置于上层金属板上,无线通信模块a D与控制模块(10)连接;电源模块(14)设 置于两个金属板之间,且电源模块(14)与控制模块(10)连接;电源开关(17)设置于上层金 属板上,且电源开关(17)与电源模块(14)连接;基关节舵机(2)、股关节舵机⑷和胫关节舵 机⑹还分别与控制模块(10)连接;移动终端控制系统(16)与无线通信模块(U)远程无线 连接,移动终端控制系统(I6)用于通过无线通信模块(11)向控制模块(10)发送控制指令, 控制模块(10)用于根据控制指令生成PWM脉冲信号后,通过PWM控制信号驱动基关节舵机 (2)、股关节舵机(4)和胫关节舵机(6)中的至少一个动作。
2. 根据权利要求1所述的移动终端控制的智能仿生步行机器人,其特征在于,所述机身 控制系统还包括超声波避障模块(9),超声波避障模块(9)设置于上层金属板的前端,超声 波避障模块(9)与控制模块(10)连接;超声波避障模块⑼用于测量机器人机身与障碍物之 间的距离,并将测量结果发$至控制模块(10);控制模块(10)用于当根据测量结果确定机 器人机身与障碍物之间的距离小于预设距离阈值时,向基关节舵机(2)、股关节舵机(4)和 胫关节舵机¢)发出中断指令,以停止机器人的当前动作。
3.根据权利要求述的移动终端控制的智能仿生步行机器人,其特征在于,所述机身 控制系统还包括视频采集模块_(12)和收发模块(13),收发模块(13)分别与移动终端控制系 统(I6)、控制模块(10)和视频采集模块(12)连接,视频采集模块(12)与控制模块(10)连接, 收发模块(1¾用于接收移动终端控制系统(16)发送的视频采集指令后,将视频采集指令发 送至控制模块(10);控制模块(10)还用于根据视频采集指令控制视频采集模块(12)采集现 场视频数据;收发模块(13)还用于将视频采集模块(12)采集的视频数据发送至移动终端控 制系统(16)进行显示。
4.根据权利要求1所述的移动终端控制的智能仿生步行机器人,其特征在于,所述机身 控制系统还包括低压报警模块(15),低压报警模块(15)通过插针与电源模块(14)连接;低 压报警模块(I5)用于实时检测电源模块(14)的电压,且当检测到电源模块(14)的电压小于 预设电压阈值时,发出报警信号。
5.根据权利要求1所述的移动终端控制的智能仿生步行机器人,其特征在于,所述足部 ⑻为半球形。
6.根据权利要求1所述的移动终端控制的智能仿生步行机器人,其特征在于,所述电源 模块(14)包括可充电锂电池。
7.根据权利要求1所述的移动终端控制的智能仿生步行机器人,其特征在于,所述无线 通信模块(11)为蓝牙模块。
8.根据权利要求1所述的移动终端控制的智能仿生步行机器人,其特征在于,所述控制 模块(10)控制基关节舵机(2)、股关节舵机(4)和胫关节舵机(6)动作时形成的步态为三角 步态D
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