CN108858165A - 新型可重构蛇形机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，涉及新型可重构蛇形机器人及其控制方法。该机器人主要由结构部分和控制系统部分组成；结构部分主要由分离式从动轮、传动关节、可重构连接接口结构、定位装置和外部壳体组成，四者构成单节蛇身；强磁磁铁吸引前一节的端盖金属片后，锁紧卡针与前一节传动关节的固定支架的卡槽卡合，探针自动插入前一节的端盖的通孔；控制系统部分安装在盖板上，位于外部壳体的内部，并与探针相连；控制系统部分包括定位系统和运动控制系统。本发明采用的定位方法不受场地限制，运算速度快，制作成本低，并能保证定位精度；采用了基于新型控制算法的主从分布式控制器，便于蛇形机器人节数的扩展，适用于可重构蛇形机器人。

Description

新型可重构蛇形机器人及其控制方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及新型可重构蛇形机器人及其控制方法，是将新型的集机械臂与蛇形机器人功能于一体，能够实现蛇形机器人多种运动方式，能完成废墟救援等多种任务。

背景技术

可重构蛇形机器人作为一种特种机器人具有良好的非结构环境的适应性，尤其是利用障碍辅助运动，使得运动效率更高。王琪等利用事件驱动方法结合碰撞摩擦理论提出了一种对接触描述的方法。Matthew T.Mason等针对“kane动力学之谜”提出了一个更好的摩擦模型。而可重构模块机器人对任务和环境的适应能力更强，更具有柔性。

目前蛇形机器人的定位系统主要采用视觉定位，或人工辅助定位，其可以提供很高的定位精度，但定位成本高并大多数局限在有限的场地。传统的蛇形机器人的控制系统可采用集中式控制和分布式控制，集中式不利于可重构的设计，分布式控制主要采用CAN总线技术，其优势在于信号传输速度快，但需要专门的信号转换电路。

发明内容

为解决上述问题，本发明结合利用障碍辅助运动的蛇形机器人和可重构思想设计出一种新型的可重构蛇形机器人，相比于等制造的障碍辅助运动机器人，本发明能够充分的利用接触的效应，从而获得更好的适应性。同时，本发明在硬件上基于IIC的分布式控制，算法采用非线性卡尔曼滤波算法和神经网络辨识器，控制蛇形机器人运动。

本发明的技术方案：

新型可重构蛇形机器人，主要由结构部分和控制系统部分组成；

所述的结构部分主要由分离式从动轮、传动关节、可重构连接接口结构、定位装置和外部壳体组成；

所述的分离式从动轮，主要由轴承11、从动轮12、光轴13和外壳14组成；所述的光轴13上安装有从动轮12，两个光轴13的端部通过轴承11安装在外壳14的底部两端的内部；

所述的传动关节，主要由电机输出轴21、传动轴22、固定轴23、转动支架24、齿轮a1、齿轮b2、齿轮c3和固定齿轮4组成；所述的转动支架24，其上部为方块结构，下部为П型结构，П型结构的两个条形支柱的厚度不同，支柱a的顶部与方块结构固定连接，支柱b凸出，位于方块结构下方的外侧；支柱a上设有通孔，与固定轴23相配合，支柱a的外侧上设有一个圆环形结构；支柱b的外侧设有卡槽，滚动轴通过轴承安装在卡槽上，使得传动关节安装在单节外壳53上，且转动支架24绕滚动轴转动；方块结构的上端的侧面向内设有空槽，用于放置强磁磁铁31；两个转动支架24的圆环形结构相接触，相互抱紧，形成一体，两个方块结构的空槽相对；所述的固定轴23安装在两个转动支架24的下部，固定轴23的两端分别穿过支柱a的通孔，其中一端通过D型卡槽卡在支柱a的通孔上；所述的固定齿轮4安装在固定轴23上，位于两个圆环形结构中间的空隙中；所述的传动轴22位于转动支架24的下方，齿轮c3安装在传动轴22上，齿轮c3与固定齿轮4相互啮合；所述的齿轮b2安装在传动轴22的一端，齿轮b2的上部位于转动支架24的П型结构中间的空隙；所述的电机输出轴21位于齿轮b2的下方，齿轮a1安装在电机输出轴21上，齿轮a1与齿轮b2相互啮合；

所述的可重构连接接口结构，主要由强磁磁铁31、锁紧卡针32、探针33和固定支架34组成；所述的固定支架34，为下部开口、中空的方体结构，顶部设有四个通孔，与探针33相配合；所述的强磁磁铁31置于传动关节的方块结构的空槽中；固定支架34的端部固定在端盖51上，固定支架34的内壁上设有卡槽，固定支架34套在传动关节的方块结构上，二者之间留有空隙，传动关节的方块结构的侧壁上设有锁紧卡针32，与固定支架34的卡槽相配合，使二者稳固连接；固定支架34与传动关节的方块结构的上表面之间设有探针33，探针33的一端穿过固定支架34顶部的通孔；

所述的定位装置，位于两个从动轮12之间，主要由码盘41、读头42、传入齿轮43和传出齿轮44组成；所述的码盘41和传入齿轮43的中心安装在同一根轴上；所述的码盘41，上部安装有读头42，与一个光轴13上的齿轮相啮合，读头42用于读取出码盘41的相对旋转角度；所述的传出齿轮44安装在另一个光轴13的内侧的端部，传出齿轮44随从动轮12同轴转动，并与传入齿轮43相互啮合；

所述的外部壳体，主要由端盖51、盖板52和单节外壳53组成；传动关节水平放置在单节外壳53内，传动关节位于单节外壳53的前端，并通过滚动轴固定在单节外壳53上；分离式从动轮安装在单节外壳53的底部，位于传动关节的后方；所述的端盖51安装在单节外壳53的末端，端盖51上设有金属片；盖板52安装在单节外壳53的顶端；所述的端盖51上设有四个通孔，前一节可重构连接接口结构的探针33穿过端盖51上的通孔，使得探针33与蛇身的控制系统部分相连；单节外壳53上粘贴有压力传感器54；传动关节、分离式从动轮、可重构连接接口结构、定位装置与外部壳体构成单节蛇身；固定支架34的端部固定在端盖51上，强磁磁铁31吸引前一节的端盖51金属片后，锁紧卡针32与前一节传动关节的固定支架34的卡槽卡合，探针33自动插入前一节的端盖51的通孔；

所述的控制系统部分，安装在盖板52上，位于外部壳体的内部，并与探针相连33；控制系统部分包括定位系统和运动控制系统；

所述的定位系统，包括主控制器1-1、九轴加速度传感器1-2、增量式光电编码器1-3和GPS模块1-4；

所述的主控制器1-1与IIC总线1-8的SAD和SCLK两条线路相连；所述的九轴加速度传感器1-2、增量式光电编码器1-3和GPS模块1-4，分别与主控制器1-1连接；九轴加速度传感器1-2用于测量当前蛇首运行方向；增量式光电编码器1-3用于测量蛇首从动轮的旋转角度，进而推算当前运行路径，结合九轴加速度传感器1-2的测量信息计算出当前的位置，基于动力学方程使用卡尔曼滤波器，计算机器人质心位置；GPS1-4模块接收信号的同时，对长时间的累计误差限幅；

所述的运动控制系统，包括从控制器1-5、驱动板1-6、编码器减速直流电机1-7和IIC总线1-8，并与定位系统共用一个主控制器1-1；

所述的从控制器1-5、驱动板1-6与编码器减速直流电机1-7顺次连接，共两组，从控制器1-5的另一端分别与IIC总线1-8的两条线路相连；采用基于IIC通讯1-8的主从分布式控制方式，主控制器1-1接收上位机的控制指令，并进行定位系统运算，然后向从控制器发送定位信息和控制指令；在从控制器1-5上为基于神经网络辨识器的控制算法，从控制器1-5做控制率运算，输出PWM信号，PWM信号经过H桥驱动电路驱动减速电机转动并跟踪转角。

所述的从动轮12为橡胶轮。

所述的转动支架24的内部设有减重孔。

新型可重构蛇形机器人的控制方法，具体步骤如下：

步骤201，接收上位机发送的射频运动指令信号，解析配对运动模式，若指令信号为运动，则进入步骤202，若指令信号为停止，则进入步骤204；

步骤202，向九轴加速度传感器请求姿态、方向信息，向从控制器请求关节角度信息，并在主控制器上获取蛇首从动轮角度信息，然后进入步骤203；

在步骤203，在主控制器上基于卡尔曼滤波算法，结合蛇形机器人动力学方程计算得到高精度的蛇形机器人质心位置和运动方向信息；当长时间持续定位时，使用GPS信号限制误差的无限发散，进入步骤204；

步骤204，判断指令信号，若指令信号为运动，则进入步骤205，若指令信号为停止，则进入步骤207；

步骤205，通过IIC通讯发送步骤203计算出的位置和方向信息到从控制器，进入步骤206；

步骤206，在从控制器中结合串级控制策略，采用神经网络辨识器，计算控制率，输出PWM波，进入步骤208；

步骤207，接受到停止指令，将PWM占空比置0，同时输出两路高电平到H桥路对应的电机正负极，对电机刹车，蛇形机器人运动停止；

步骤208，接受PWM值，通过H桥路驱动电机转动；

步骤209，通过上位机指令或运行时间判断运动是否停止，是，则结束，否，则返回步骤201。

本发明的有益效果：

(1)分离式从动轮的作用是能够使两个从动轮独立运动，使其各自跟随整体被动滚动。轮轴处连有齿轮，采用增量式光电编码器测量从动轮的旋转角度；

(2)传动关节包括动力传递和防缠绕设计；

(3)可重构连接接口，方便可重构模块连接；

(4)行星轮系运动，保证可重构蛇形机器人正常传动的同时拥有更大范围的摆动角度；

(5)矩形的外形，保证接触的连续性和接触位置的可规划；

(6)采用的定位方法不受场地限制，运算速度快，制作成本低，并能保证定位精度；

(7)采用了基于新型控制算法的主从分布式控制器，便于蛇形机器人节数的扩展，适用于可重构蛇形机器人。

附图说明

图1是分离式从动轮结构的剖视图；

图2(a)是传动关节的剖视图；

图2(b)是传动关节的左视图；

图3(a)是可重构连接接口结构的示意图；

图3(b)是可重构连接接口结构的局部放大示意图；

图4是定位装置的示意图；

图5是单节蛇身构型的示意图；

图6是可重构蛇形机器人的整体构型的示意图；

图7是控制系统装置的示意图；

图8是控制系统的流程示意图。

图中：1齿轮a；2齿轮b；3齿轮c；4固定齿轮；

11轴承；12从动轮；13光轴；14外壳；

21电机输出轴；22传动轴；23固定轴；24转动支架；

31强磁磁铁；32锁紧卡针；33探针；34固定支架；

41码盘；42读头；43传入齿轮；44传出齿轮；

51端盖；52盖板；53单节外壳；54压力传感器；

1-1主控制器；1-2九轴加速度传感器；1-3增量式光电编码器；

1-4GPS模块；1-5从控制器；1-6驱动板；1-7编码器减速直流电机；

1-8IIC总线。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

结构部分：

如图1所示，蛇形机器人的从动轮12采用橡胶材料，从动轮轮轴为光轴13，在光轴13与外壳14连接处安装有轴承11。从动轮的分离式设计，可以通过控制蛇形机器人本体的摆动相位差，实现蛇形机器人的转向运动。

图2(a)，电机的传动部分是从安装在可重构蛇形机器人单节外壳53上的N20电机输出轴21开始，电机的输出齿轮为齿轮a1，该齿轮与同模数齿轮b2配合，齿轮b2和同轴上的齿轮c3同轴转动，以上齿轮与轴均为紧配。齿轮c3再与带连杆的固定齿轮4配合，该固定齿轮4通过与齿轮轴同形状的D型卡槽固定在转动支架24上。

图2(b)，该结构为了保证传动轴22和固定轴23组成的行星轮系的运动，转动支架24为如图所示的带有回转槽的结构，使得蛇形机器人关节有较大的摆动范围。其中固定轴23的固定齿轮4被两个转动支架24抱紧，固定齿轮4的传动在转动支架24之中完成，转动支架24相配合之后，形成一个封闭的传动环境，防止导线的缠绕。

图3(a)和图3(b)为传动关节之间的可重构连接接口结构示意图，该结构保证了传动关节之间的电信号传递和连接的稳定性，此处使用探针33传递电信号，探针33安装在固定支架34上，公头探针和母头探针接触传递电信号。为了保证连接的稳定性，该处设置有强磁磁铁31，与之相吸引的为前一节的末端的金属片，再通过锁紧卡针32与前一节传动关节的卡槽固定，即可使整体稳定摆动。

图4为定位装置的示意图，也是光电编码器的使用原理，传出齿轮44随从动轮12同轴转动，与传入齿轮43相配合。传入齿轮43和码盘41同轴转动，读头42读取出码盘41的相对旋转角度。计算输入输出的传动比，结合读头42读取的数据，测算出实际从动轮的转动角度。

安装方式如图5所示，单节的安装首先要把图1～4的安装完成，之后将插有探针33的端盖51安装在单节外壳53末端，再将安装有电子器件的盖板52安装到单节外壳53顶端，拧紧紧固螺钉，将FSR压力传感器54粘贴在单节外壳53，至此单节安装完成。强磁磁铁31吸引前一节的金属片后，锁紧卡针32与前一节传动关节的固定支架34的卡槽卡合，探针33自动插入前一节的端盖51的通孔；末端加入可旋转的关节形成如图6整体的构型。

控制系统部分：

如图7所示，为本发明的控制装置图，主控制器部分：主控制器1-1、九轴加速度传感器1-2、增量式光电编码器1-3、GPS模块1-4；从控制器部分：从控制器1-5、驱动板1-6、编码器减速直流电机1-7。主控制器1-1和从控制器1-5之间由IIC总线1-8连接。

在整个控制系统中，定位系统和运动控制系统共用一个主控制器1-1，形成一个将运动控制和定位结合的控制系统，控制流程图如图8所示。

新型可重构蛇形机器人的控制方法，具体步骤如下：

步骤201，接收上位机发送的射频运动指令信号，解析配对运动模式，若指令信号为运动，则进入步骤202，若指令信号为停止，则进入步骤204；

步骤202，向九轴加速度传感器请求姿态、方向信息，向从控制器请求关节角度信息，并在主控制器上获取蛇首从动轮角度信息，然后进入步骤203；

在步骤203，在主控制器上基于卡尔曼滤波算法，结合蛇形机器人动力学方程计算得到高精度的蛇形机器人质心位置和运动方向信息；当长时间持续定位时，使用GPS信号限制误差的无限发散，进入步骤204；

步骤204，判断指令信号，若指令信号为运动，则进入步骤205，若指令信号为停止，则进入步骤207；

步骤205，通过IIC通讯发送步骤203计算出的位置和方向信息到从控制器，进入步骤206；

步骤206，在从控制器中结合串级控制策略，采用神经网络辨识器，计算控制率，输出PWM波，进入步骤208；

步骤207，接受到停止指令，将PWM占空比置0，同时输出两路高电平到H桥路对应的电机正负极，对电机刹车，蛇形机器人运动停止；

步骤208，接受PWM值，通过H桥路驱动电机转动；

步骤209，通过上位机指令或运行时间判断运动是否停止，是，则结束，否，则返回步骤201。

Claims (4)

1.新型可重构蛇形机器人，其特征在于，所述的新型可重构蛇形机器人主要由结构部分和控制系统部分组成；

所述的结构部分主要由分离式从动轮、传动关节、可重构连接接口结构、定位装置和外部壳体组成；

所述的分离式从动轮，主要由轴承(11)、从动轮(12)、光轴(13)和外壳(14)组成；所述的光轴(13)上安装有从动轮(12)，两个光轴(13)的端部通过轴承(11)安装在外壳(14)的底部两端的内部；

所述的传动关节，主要由电机输出轴(51)、传动轴(22)、固定轴(23)、转动支架(24)、齿轮a(1)、齿轮b(2)、齿轮c(3)和固定齿轮(4)组成；所述的转动支架(24)，其上部为方块结构，下部为П型结构，П型结构的两个条形支柱的厚度不同，支柱a的顶部与方块结构固定连接，支柱b凸出，位于方块结构下方的外侧；支柱a上设有通孔，与固定轴(23)相配合，支柱a的外侧上设有一个圆环形结构；支柱b的外侧设有卡槽，滚动轴通过轴承安装在卡槽上，使得传动关节安装在单节外壳(53)上，且转动支架(24)绕滚动轴转动；方块结构的上端的侧面向内设有空槽，用于放置强磁磁铁(31)；两个转动支架(24)的圆环形结构相接触，相互抱紧，形成一体，两个方块结构的空槽相对；所述的固定轴(23)安装在两个转动支架(24)的下部，固定轴(23)的两端分别穿过支柱a的通孔，其中一端通过D型卡槽卡在支柱a的通孔上；所述的固定齿轮(4)安装在固定轴(23)上，位于两个圆环形结构中间的空隙中；所述的传动轴(22)位于转动支架(24)的下方，齿轮c(3)安装在传动轴(22)上，齿轮c(3)与固定齿轮(4)相互啮合；所述的齿轮b(2)安装在传动轴(22)的一端，齿轮b(2)的上部位于转动支架(24)的П型结构中间的空隙；所述的电机输出轴(51)位于齿轮b(2)的下方，齿轮a(1)安装在电机输出轴(51)上，齿轮a(1)与齿轮b(2)相互啮合；

所述的可重构连接接口结构，主要由强磁磁铁(31)、锁紧卡针(32)、探针(33)和固定支架(34)组成；所述的固定支架(34)，为下部开口、中空的方体结构，顶部设有四个通孔，与探针(33)相配合；所述的强磁磁铁(31)置于传动关节的方块结构的空槽中；固定支架(34)的端部固定在端盖(51)上，固定支架(34)的内壁上设有卡槽，固定支架(34)套在传动关节的方块结构上，二者之间留有空隙，传动关节的方块结构的侧壁上设有锁紧卡针(32)，与固定支架(34)的卡槽相配合，使二者稳固连接；固定支架(34)与传动关节的方块结构的上表面之间设有探针(33)，探针(33)的一端穿过固定支架(34)顶部的通孔；

所述的定位装置，位于两个从动轮(12)之间，主要由码盘(41)、读头(42)、传入齿轮(43)和传出齿轮(44)组成；所述的码盘(41)和传入齿轮(43)的中心安装在同一根轴上；所述的码盘(41)，上部安装有读头(42)，与一个光轴(13)上的齿轮相啮合，读头(42)用于读取出码盘(41)的相对旋转角度；所述的传出齿轮(44)安装在另一个光轴(13)的内侧的端部，传出齿轮(44)随从动轮(12)同轴转动，并与传入齿轮(43)相互啮合；

所述的外部壳体，主要由端盖(51)、盖板(52)和单节外壳(53)组成；传动关节水平放置在单节外壳(53)内，传动关节位于单节外壳(53)的前端，并通过滚动轴固定在单节外壳(53)上；分离式从动轮安装在单节外壳(53)的底部，位于传动关节的后方；所述的端盖(51)安装在单节外壳(53)的末端，端盖(51)上设有金属片；盖板(52)安装在单节外壳(53)的顶端；所述的端盖(51)上设有四个通孔，前一节可重构连接接口结构的探针(33)穿过端盖(51)上的通孔，使得探针(33)与蛇身的控制系统部分相连；单节外壳(53)上粘贴有压力传感器(54)；传动关节、分离式从动轮、可重构连接接口结构、定位装置与外部壳体构成单节蛇身；固定支架(34)的端部固定在端盖(51)上，强磁磁铁(31)吸引前一节的端盖(51)金属片后，锁紧卡针(32)与前一节传动关节的固定支架(34)的卡槽卡合，探针(33)自动插入前一节的端盖(51)的通孔；

所述的控制系统部分，安装在盖板(52)上，位于外部壳体的内部，并与探针相连(33)；控制系统部分包括定位系统和运动控制系统；

所述的定位系统，包括主控制器(1-1)、九轴加速度传感器(1-2)、增量式光电编码器(1-3)和GPS模块(1-4)；

所述的主控制器(1-1)与IIC总线(1-8)的SAD和SCLK两条线路相连；所述的九轴加速度传感器(1-2)、增量式光电编码器(1-3)和GPS模块(1-4)，分别与主控制器(1-1)连接；九轴加速度传感器(1-2)用于测量当前蛇首运行方向；增量式光电编码器(1-3)用于测量蛇首从动轮的旋转角度，进而推算当前运行路径，结合九轴加速度传感器(1-2)的测量信息计算出当前的位置，基于动力学方程使用卡尔曼滤波器，计算机器人质心位置；GPS(1-4)模块接收信号的同时，对长时间的累计误差限幅；

所述的运动控制系统，包括从控制器(1-5)、驱动板(1-6)、编码器减速直流电机(1-7)和IIC总线(1-8)，并与定位系统共用一个主控制器(1-1)；

所述的从控制器(1-5)、驱动板(1-6)与编码器减速直流电机(1-7)顺次连接，共两组，从控制器(1-5)的另一端分别与IIC总线(1-8)的两条线路相连；采用基于IIC通讯(1-8)的主从分布式控制方式，主控制器(1-1)接收上位机的控制指令，并进行定位系统运算，然后向从控制器发送定位信息和控制指令；在从控制器(1-5)上为基于神经网络辨识器的控制算法，从控制器(1-5)做控制率运算，输出PWM信号，PWM信号经过H桥驱动电路驱动减速电机转动并跟踪转角。

2.根据权利要求1所述的新型可重构蛇形机器人，其特征在于，所述的从动轮(12)为橡胶轮。

3.根据权利要求1或2所述的新型可重构蛇形机器人，其特征在于，所述的转动支架(24)的内部设有减重孔。

4.新型可重构蛇形机器人的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤201，接收上位机发送的射频运动指令信号，解析配对运动模式，若指令信号为运动，则进入步骤202，若指令信号为停止，则进入步骤204；

步骤202，向九轴加速度传感器请求姿态、方向信息，向从控制器请求关节角度信息，并在主控制器上获取蛇首从动轮角度信息，然后进入步骤203；

在步骤203，在主控制器上基于卡尔曼滤波算法，结合蛇形机器人动力学方程计算得到高精度的蛇形机器人质心位置和运动方向信息；当长时间持续定位时，使用GPS信号限制误差的无限发散，进入步骤204；

步骤204，判断指令信号，若指令信号为运动，则进入步骤205，若指令信号为停止，则进入步骤207；

步骤205，通过IIC通讯发送步骤203计算出的位置和方向信息到从控制器，进入步骤206；

步骤206，在从控制器中结合串级控制策略，采用神经网络辨识器，计算控制率，输出PWM波，进入步骤208；

步骤207，接受到停止指令，将PWM占空比置0，同时输出两路高电平到H桥路对应的电机正负极，对电机刹车，蛇形机器人运动停止；

步骤208，接受PWM值，通过H桥路驱动电机转动；

步骤209，通过上位机指令或运行时间判断运动是否停止，是，则结束，否，则返回步骤201。