CN109531540A - 基于单片机控制的电磁式软体运动机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单片机控制的电磁式软体运动机器人及其控制方法，所述机器人包括：主体结构，所述主体结构的底部设有行走模块，其内部设有控制驱动系统以及电磁铁致动系统，所述控制驱动系统通过无线模块获取远程操控设备的控制信号，根据该控制信号使电磁铁致动系统产生磁场，从而驱动所述行走模块进行相应的运动，本发明可在无尾化的基础上实现远程操控的目的。

Description

基于单片机控制的电磁式软体运动机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种基于单片机控制的电磁式软体运动机器人及其控制方法。

背景技术

机器人在现代生活中正逐渐替代人类发挥着日益重要的作用。近年来，随着机器人技术的迅速发展、应用范围的扩大和自动化程度的进一步提高，人们对机器人的功能提出了更高的要求，特别是需要各种具有较合理的机器人优化结构和不同程度智能的机器人装置。与此同时，机器人面临的工作环境也越来越恶劣，如星际探索、极地勘测、军事侦察以及反恐活动等。在这些应用领域中地形环境往往很复杂，存在各式各样的障碍物或沟渠，有时还存在危险性，这就要求机器人具有很强的机动性和灵活性。

传统的刚性机器人结构复杂、刚性较强、灵活度有限，对自然环境的适应能力也较差，在一些地形复杂、空间狭小的环境中进行移动、生命探测、救灾救援等工作存在着极大的困难。

近年来，随着新材料与快速加工制造技术的发展，软体机器人技术已成为机器人技术领域的研究热点。与传统的刚性机器人相比，具有多方面优势，在理论上具有无限多个自由度，不需要复杂的机构，易实现多功能性能够变形更好地适应未知或复杂非结构化作业环境，与作业对象之间为柔性接触，能够操作形状复杂各异的物体，对自身与操作对象的损伤很小等，在物理辅助医疗康复，微创手术，复杂环境探索与探测等方面具有广阔的应用前景。

目前，软体机器人研究主要借助于智能材料(如超弹性硅胶材料、形状记忆合金、电活性聚合物DEA等)和新型驱动技术如气动，开发具有充分柔顺性、适应性、超冗余性的软体机器人，然而，现有的气动式驱动的软体机器人一般都需要与外界空气压缩机相连，带有“尾巴”，活动范围受到限制。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种基于单片机控制的电磁式软体运动机器人及其控制方法，以在无尾化的基础上实现远程操控的目的。

为达上述及其它目的，本发明提出一种基于单片机控制的电磁式软体运动机器人，包括：主体结构，所述主体结构的底部设有行走模块，其内部设有控制驱动系统以及电磁铁致动系统，所述控制驱动系统通过无线模块获取远程操控设备的控制信号，根据该控制信号使电磁铁致动系统产生磁场，从而驱动所述行走模块进行相应的运动。

优选地，所述控制驱动系统包括：

电源模块，用于给该控制驱动系统提供电能；

无线模块，用于实时接收远程操控设备所发送的信息，并通过异步串行通信技术将所接收的信息实时发送于单片机控制模块；

单片机控制模块，用于实时接收所述无线模块发送的信息，并根据所接收的信息发出相应的指令于继电器模块；

继电器模块，与所述电磁铁致动系统的电磁结构相连接，用于根据所述单片机控制模块发出的指令，令相应的继电器动作，从而使所述电磁铁致动系统的电磁结构产生相应的磁场。

优选地，所述电磁铁致动系统包括多个挡板、多个吸盘式电磁铁以及多个压力形变装置，各挡板嵌在所述主体结构内，吸盘式电磁铁连接所述继电器模块，每两个挡板组成一对，其中间通过由压力形变装置连接的一对吸盘式电磁铁连接。

优选地，所述行走模块包括设置于所述主体结构底端的多个锯齿结构的脚部。

优选地，所述挡板的个数与所述行走模块的脚部的个数相对应，且各挡板与对应的锯齿结构的脚部几乎处于垂直平面上，以驱动各脚部实现相应的运动。

优选地，所述行走模块包括两个锯齿结构的前脚部以及两个锯齿结构的后脚部。

优选地，所述电磁铁致动系统包括4个挡板、4个吸盘式电磁铁以及2个压力形变装置，每两个挡板组成一对，其中一个挡板与一吸盘式电磁铁固定连接，该吸盘式电磁铁的另一端连接一压力形变装置，该压力形变装置的另一端连接另一吸盘式电磁铁，该另一吸盘式电磁铁的另一端则与另一挡板固定连接。

优选地，所述压力形变装置为压力弹簧。

为达到上述目的，本发明还提供一种基于单片机控制的电磁式软体运动机器人的控制方法，包括如下步骤：

步骤S1，设于主体结构内部的控制驱动系统通过无线模块获取远程操控设备的控制信号，根据该控制信号使电磁铁致动系统产生磁场；

步骤S2，所述电磁铁致动系统根据产生的磁场驱动设于主体结构底部的行走模块进行相应的运动。

优选地，步骤S1进一步包括：

步骤S100，利用无线模块实时接收远程操控设备所发送的信息，并将所接收的信息通过异步串行通信技术实时发送于单片机控制模块；

步骤S101，所述单片机控制模块根据所接收的信息发出相应的指令于继电器模块；

步骤S102，所述继电器模块根据所述单片机控制模块发出的指令，令相应的继电器动作，从而使所述电磁铁致动系统的电磁结构产生相应的磁场。

与现有技术相比，本发明一种基于单片机控制的电磁式软体运动机器人机器控制方法通过于主体结构内部设置控制驱动系统以及电磁铁致动系统，所述控制驱动系统基于单片机控制，通过无线模块获取远程操控设备的控制信号，并根据该控制信号使电磁铁致动系统产生磁场，从而驱动行走模块进行相应的运动，实现了在无尾化的基础上进行远程操控的目的。

附图说明

图1为本发明一种基于单片机控制的电磁式软体运动机器人的剖面结构图；

图2为本发明之一种基于单片机控制的电磁式软体运动机器人的立体结构图；

图3为本发明具体实施例中控制驱动系统15的细部结构图；

图4为本发明具体实施例中电磁铁致动系统20的细部结构图；

图5为本发明一种基于单片机控制的电磁式软体运动机器人的控制方法的步骤流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种基于单片机控制的电磁式软体运动机器人的剖面结构图，图2为本发明之一种基于单片机控制的电磁式软体运动机器人的立体结构图。如图1及图2所示，本发明一种基于单片机控制的电磁式软体运动机器人，包括：主体结构21，所述主体结构由高分子弹性材料制成，其底部设有行走模块22，内设有控制驱动系统15以及电磁铁致动系统20，所述控制驱动系统15通过无线模块获取远程操控设备的控制信号，根据该控制信号使电磁铁致动系统20产生磁场，从而驱动行走模块22进行相应的运动。

在本发明具体实施例中，所述行走模块22为设置于主体结构底端的四个锯齿结构的脚部，包括两个前脚部11与前脚部12以及两个后脚部13与后脚部14，锯齿结构的两个前脚部11与前脚部12以及两个后脚部13与后脚部14有利于前进并且能够防止倒退。

如图3所示，控制驱动系统15包括电源模块18、无线模块16、单片机控制模块17以及继电器模块19，各模块相互联系，集成于一块电路板上。所述电源模块18，用于给该控制驱动系统提供电能，在本发明具体实施例中，所述电源模块采用若干个(例如3个)串联的1.5V碱性锌锰扣式电池，但本发明不以此为限；所述无线模块16用于实时接收远程操控设备所发送的信息，并通过异步串行通信技术将所接收的信息实时发送于单片机控制模块17，在本发明具体实施例中，无线模块16采用蓝牙模块，但也可以采用其它的无线模块，本发明不以此为限；单片机控制模块17，用于实时接收所述无线模块16发送的信息，并根据所接收的信息发出相应的指令于继电器模块19，在本发明具体实施例中，单片机控制模块17采用AVR单片机；继电器模块19，与所述电磁铁致动系统20的电磁结构相连接，用于根据所述单片机控制模块17发出的指令，相应的继电器动作，从而使所述电磁铁致动系统20的电磁结构产生相应的磁场。

图4为本发明具体实施例中电磁铁致动系统20的细部结构图。如图3所示，电磁铁致动系统20包括挡板、吸盘式电磁铁、压力形变装置，其中，吸盘式电磁铁与控制驱动系统15的继电器模块10连接，所述挡板嵌在主体结构内，挡板的个数与行走模块22的脚部的个数相对应，且各挡板与对应的锯齿结构的脚部几乎处于垂直平面上，以驱动各脚部实现相应的运动，每两个挡板组成一对，其中间通过由压力形变装置连接的一对吸盘式电磁铁连接，也就是说，其中一个挡板与一吸盘式电磁铁固定连接，该吸盘式电磁铁的另一端连接该压力形变装置，该压力形变装置的另一端连接另一吸盘式电磁铁，该另一吸盘式电磁铁的另一端则与另一挡板固定连接。当与所述压力弹簧一端相连的吸盘式电磁铁得电后产生磁场，在磁力作用下吸引与所述压力弹簧另一端相连的吸盘式电磁铁，使所述压力弹簧收缩，从而使主体结构收缩，形成运动。在本发明具体实施例中，压力形变装置采用压力弹簧，该电磁铁致动系统20包括挡板01-04、吸盘式电磁铁07—10以及压力弹簧05—06，其中挡板01/04、吸盘式电磁铁08/10以及压力弹簧06构成一对，挡板02/03、吸盘式电磁铁07/09以及压力弹簧05构成另一对，挡板02通过螺丝钉与所述吸盘式电磁铁07进行连接固定，所述压力弹簧05上下端均与吸盘式电磁铁固定连接，即上端与吸盘式电磁铁07固定连接，下端与吸盘式电磁铁09固定连接，吸盘式电磁铁09另一端与挡板03通过螺丝钉连接固定，当与所述压力弹簧05上端相连的吸盘式电磁铁07得电后产生磁场，在磁力作用下吸引与所述压力弹簧05下端相连的吸盘式电磁忒09，使所述压力弹簧05收缩，从而使主体结构21收缩，形成运动。

以下将配合图1-图4说明本发明具体实施例的工作原理。在本发明具体实施例中，该基于单片机控制的电磁式软体运动机器人包括主体结构21、其中所述主体结构包括控制驱动系统15、电磁铁致动系统20；所述控制驱动系统包括无线模块16、AVR单片机17、电源模块18、继电器模块19；电磁铁致动系统包括挡板01-04，、吸盘式电磁铁07-10、压力弹簧05-06；其中所述继电器模块与所述吸盘式电磁铁通过导线连接；所述主体结构下设有4个锯齿结构的脚部，编号为11-14；脚部呈锯齿结构，有利于前进同时也可以防止倒退，其工作原理如下：

1、前进动作：当无线模块(如蓝牙模块)16接收到远程操控设备发送的代表前进动作的信息，实时地将此信息通过异步串行通信技术发送于AVR单片机17，所述AVR单片机实时地产生一定频率的方波信号并作用于继电器模块19；当该信号为高电平时，与吸盘式电磁铁07和吸盘式电磁铁08相连接的继电器动作，从而吸盘式电磁铁07与吸盘式电磁铁08得电产生相应的磁场，由于磁力的作用，压力弹簧05与压力弹簧06收缩并且对吸盘式电磁09与吸盘式电磁铁10产生吸引力，进一步压缩压力弹簧，压力弹簧收缩带动挡板03与挡板04向前运动；主体结构21由高分子弹性材料组成，4个挡板均与主体结构镶嵌且与主体结构下锯齿结构的脚部几乎处于同一垂直平面，在挡板的拉动下，后脚部13与后脚部14向前移动，而前脚部11与前脚部12保持静止，主体结构21收缩；当该方波信号为低电平时，此时电位不足以使所述继电器模块动作，吸盘式电磁铁07与吸盘式电磁铁08掉电，磁场变为零，所述收缩的压力弹簧要恢复原状，由于挡板03和挡板04与后脚部13与后脚部14几乎处于同一垂直平面，脚部的结构为锯齿结构具有防倒退作用，因此所述收缩的压力弹簧的弹性势能将转化为挡板01与挡板02的动能，使得前脚部11与前脚部12向前运动，而挡板03与挡板04保持静止，主体结构伸展，最终实现软体机器人的向前运动。

2、扭转动作(以右转弯为例)：AVR单片机17接收到无线模块(蓝牙模块)16的右转弯信息，实时地产生与该右转弯信息相应的方波信号作用继电器模块19，此过程只与吸盘式电磁铁08相连的继电器会动作；原理同上述前进运动，当该信号为高电平时，与吸盘式电磁铁08相连的继电器会动作，后脚部14向前运动，前脚部11静止，使得主体结构左侧收缩；当为低电平时，后脚部14静止，前脚部11向前运动，使得主体结构左侧伸展；由于主体结构由高分子弹性材料构成，上述运动使主体结构左侧伸长，右侧为原状，此时便实现了右转弯的动作；左转弯运动时，与右转弯类似，在此不予赘述。

这里需说明是，本发明中，可以通过改变AVR单片机17输出方波的频率，改变其运动的速率。

图5为本发明一种基于单片机控制的电磁式软体运动机器人的控制方法的步骤流程图。如图5所示，本发明一种基于单片机控制的电磁式软体运动机器人的控制方法，包括如下步骤：

步骤S1，设于主体结构内部的控制驱动系统通过无线模块获取远程操控设备的控制信号，根据该控制信号使电磁铁致动系统产生磁场；

具体地，步骤S1进一步包括：

步骤S100，利用无线模块实时接收远程操控设备所发送的信息，并将所接收的信息通过异步串行通信技术实时发送于单片机控制模块；

步骤S101，所述单片机控制模块根据所接收的信息发出相应的指令于继电器模块；

步骤S102，所述继电器模块根据所述单片机控制模块发出的指令，令相应的继电器动作，从而使所述电磁铁致动系统的电磁结构产生相应的磁场。

例如，当无线模块接收到远程操控设备发送的代表前进动作的信息，实时地将该信息通过异步串行通信技术发送于单片机控制模块，所述单片机控制模块实时地产生一定频率的方波信号于继电器模块，当该信号为高电平时，相应的继电器动作，与该继电器相连接该电磁铁致动系统的吸盘式电磁铁则得电产生相应的磁场；当该方波信号为低电平时，此时电位不足以使所述继电器模块动作，吸盘式电磁铁掉电，磁场变为零。

步骤S2，所述电磁铁致动系统根据产生的磁场驱动设于主体结构底部的行走模块进行相应的运动。

仍以前进动作为例，当该方波信号为高电平时，由于磁力的作用，连接产生磁场的吸盘式电磁铁的压力弹簧产生吸引力，进一步压缩压力弹簧，压力弹簧收缩带动相应的挡板向前运动，由于主体结构由高分子弹性材料组成，且其各挡板均与主体结构下锯齿结构的脚部几乎处于同一垂直平面，因此在相应的挡板的拉动下，后脚部向前移动，而前脚部保持静止，主体结构21收缩；而当方波信号为低电平时，收缩的压力弹簧要恢复原状，由于挡板与脚部几乎处于同一垂直平面，脚部的结构为锯齿结构具有防倒退作用，因此所收缩的压力弹簧的弹性势能将转化为相应的挡板的动能，使得前脚部向前运动，而后脚部对应的挡板与挡板保持静止，主体结构伸展，最终实现软体机器人的向前运动。

综上所述，本发明一种基于单片机控制的电磁式软体运动机器人机器控制方法通过于主体结构内部设置控制驱动系统以及电磁铁致动系统，所述控制驱动系统基于单片机控制，通过无线模块获取远程操控设备的控制信号，并根据该控制信号使电磁铁致动系统产生磁场，从而驱动行走模块进行相应的运动，实现了在无尾化的基础上进行远程操控的目的，本发明的控制驱动系统与电磁铁致动系统可内置于主体结构的空腔内，因此本发明整体设计体积较小，可解决上述传统机器人无法在狭隘空间中运动作业的问题。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种基于单片机控制的电磁式软体运动机器人，包括：主体结构，所述主体结构的底部设有行走模块，其内部设有控制驱动系统以及电磁铁致动系统，所述控制驱动系统通过无线模块获取远程操控设备的控制信号，根据该控制信号使电磁铁致动系统产生磁场，从而驱动所述行走模块进行相应的运动。

2.如权利要求1所述的基于单片机控制的电磁式软体运动机器人，其特征在于，所述控制驱动系统包括：

电源模块，用于给该控制驱动系统提供电能；

无线模块，用于实时接收远程操控设备所发送的信息，并通过异步串行通信技术将所接收的信息实时发送于单片机控制模块；

单片机控制模块，用于实时接收所述无线模块发送的信息，并根据所接收的信息发出相应的指令于继电器模块；

继电器模块，与所述电磁铁致动系统的电磁结构相连接，用于根据所述单片机控制模块发出的指令，令相应的继电器动作，从而使所述电磁铁致动系统的电磁结构产生相应的磁场。

3.如权利要求2所述的基于单片机控制的电磁式软体运动机器人，其特征在于：所述电磁铁致动系统包括多个挡板、多个吸盘式电磁铁以及多个压力形变装置，各挡板嵌在所述主体结构内，吸盘式电磁铁连接所述继电器模块，每两个挡板组成一对，其中间通过由压力形变装置连接的一对吸盘式电磁铁连接。

4.如权利要求3所述的基于单片机控制的电磁式软体运动机器人，其特征在于：所述行走模块包括设置于所述主体结构底端的多个锯齿结构的脚部。

5.如权利要求4所述的基于单片机控制的电磁式软体运动机器人，其特征在于：所述挡板的个数与所述行走模块的脚部的个数相对应，且各挡板与对应的锯齿结构的脚部几乎处于垂直平面上，以驱动各脚部实现相应的运动。

6.如权利要求4所述的基于单片机控制的电磁式软体运动机器人，其特征在于：所述行走模块包括两个锯齿结构的前脚部以及两个锯齿结构的后脚部。

7.如权利要求4所述的基于单片机控制的电磁式软体运动机器人，其特征在于：所述电磁铁致动系统包括4个挡板、4个吸盘式电磁铁以及2个压力形变装置，每两个挡板组成一对，其中一个挡板与一吸盘式电磁铁固定连接，该吸盘式电磁铁的另一端连接一压力形变装置，该压力形变装置的另一端连接另一吸盘式电磁铁，该另一吸盘式电磁铁的另一端则与另一挡板固定连接。

8.如权利要求7所述的基于单片机控制的电磁式软体运动机器人，其特征在于：所述压力形变装置为压力弹簧。

9.一种基于单片机控制的电磁式软体运动机器人的控制方法，包括如下步骤：

步骤S1，设于主体结构内部的控制驱动系统通过无线模块获取远程操控设备的控制信号，根据该控制信号使电磁铁致动系统产生磁场；

步骤S2，所述电磁铁致动系统根据产生的磁场驱动设于主体结构底部的行走模块进行相应的运动。

10.如权利要求9所述的一种基于单片机控制的电磁式软体运动机器人的控制方法，其特征在于，步骤S1进一步包括：

步骤S100，利用无线模块实时接收远程操控设备所发送的信息，并将所接收的信息通过异步串行通信技术实时发送于单片机控制模块；

步骤S101，所述单片机控制模块根据所接收的信息发出相应的指令于继电器模块；

步骤S102，所述继电器模块根据所述单片机控制模块发出的指令，令相应的继电器动作，从而使所述电磁铁致动系统的电磁结构产生相应的磁场。