CN109176503B - 一种基于仿生触须的智能路径探测机器人及路径探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于仿生触须的智能路径探测机器人及路径探测方法，所述的智能路径探测机器人包括机器人车体、里程计、触须传感器单元、无线数据传输模块、主控制器和上位机模块。触须传感器单元包括传动导轨、摆动电机、触须传感器和连接器件。所述的路径探测方法指机器人在初始化后主动探测迷宫路径，测量迷宫宽度、迷宫墙壁有无信息，进行路径信息的记录存储以及最优路径的选择。本发明机器人具有结构简单、成本低、自适应能力强的优点，本发明方法步骤简单、易于实现。

Description

一种基于仿生触须的智能路径探测机器人及路径探测方法

技术领域

本发明属于探测机器人技术领域，主要涉及到一种基于仿生触须的智能路径探测机器人及路径探测方法。

背景技术

移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。它集中了传感器技术、计算机技术、机械工程、电子工程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。路径探测机器人是智能移动机器人的一种，机器人通过搭载的传感器实现避障、对未知环境搜索以及起点到终点最优路径的选择等功能，实现在有碍的环境中面向目标的自主运动。由于迷宫环境的多样性和复杂度，迷宫环境的探测及路径规划成为路径探测机器人研究中最基本的研究方向。

当前路径探测机器人对环境的检测大多基于视觉传感器、激光雷达、超声波、红外等传感器，其中激光传感器和视觉传感器价格贵，而且对控制器的要求较高，不利于实现和推广，因此目前主要使用超声波和红外传感器。超声波传感器存在测量盲区的问题，声音的速度会受到温度和风向的干扰，而且有可能被吸音面给吸收；红外测距传感器存在检测最小距离太大的问题，而且对使用环境有相当高的要求，对于近似黑体的物体无法检测距离，周围的光线等都能导致测量误差。此外，红外传感器和超声波传感器只能检测迷宫格中墙壁的有无，无法检测路径的宽度和大小，只能运用于迷宫格尺寸大小完全一致的的标准迷宫中，当迷宫中存在大小不一样的路口时，则无法判断否能允许机器人通过。

触须传感器结构简单、测量精确，成本也低得多，具有广泛的应用前景，利用触须传感器不仅可以完成对标准迷宫的墙壁检测，利用触须的主动探测可以适应不同尺寸迷宫，不需要人为设置，同时可以实现更复杂的功能，如路径宽度的探测、障碍物形状的识别等，可以应用于除迷宫外更复杂的未知环境探测任务中，提高移动机器人感知能力和智能化程度。

发明内容

目前路径探测机器人存在传感器复杂、成本高、路径探测环境要求高、测量误差大等问题，为了解决这些问题，本发明提出了一种基于仿生触须的智能路径探测机器人及路径探测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：

一种基于仿生触须的智能路径探测机器人，具体包括以下部分：

(1)机器人车体，用于安装机器人各个零件，并在探测区域内运动；

(2)里程计，用于计算机器人运动过程中的运动距离；

(3)触须传感器单元，用于探测机器人所处环境的空间信息，如空间墙壁有无信息、空间宽度等；

(4)主控制器，用于读取里程计和触须传感器单元的数据，对相关数据进行记录并且在完成路径探测后计算最优路径，控制触须传感器单元和机器人运动；

(5)上位机模块，用于实时显示路径探测机器人的运动轨迹和机器人所处环境情况，并且在机器人完成路径探测后显示最优路径；

(6)无线数据传输模块，用于将主控制器获取或者计算得出的信息实时传输到上位机模块。

进一步的，所述的机器人车体由底板、主动轮、从动轮、电机、电机驱动和电源组成；电机与电机驱动相连安装在主动轮上，主动轮和从动轮安装在底板下方，用来带动机器人车体运动；电源安装在底板上方，给机器人各个设备提供电源。

进一步的，所述的触须传感器单元由传动导轨、摆动电机、触须传感器和连接器件组成；触须传感器包括底座和触须，摆动电机安装在触须传感器的底座下方，并且通过连接器件连接在传动导轨上，初始状态下触须传感器与摆动电机位于靠近机器人中心一侧的导轨末端。

在进一步的优化方案中，所述的触须传感器采用三维柔性触须传感器，触须受力后产生弯曲形变，传感器准确测量触须末端相对于初始位置在x、y、z三个方向上的偏移量，从而获得机器人所处环境的空间信息。

在进一步的优化方案中，所述的触须传感器单元共有4个，其中2个触须传感器单元对称分布在机器人车体左、右两侧，其导轨方向沿水平方向且两个导轨的连线经过路径探测机器人的中心；另外2个触须传感器单元对称分布在机器人车体前侧，其导轨方向沿垂直方向。

在进一步的优化方案中，所述的机器人车体左右两侧触须传感器单元的触须在不受力状态下为直线型，沿导轨方向伸展；机器人车体前侧2个触须传感器单元的触须在不受力的状态下末端微曲，呈弧线型，2个触须水平方向伸展宽度和与机器人车体宽度一致。

一种基于仿生触须的智能路径探测机器人路径探测方法，具体包括以下步骤：

(1)智能路径探测机器人初始化检测，将路径探测机器人放在一个左右皆有墙的迷宫格中心，此时触须传感器都位于初始位置，左右两侧的触须分别从初始位置处缓慢同时向两侧运动，当两侧触须沿触须方向的测量值超过某一定值时认为触须触碰到墙壁，触须停止移动，将此时触须的位置作为标定初始位置，根据触须移动的距离、路径探测机器人尺寸和触须传感器单元安装位置计算迷宫宽度；

(2)根据迷宫宽度计算机器人前端触须传感器的位置，保证当路径探测机器人位于迷宫格中心时，前方触须可以有效探测前方是否有墙；

(3)将路径探测机器人每次的前进距离block值设置为迷宫宽度；

(4)将路径探测机器人放置在迷宫起点，开始运行；

(5)路径探测机器人前进1个block的距离，机器人前侧触须是被动探测，触须传感器固定不动，被动感知外界物体，如果前侧触须受到压力产生形变，触须传感器检测到有效信号，判断机器人前方有墙或者半墙，如果前侧触须没有受力形变，判断机器人前方无墙；

(6)机器人左右两侧触须是主动探测，触须传感器分别从标定初始位置开始向两侧沿导轨运动，如果有任何一侧触须受力形变，判断该侧有墙，如果有任何一侧触须没有受力形变，触须传感器没有检测到有效信号，进入下一步；

(7)没有检测到有效信号的一侧触须移动到导轨最外侧，在摆动电机的控制下缓慢转动，根据两侧触碰点计算触须转动的角度，进一步计算出该侧路口的宽度，如果宽度小于机器人车体尺寸，机器人无法通过，判断为半墙，等同有墙处理，如果宽度大于机器人车体尺寸，机器人可以通过，判断为无墙；

(8)记录该block的坐标和迷宫墙壁有无信息，并通过无线数据传输模块发送到上位机模块，上位机实时显示对迷宫的探测情况；

(9)判断是否已经完成所有的block运动以及是否到达终点，如果两者有任一条件不满足，则根据搜索法则调整机器人的方向，机器人进行转弯或掉头，执行步骤(5)到步骤(8)；

(10)当机器人完成所有的block运动并且到达了终点，主控制器计算最优路径并控制机器人沿最优路径返回起点。

进一步的，所述的路径探测机器人原地转弯或掉头时，所有的触须传感器都沿导轨缩回到机器人内部，保证机器人在转动过程中不损坏触须，当转动结束后，各个触须传感器恢复到标定初始位置。

进一步的，所述的步骤(6)在探测墙壁的过程中，如果左右两侧测量值差值超过设定的阈值，表明机器人位置不在迷宫中轴线上，则进行机器人原地位姿调整，调整到迷宫中轴线后，再进行后续探测。

采用以上技术手段后可以获得以下优势：

本发明公布的一种基于仿生触须的智能路径探测机器人及路径探测方法，采用触须传感器进行路径探测，触须传感器结构简单，成本较低，降低了整个机器人系统硬件的复杂程度，更加利于生产和推广；同时触须传感器不受空间大小等限制，可以对不同大小的未知环境进行路径测量和判断，具有较强的自适应性，有利于扩充路径探测机器人的功能，提高路径探测机器人感知能力和智能化程度。此外，触须传感器对外界环境要求不高，在搜索过程中不仅能够实现对未知环境的有效探测，还能避免环境温度、光线等外界因素的干扰。本发明方法简单易于实现，不仅可以实现路径探测还能够自动计算最优路径。

附图说明

图1是本发明一种基于仿生触须的智能路径探测机器人的结构示意图。

图2是本发明触须传感器单元结构示意图。

图3是迷宫墙壁状态示意图。

图4是本发明一种基于仿生触须的智能路径探测机器人路径探测方法流程图。

图5是不同状态下触须传感器位置和工作示意图。

图2中1是传动导轨，2是触须传感器，3是摆动电机，4是触须传感器中的触须。

图5中A部分是触须传感器初始位置示意图，B部分是机器人前方和左右两侧有墙时触须传感器位置和工作示意图，C部分是机器人右侧无墙时触须传感器位置和工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

本发明公开了一种基于仿生触须的智能路径探测机器人，如图1所示，路径探测机器人包括机器人车体、里程计、触须传感器单元、无线数据传输模块、主控制器和上位机模块。机器人车体为圆形，共有上下两层底板，上下两层底板通过支撑架连接固定；下层底板固定有2个主动轮、2个从动轮、电机、电机驱动和电源；2个主动轮安装在车体水平中轴线上，关于垂直中轴线对称，2个从动轮为万向轮，安装于车体垂直中轴线上，关于水平中轴线对称。上层地板上安装了主控制器、里程计、4个触须传感器单元和无线数据传输模块；其中2个触须传感器单元对称分布于机器人车体左、右两侧，其导轨方向沿水平方向且两个导轨的连线经过路径探测机器人的中心，这2个触须传感器单元的触须在不受力状态下为直线型；另外2个触须传感器单元对称分布于机器人前侧，其导轨方向沿垂直方向，其触须在不受力状态下末端微曲，呈弧线型，2个触须水平方向伸展宽度和与机器人车体宽度一致。在初始状态下，4个触须传感器均位于靠近机器人中心一侧的导轨末端。这种完全对称的车体结构更加平衡，有利于机器人实现原地转弯等动作。

主控制器选用STM32F407单片机，STM32F4是由意法半导体开发的一种高性能微控制器，具有外设接口丰富、处理速度快等优点，主控制器读取机器人运动里程、所处位置坐标、所处环境有无墙壁等信息，对这些信息进行记录，同时主控制器产生PWM信号通过电机驱动驱动电机带动主动轮转动，使机器人自主行走，在路径探测结束后主控制器计算出最优路径。里程计选用编码器，通过分别采集电机轴端旋转角度计算每个车轮转过的角度，进一步计算出机器人移动的距离。

如图2所示，触须传感器单元包括传动导轨1、摆动电机3、触须传感器2和连接器件。传动导轨为电动导轨，通过主控制器的电信号控制导轨上物体的运动并计算其运动距离。触须传感器由底座和触须4组成，底座与摆动电机相连，然后安装在传动导轨上，可以随着传动导轨移动；触须传感器采用的可以准确定位末端位置的三维柔性触须传感器，柔性触须受力后产生弯曲形变，利用磁铁、线性霍尔元件及触点传感器，能够准确测量触须末端相对于初始位置在x、y、z三个方向上的偏移量，进而计算出所处环境的宽度等信息。触须传感器可以沿传动导轨方向平动运动，也可以在摆动电机的作用下绕电机轴所在轴线的往复摆动。

在机器人运动的过程中触须传感器单元包括主动探测和被动探测两种探测模式，主动探测指触须传感器沿导轨方向周期性往复平动或者绕电机轴所在轴线周期性往复摆动，被动探测指触须传感器固定不动，被动感知外界物体的触碰。位于路径探测机器人前方的2个触须传感器单元以被动探测为主，当受到触碰时可根据情况自动切换为主动探测；位于机器人左右两侧的触须传感器单元为主动探测，并且可以根据情况调整探测角度、速度和方向等。

无线数据传输模块选用WiFi模块，WiFi模块的传输距离比较远，主控制器通过无线数据传输模块将路径探测机器人工作状态、各模块测量得到的信息实时无线传输到上位机模块。

上位机模块是在电脑端运行的，运用VS2010编写人机交互界面，根据无线数据模块传输的数据实时显示路径探测机器人的运动轨迹以及所处的环境空间信息，并且在机器人完成路径探测后显示最优路径。

假设一个迷宫是由大小尺寸完全一致的正方形方格拼接而成，如图3所示，每个方格称作一个block；标准迷宫中，每个block的四条边只存在有墙和无墙两种可能，在非标准迷宫中，除上述两种可能，还存在半墙的可能性，半墙即为路径宽度小于迷宫宽度的路径。

本具体实施例采用非标准迷宫环境作为探测环境，如图4所示，一种基于仿生触须的智能路径探测机器人路径探测方法，具体包括以下步骤：

(1)将路径探测机器人放在一个左右皆有墙的迷宫格中心，如图5中的A部分所示，此时触须传感器位于初始位置，启动初始化检测，左右两侧的触须分别从初始位置缓慢同时向两侧运动；由于触须传感器在正常状态下也会测量到一定的干扰信号，本发明设置了一个定值，当触须沿触须方向的测量值超过这个定值时认为触须触碰到了物体，触须传感器停止运动，此时触须传感器的位置是标定初始位置，如图5中的B部分所示；根据触须移动的距离、路径探测机器人的尺寸、触须传感器单元初始位置等可以计算出迷宫的宽度。

(2)根据迷宫宽度计算机器人前段两个触须传感器的位置，保证当路径探测机器人位于迷宫格中心时，前方触须可以有效探测前方是否有墙。

(3)将路径探测机器人每次的前进距离block值调整为迷宫宽度；

(4)将路径探测机器人放置在迷宫起点，开始运行；

(5)路径探测机器人前进1个block的距离，此时前方的触须传感器是被动探测，如果前方触须受到压力而产生形变，传感器检测到有效信号，判断机器人前方有墙或者半墙，如果前侧触须没有受力形变，判断机器人前方无墙。

(6)机器人左右两侧触须是主动探测，触须传感器分别从标定初始位置开始向两侧沿导轨运动，如果有任何一侧触须受力形变，判断该侧有墙，如果有任何一侧触须没有受力形变，触须传感器没有检测到有效信号，进入下一步；

(7)如图5中的C部分所示，没有检测到有效信号的一侧触须移动到导轨最外侧，在摆动电机的控制下缓慢转动，根据两侧触碰点计算触须转动的角度，进一步计算出该侧路口的宽度，如果宽度小于机器人车体尺寸，机器人无法通过，判断为半墙，等同有墙处理，如果宽度大于机器人车体尺寸，机器人可以通过，判断为无墙。

(8)记录该block的坐标及墙壁有无信息，并通过无线数据传输模块发送到上位机模块，上位机模块在电脑端实时显示对迷宫的探测情况。

(9)判断是否已经完成所有的block运动以及是否到达终点，如果两者有任一条件不满足，则根据搜索法则调整机器人的方向，搜索法则可以选用左手法则、右手法则、中心法则等，机器人进行转弯或掉头，执行步骤(5)到步骤(8)；

(10)当机器人完成所有的block运动并且到达了终点，主控制器计算最优路径并控制机器人沿最优路径返回起点。

为了保证机器人在转动过程中不损坏触须，当路径探测机器人在原地转弯或掉头时，各个触须传感器可以沿导轨缩回到机器人内部，当转动结束后，各个触须传感器恢复到标定初始位置。此外，机器人在路径探测过程中可能会出现左右两侧触须测量值差距过大的情况，如果测量值差值超过设置的阈值，说明机器人位置已经不在迷宫中轴线上，则进行机器人原地位姿调整，调整到迷宫中轴线后，再继续进行路径探测。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细地说明，但是本发明并不局限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种基于仿生触须的智能路径探测机器人，其特征在于，包括以下部分：

（1）机器人车体，用于安装机器人各个零件，并在探测区域内运动；

（2）里程计，用于计算机器人运动过程中的运动距离；

（3）触须传感器单元，用于探测机器人所处环境的空间信息；所述的触须传感器单元由传动导轨、摆动电机、触须传感器和连接器件组成；触须传感器包括底座和触须，摆动电机安装在触须传感器的底座下方，并且通过连接器件连接在传动导轨上，初始状态下触须传感器与摆动电机位于靠近机器人中心一侧的导轨末端；

（4）主控制器，用于读取里程计和触须传感器单元的数据，对相关数据进行记录并且在完成路径探测后计算最优路径，控制触须传感器单元和机器人运动；

（5）上位机模块，用于实时显示路径探测机器人的运动轨迹和机器人所处环境情况，并且在机器人完成路径探测后显示最优路径；

（6）无线数据传输模块，用于将主控制器获取或者计算得出的信息实时传输到上位机模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于仿生触须的智能路径探测机器人，其特征在于，所述的机器人车体由底板、主动轮、从动轮、电机、电机驱动和电源组成；电机与电机驱动相连安装在主动轮上，主动轮和从动轮安装在底板下方，用来带动机器人车体运动；电源安装在底板上方，给机器人各个设备提供电源。

3.根据权利要求1所述的一种基于仿生触须的智能路径探测机器人，其特征在于，所述的触须传感器采用三维柔性触须传感器，触须受力后产生弯曲形变，传感器准确测量触须末端相对于初始位置在x、y、z三个方向上的偏移量，从而获得机器人所处环境的空间信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于仿生触须的智能路径探测机器人，其特征在于，所述的触须传感器单元共有4个，其中2个触须传感器单元对称分布在机器人车体左、右两侧，其导轨方向沿水平方向且两个导轨的连线经过路径探测机器人的中心；另外2个触须传感器单元对称分布在机器人车体前侧，其导轨方向沿垂直方向。

5.根据权利要求4所述的一种基于仿生触须的智能路径探测机器人，其特征在于，所述的机器人车体左右两侧触须传感器单元的触须在不受力状态下为直线型，沿导轨方向伸展；机器人车体前侧2个触须传感器单元的触须在不受力的状态下末端微曲，呈弧线型，2个触须水平方向伸展宽度和与机器人车体宽度一致。

6.一种基于仿生触须的智能路径探测机器人路径探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）智能路径探测机器人初始化检测，将路径探测机器人放在一个左右皆有墙的迷宫格中心，此时触须传感器都位于初始位置，左右两侧的触须分别从初始位置处缓慢同时向两侧运动，当两侧触须沿触须方向的测量值超过某一定值时认为触须触碰到墙壁，触须停止移动，将此时触须的位置作为标定初始位置，根据触须移动的距离、路径探测机器人尺寸和触须传感器单元安装位置计算迷宫宽度；

（2）根据迷宫宽度计算机器人前端触须传感器的位置，保证当路径探测机器人位于迷宫格中心时，前方触须可以有效探测前方是否有墙；

（3）将路径探测机器人每次的前进距离block值设置为迷宫宽度；

（4）将路径探测机器人放置在迷宫起点，开始运行；

（5）路径探测机器人前进1个block的距离，机器人前侧触须是被动探测，触须传感器固定不动，被动感知外界物体，如果前侧触须受到压力产生形变，触须传感器检测到有效信号，判断机器人前方有墙或者半墙，如果前侧触须没有受力形变，判断机器人前方无墙；

（6）机器人左右两侧触须是主动探测，触须传感器分别从标定初始位置开始向两侧沿导轨运动，如果有任何一侧触须受力形变，判断该侧有墙，如果有任何一侧触须没有受力形变，触须传感器没有检测到有效信号，进入下一步；

（7）没有检测到有效信号的一侧触须移动到导轨最外侧，在摆动电机的控制下缓慢转动，根据两侧触碰点计算触须转动的角度，进一步计算出该侧路口的宽度，如果宽度小于机器人车体尺寸，机器人无法通过，判断为半墙，等同有墙处理，如果宽度大于机器人车体尺寸，机器人可以通过，判断为无墙；

（8）记录该block的坐标和迷宫墙壁有无信息，并通过无线数据传输模块发送到上位机模块，上位机实时显示对迷宫的探测情况；

（9）判断是否已经完成所有的block运动以及是否到达终点，如果两者有任一条件不满足，则根据搜索法则调整机器人的方向，机器人进行转弯或掉头，执行步骤（5）到步骤（8）；

（10）当机器人完成所有的block运动并且到达了终点，主控制器计算最优路径并控制机器人沿最优路径返回起点。

7.根据权利要求6所述的一种基于仿生触须的智能路径探测机器人路径探测方法，其特征在于，所述的路径探测机器人原地转弯或掉头时，所有的触须传感器都沿导轨缩回到机器人内部，保证机器人在转动过程中不损坏触须，当转动结束后，各个触须传感器恢复到标定初始位置。

8.根据权利要求6所述的一种基于仿生触须的智能路径探测机器人路径探测方法，其特征在于，所述的步骤（6）在探测墙壁的过程中，如果左右两侧测量值差值超过设定的阈值，表明机器人位置不在迷宫中轴线上，则进行机器人原地位姿调整，调整到迷宫中轴线后，再进行后续探测。

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