CN110154007A - 一种模块化蛇形机器人及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本明公开了一种模块化蛇形机器人及其控制系统，该机器人包括多个串联的运动模块，各运动模块又分别包括：静平台、动平台、电路板和连接支链，电路板设置于动平台表面，静平台和动平台之间通过多条连接支链相连接；本发明在以往的模块化蛇形机器人基础上完善模块化单元间并联结构的设计，能够实现蠕动、扭转等动作。通过加装传感器监测机器人运动时的电压、电流、扭矩等参数，得到蛇形机器人面对不同类型环境的不同适应构态，拥有创新性的并联机构，可以根据实际情况需要模块化装配，可实现蠕动、蜿蜒、拐弯避障和攀爬管道等动作，在管道检测、灾害现场等复杂环境极具实际应用价值。

Description

一种模块化蛇形机器人及其控制系统

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种模块化蛇形机器人及其控制系统。

背景技术

蛇形机器人作为一种新型的仿生物机器人，它实现了像蛇一样的“无肢运动”，而且具有体积小、多关节、多自由度、多种运动模式等特点，能够通过改变自身的运动形态来适应各种地形需要。目前蛇形机器人为了能够逼真地模仿自然界蛇的运动形式，都采用了类似于蛇微小脊椎结构单元的模块化单元设计。每个模块单元是相同的，都有独立的控制与驱动系统，将这些微小的单元串联在一起组成完整的蛇的身体结构，通过各个单元之间的协调配合实现蛇的各种运动形态。

现有研究提出了基于折纸机构的可扩展连续体机器人，该机器人拥有可折叠的骨架和脊椎骨一体化结构，能够灵活实现伸缩和弯曲运动。折纸机构一般应用对称的结构，同向性好，位置逆解容易求得从而能够便于控制，同时承载力高，能够实现各种复杂运动，而且折纸机构空间延展性好，能够实现各种折叠运动。但如何利用折纸机构实现蛇形机器人的仿真模拟以及如何将控制系统集成于模块化结构中仍有待研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种模块化蛇形机器人及其控制系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种模块化蛇形机器人，包括多个串联的运动模块，各运动模块又分别包括：静平台、动平台、电路板和连接支链，电路板设置于动平台表面，静平台和动平台之间通过多条连接支链相连接；

所述连接支链包括电机座、电机、联轴器安装座、联轴器、电位器和活动板式连接机构；所述电机座安装于动平台表面，所述电机安装于电机座内，所述联轴器安装座安装于静平台表面，所述活动板式连接机构分别通过各联轴器安装于电机座和联轴器安装座上；所述电位器安装于动平台一侧的联轴器上用于测量活动板式连接机构的转角。

在上述技术方案中，所述活动板式连接机构包括动平台连接板、静平台连接板、第一形变板、第二形变板、第三形变板、第四形变板，所述静平台连接板与第一、第三形变板之间通过贴纸粘贴实现弯折活动连接，所述动平台连接板与第二、第四形变板之间通过贴纸粘贴实现弯折活动连接，所述第一、第二形变板之间通过贴纸粘贴实现弯折活动连接，所述第三、第四形变板之间通过贴纸粘贴实现弯折活动连接，上述各连接线相交于一点，且各形变板中部形成有方孔。

在上述技术方案中，所述第一、第三形变板与静平台连接板之间呈60度角，所述第二、第四形变板与动平台连接板之间呈60度角。

在上述技术方案中，所述静平台连接板、动平台连接板形成有2块与联轴器对接的插板，插板上形成有安装孔。

在上述技术方案中，所述电机座通过底板上的安装孔与动平台连接固定，底板呈L型，一侧形成用于放置输出轴的U形槽，另一侧形成支撑轴。

在上述技术方案中，电机安装于电机座，通过螺栓与电机座固定。

在上述技术方案中，所述联轴器包括用于安装于电机座上、与动平台连接板相连接的动平台传动联轴器、动平台从动联轴器，以及用于安装于联轴器安装座、与静平台连接板相连接的2个静平台联轴器。

在上述技术方案中，所述动平台传动联轴器通过第一轴孔安装于电机的输出轴上，第一形变板安装槽用于放入动平台连接板插板，第一螺栓孔用于放入螺栓旋紧固定动平台连接板。

在上述技术方案中，所述动平台从动联轴器通过第二轴孔安装于电机座的支撑轴上，第二形变板安装槽用于放入动平台连接板插板，第二螺栓孔用于放入螺栓旋紧固定动平台连接板，所述动平台从动联轴器靠近电机座一侧形成有电位器夹臂，电位器夹臂之间的第二轴孔周围形成有电位器安装孔。

在上述技术方案中，所述电位器安装于动平台从动联轴器的电位器夹臂之间，电机座的支撑轴穿过电位器上的第三轴孔，电位器上的定位凸起嵌入于动平台从动联轴器的电位器安装孔内。

在上述技术方案中，所述联轴器安装座通过基板上的螺孔与静平台连接固定，两侧形成有对称的支撑臂，所述静平台联轴器通过与动平台传动联轴器相同的安装方式安装在两支撑臂上。

一种模块化蛇形机器人的控制系统，包括主控板、电机驱动板、陀螺仪、电机以及电位器，所述主控板、电机驱动板安装于动平台表面与各电机、电位器相连，各运动模块之间的电机驱动板相串联，所述主控板接收输入值，将关节角度指令传递至电机驱动板，电机驱动板驱动电机转动制定的角度，并通过电位器采集电机的转角，所述用于采集各运动模块的实际姿态信息并传递至主控板。

在上述技术方案中，所述电控板型号为ESP32。

在上述技术方案中，所述电机型号为JGA1024-N20减速电机。

在上述技术方案中，所述电位器型号为RDC503013A。

在上述技术方案中，所述陀螺仪型号为JY901。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明通过在形变板下方开螺栓孔与联轴器安装，使形变板与联轴器之间的安装拆卸更方便；并在联轴器与电机座之间加装电位器，实时测量运动模块的弯折角度；

2、本发明通过电机座与电机的配合，使电机的位置固定，安装简便，且不易发生松动；

3、本发明通过各形变板之间的角度从45度90度，改为60度，同时减小中间镂空尺寸，这种改进后的结构不仅能够增大各板连接位置的长度，使得运动更加紧凑，同时增长了这个折纸机构的长度，在实际运动的过程中和地面接触的面积更大，摩擦力也更大，能够在较光滑的环境下保证运动的实现；

4、本发明在以往的模块化蛇形机器人基础上完善模块化单元间并联结构的设计，能够实现蠕动、扭转等动作。通过加装传感器监测机器人运动时的电压、电流、扭矩等参数，得到蛇形机器人面对不同类型环境的不同适应构态，拥有创新性的并联机构，可以根据实际情况需要模块化装配，可实现蠕动、蜿蜒、拐弯避障和攀爬管道等动作，在管道检测、灾害现场等复杂环境极具实际应用价值。

附图说明

图1为本发明中一种模块化蛇形机器人的整体结构示意图。

图2为本发明中一种模块化蛇形机器人的运动模块结构示意图一。

图3为本发明中一种模块化蛇形机器人的运动模块结构示意图二。

图4为形变板结构示意图。

图5为电机座结构示意图。

图6为电机结构示意图。

图7为动平台传动联轴器结构示意图一。

图8为动平台传动联轴器结构示意图二。

图9为动平台从动联轴器结构示意图一。

图10为动平台从动联轴器结构示意图二。

图11为电位器结构示意图。

图12为联轴器安装座结构示意图。

图13为电路板安装位置示意图。

图14为控制系统原理图。

图15为控制系统硬件结构图。

图16为控制系统工作原理示意图。

其中：1为运动模块，2为静平台，3为动平台，4为联轴器安装座，4-1为基板，4-2为支撑臂，4-3为螺孔，5为静平台联轴器，6为静平台连接板，7为第一形变板，8为第二形变板，9为第三形变板，10为第四形变板，11为动平台连接板，12为动平台传动联轴器，12-1为第一形变板安装槽，12-2为第一螺栓孔，12-3为第一轴孔，13为动平台从动联轴器，13-1为第二形变板安装槽，13-2为第二轴孔，13-3为第二螺栓孔，13-4为电位器安装孔，13-5为电位器夹臂，14为电机座，14-1为底板，14-2为支撑轴，14-3为安装孔，14-4为U形槽，15为电机，15-1为输出轴，16为安装孔，17为电位器，17-1为定位凸起，17-2为第三轴孔，18为电路板，19为方孔。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

一种模块化蛇形机器人，包括多个串联的运动模块，各运动模块又分别包括：静平台、动平台、电路板和连接支链，电路板设置于动平台表面，静平台和动平台之间通过多条连接支链相连接；

所述连接支链包括电机座、电机、联轴器安装座、联轴器、电位器和活动板式连接机构；所述电机座安装于动平台表面，所述电机安装于电机座内，所述联轴器安装座安装于静平台表面，所述活动板式连接机构分别通过各联轴器安装于电机座和联轴器安装座上；所述电位器安装于动平台一侧的联轴器上用于测量活动板式连接机构的转角。

所述活动板式连接机构包括动平台连接板、静平台连接板、第一形变板、第二形变板、第三形变板、第四形变板，所述静平台连接板与第一、第三形变板之间通过贴纸粘贴实现弯折活动连接，所述动平台连接板与第二、第四形变板之间通过贴纸粘贴实现弯折活动连接，所述第一、第二形变板之间通过贴纸粘贴实现弯折活动连接，所述第三、第四形变板之间通过贴纸粘贴实现弯折活动连接，上述各连接线相交于一点，且各形变板中部形成有方孔。

所述第一、第三形变板与静平台连接板之间呈60度角，所述第二、第四形变板与动平台连接板之间呈60度角。

所述静平台连接板、动平台连接板形成有2块与联轴器对接的插板，插板上形成有安装孔。

所述电机座通过底板上的安装孔与动平台连接固定，底板呈L型，一侧形成用于放置输出轴的U形槽，另一侧形成支撑轴。

所述联轴器包括用于安装于电机座上、与动平台连接板相连接的动平台传动联轴器、动平台从动联轴器，以及用于安装于联轴器安装座、与静平台连接板相连接的2个静平台联轴器。

所述动平台传动联轴器通过第一轴孔安装于电机的输出轴上，第一形变板安装槽用于放入动平台连接板插板，第一螺栓孔用于放入螺栓旋紧固定动平台连接板。

所述动平台从动联轴器通过第二轴孔安装于电机座的支撑轴上，第二形变板安装槽用于放入动平台连接板插板，第二螺栓孔用于放入螺栓旋紧固定动平台连接板，所述动平台从动联轴器靠近电机座一侧形成有电位器夹臂，电位器夹臂之间的第二轴孔周围形成有电位器安装孔。

所述电位器安装于动平台从动联轴器的电位器夹臂之间，电机座的支撑轴穿过电位器上的第三轴孔，电位器上的定位凸起嵌入于动平台从动联轴器的电位器安装孔内。

所述联轴器安装座通过基板上的螺孔与静平台连接固定，两侧形成有对称的支撑臂，所述静平台联轴器通过与动平台传动联轴器相同的安装方式安装在两支撑臂上。

实施例2

一种模块化蛇形机器人的控制系统，包括主控板、电机驱动板、陀螺仪、电机以及电位器，所述主控板、电机驱动板安装于动平台表面与各电机、电位器相连，各运动模块之间的电机驱动板相串联，所述主控板接收输入值，将关节角度指令传递至电机驱动板，电机驱动板驱动电机转动制定的角度，并通过电位器采集电机的转角，所述用于采集各运动模块的实际姿态信息并传递至主控板。

所述电控板型号为ESP32。

所述电机型号为JGA1024-N20减速电机，

所述电位器型号为RDC503013A。

所述陀螺仪型号为JY901。

根据通信方式和元件供电压的不同，首先绘制出电路板的原理图如图14所示，其中电源分为外接电源和经降压板降压后的3.3V电路电压，Beetle-ESP32、转接板、陀螺仪JY901工作电压都为3.3V需要降压所以由降压板供电，其余元器件驱动板、电机等由外接电源直接供电。通信方式分为IIC和RX\TX串口通信，陀螺仪与主控板通过IIC通信，驱动板和主控板通过串联的串口通信来控制电机角度，实现仿蛇运动。对各个关节都需要独立控制，用以满足仿蛇运动时的控制需求，所以控制蛇形机器人就是控制每一个关节的减速电机。本控制系统采用Python语言编写控制程序，由电脑上位机接收来自Beetle-ESP32总控传来的蛇形机器人的关节角度、PID大小、最小误差量、实时温度、轴加速度、角速度、轴磁场、轴角度、经度、纬度、GPS等实时参数，也可调用函数设置关节角度、PID大小、最小误差量等参数控制机器人运动。大部分状态参数由陀螺仪JY901模块监测并反馈到上位机，该模块集成了高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出模块当前的实时运动姿态。该模块采用邮票孔镀金工艺，适于嵌入PCB电路板当中，综合性能和体积，是现有姿态角度传感器的最佳选择之一。以上数据均通过锡焊在PCB电路板上的Beetle-ESP32总控处理和传输，可通过WiFi无线通信也可通过自带的Micro-USB直接连接电脑上位机传输数据。在机器人运动时，由总控板处理从JY901陀螺仪和电机驱动板返回的实时数据并发出控制指令，数据通过提前布置和印刷在PCB电路板上的线路传输，数据从转接板处传输出PCB电路板来到驱动板。电机之间通过驱动板以异步串行总线方式通讯，波特率为115200，理论上可连接控制253个舵机，足以满足蛇形机器人的设计需要。可以通过电脑上位机使用UART异步串行接口统一控制所有电机，所有电机具有一个公共ID号(NO.121)，同时每个电机也可设定唯一对应的ID号，可以单独控制一个电机也可同时控制多个电机配合运动。还可通过函数调用改变电机模式、获取当前电机状态、PID控制参数值等多个参数。驱动板发出驱动指令控制减速电机的角度，多个驱动板之间串联通信。将减速电机提前编号之后，驱动板即可依据编号发送指令，同时控制多个减速电机工作，进而实现蛇形机器人的一系列仿生运动，如蜿蜒、蠕动和攀爬管道等。

综上，本系统采用Beetle-ESP32作为主控板，通过Altium Designer软件设计并印刷电路板将各元器件和主控板集成在PCB电路板上，通过Python语言和电脑上位机将控制指令传递给PCB电路板以控制各关节电机，实现了仿蛇运动。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种模块化蛇形机器人，其特征在于：包括多个串联的运动模块，各运动模块又分别包括：静平台、动平台、电路板和连接支链，电路板设置于动平台表面，静平台和动平台之间通过多条连接支链相连接；

所述连接支链包括电机座、电机、联轴器安装座、联轴器、电位器和活动板式连接机构；所述电机座安装于动平台表面，所述电机安装于电机座内，所述联轴器安装座安装于静平台表面，所述活动板式连接机构分别通过各联轴器安装于电机座和联轴器安装座上；所述电位器安装于动平台一侧的联轴器上用于测量活动板式连接机构的转角。

2.根据权利要求1所述的一种模块化蛇形机器人，其特征在于：所述活动板式连接机构包括动平台连接板、静平台连接板、第一形变板、第二形变板、第三形变板、第四形变板，所述静平台连接板与第一、第三形变板之间通过贴纸粘贴实现弯折活动连接，所述动平台连接板与第二、第四形变板之间通过贴纸粘贴实现弯折活动连接，所述第一、第二形变板之间通过贴纸粘贴实现弯折活动连接，所述第三、第四形变板之间通过贴纸粘贴实现弯折活动连接，上述各连接线相交于一点，且各形变板中部形成有方孔。

3.根据权利要求1所述的一种模块化蛇形机器人，其特征在于：所述第一、第三形变板与静平台连接板之间呈60度角，所述第二、第四形变板与动平台连接板之间呈60度角。

4.根据权利要求1所述的一种模块化蛇形机器人，其特征在于：所述静平台连接板、动平台连接板形成有2块与联轴器对接的插板，插板上形成有安装孔。

5.根据权利要求1所述的一种模块化蛇形机器人，其特征在于：所述电机座通过底板上的安装孔与动平台连接固定，底板呈L型，一侧形成用于放置输出轴的U形槽，另一侧形成支撑轴。

6.根据权利要求1所述的一种模块化蛇形机器人，其特征在于：所述联轴器包括用于安装于电机座上、与动平台连接板相连接的动平台传动联轴器、动平台从动联轴器，以及用于安装于联轴器安装座、与静平台连接板相连接的2个静平台联轴器。

7.根据权利要求1所述的一种模块化蛇形机器人，其特征在于：所述动平台传动联轴器通过第一轴孔安装于电机的输出轴上，第一形变板安装槽用于放入动平台连接板插板，第一螺钉孔用于放入螺钉旋紧固定动平台连接板。

8.根据权利要求1所述的一种模块化蛇形机器人，其特征在于：所述动平台从动联轴器通过第二轴孔安装于电机座的支撑轴上，第二形变板安装槽用于放入动平台连接板插板，第二螺钉孔用于放入螺钉旋紧固定动平台连接板，所述动平台从动联轴器靠近电机座一侧形成有电位器夹臂，电位器夹臂之间的第二轴孔周围形成有电位器安装孔。

9.一种模块化蛇形机器人的控制系统，其特征在于：包括主控板、电机驱动板、陀螺仪、电机以及电位器，所述主控板、电机驱动板安装于动平台表面与各电机、电位器相连，各运动模块之间的电机驱动板相串联，所述主控板接收输入值，将关节角度指令传递至电机驱动板，电机驱动板驱动电机转动制定的角度，并通过电位器采集电机的转角，所述用于采集各运动模块的实际姿态信息并传递至主控板。

10.根据权利要求9所述的一种模块化蛇形机器人的控制系统，其特征在于：所述电控板型号为ESP32；所述电机型号为JGA1024-N20减速电机；所述电位器型号为RDC503013A；所述陀螺仪型号为JY901。