CN110682303A - 一种智能机器人实训装置、控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种智能机器人实训装置、控制系统及方法，控制系统通过设置简单的结构部件能够实现机器人移动控制和机器人的位姿的控制，系统中设置的所有部件可以分离放置在实训箱中，在进行实训时将部件进行组装，能够有效进行直观展示和实训。

Description

一种智能机器人实训装置、控制系统及方法

技术领域

本公开涉及机器人相关技术领域，具体的说，是涉及一种智能机器人实训装置、控制系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

随着人类探索自然界步伐的不断加速，各应用领域对具有复杂环境自主移动能力机器人的需求，日趋广泛而深入。理论上，足式机器人具有比轮式机器人更加卓越的应对复杂地形的能力，因而被给予了巨大的关注，但到目前为止，由于自适应步行控制算法匮乏等原因，足式移动方式在许多实际应用中还无法付诸实践。由于六足机器人大多工作在非结构化、不确定的环境内，人们希望其具有更大的自主性与灵活性，所以稳健的控制系统对六足机器人至关重要。

因此，将多足昆虫的行为学研究成果，融入到步行机器人的结构设计与控制中，开发具有卓越移动能力的六足仿生机器人，对于足式移动机器人技术的研究与应用具有重要的理论和现实意义。六足机器人的控制系统仍存在控制系统结构复杂、开发难度大、成本高昂等问题，且对开发人员要求具有较高的相关理论知识水平，导致开发周期长、后期维护困难。现在开发人员的培训要么需要设置真是的机器人，要么采用模拟系统进行培训，培训效果差，不利于研发人员对六足机器人的设计及控制系统的开发。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种智能机器人实训装置、控制系统及方法，控制系统通过设置简单的结构部件能够实现机器人移动控制和机器人的位姿的控制，系统中设置的所有部件可以分离放置在实训箱中，在进行实训时将部件进行组装，能够有效进行直观展示和实训。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了一种智能机器人控制系统，包括远程控制终端和机器人，所述远程控制终端包括无线手柄和上位机，所述机器人包括机器人端主控板和与主控板连接的Wi-Fi无线模块和第一ZigBee无线通信模块；所述无线手柄为ZigBee遥控手柄，所述无线手柄内设置第二ZigBee无线通信模块与机器人建立通信连接；所述上位机通过Wi-Fi无线模块与机器人建立通信连接。

进一步地，所述智能机器人为多足机器人，通过无线手柄控制多足机器人的运行、控制模式切换以及控制改变机器人的姿态；上位机将多足机器人采集的数据传输至上位机进行数据的处理及显示，同时上位机控制多足机器人的运行、控制模式切换以及控制改变机器人的姿态。

进一步地，多足智能机器人包括底盘和设置在底盘上的多个支撑足、以及与每个支撑足连接的舵机，舵机与支撑足连接用于控制支撑足的运动，所述舵机与机器人端主控板连接，多个舵机可设置为一组，同一组舵机执行主控板发送的同一的运动指令。

进一步地，所述底盘上连接设置机械臂及机械臂驱动装置，所述机械臂驱动装置与机器人端主控板连接。

进一步地，所述无线手柄上可以设置多个按键，通过按下按键传输命令，所述按键分别包括控制机器人前进、后退、站起、蹲下、左横向移动、右横向移动或切换模式按键，切换模式按键用于切换机器人的工作模式，工作模式包括远程控制模式和自动移动模式。

进一步地，还包括遥控手柄显示屏，所述遥控手柄显示屏与无线手柄连接。

进一步地，所述智能机器人上还设置感知模块，所述感知模块包括温湿度传感器、超声波传感器、摄像头、定位装置、红外传感器及光照度传感器；所述感知模块与机器人端主控制板连接；

或者还包括移动终端，所述移动终端与智能机器人无线通信。

基于上述的一种智能机器人控制系统的控制方法，上位机或者移动终端对机器人的控制，执行以下步骤：

获取机器人运动配置信息，将配置信息转化为相应的控制指令；

将控制指令通过无线传输至机器人端的主控制板；

主控制板将控制指令分别发送至舵机或者机械臂驱动装置；

舵机或者机械臂驱动装置根据相应的控制指令执行相应的动作。

进一步地，还包括如下步骤：

获取机器人采集的数据，将采集的数据在上位机或者移动终端上显示。

或者

主控制板将控制指令分别发送至舵机,还包括控制机器人进行步态控制的步骤:

31、将驱动机器人支撑足按照三角步态算法分为两组；

32、交替发送摆动指令和支撑指令,将摆动指令发送至其中一组支撑足对应的舵机,同时将支撑指令发送至另一组支撑足对应的舵机。

一种智能机器人实训装置，包括实训箱和上述的一种智能机器人控制系统中的设置的部件，所述部件分离设置，所述实训箱内设置多个与一种智能机器人控制系统中的每个部件外形相匹配的腔体，所述分离设置的部件分别在相应的腔体内，进行实训时，按照上述的一种智能机器人控制系统的连接关系将各个部件连接设置。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

(1)本公开控制系统通过设置简单的结构部件能够实现机器人移动控制和机器人的位姿的控制，系统中设置的所有部件可以分离放置在实训箱中，在进行实训时将部件进行组装，能够有效进行直观展示和实训。

(2)本公开的系统设置为3部分，分别为智能机器人、无线手柄和上位机，系统中设置了两种无线通信方式，可以比较两种传输模式的传输特点，有利于研发人员对无线传输的掌握。

(3)本公开控制系统采用zigbee和WiFi两种无线通讯方式，两者相互补充，用户可以根据实际情况，选择控制六足机器人的运动。即增强了人与机器人交互的自然性，又提高了六足机器人的适用范围。

(4)本公开控制系统中配有图像实时传输模块，在面对复杂地形下的救援任务，利于操作人员对救援目标进行判断。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1是本公开实施例1的控制系统的构架图；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

实施例1

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，一种智能机器人控制系统，包括远程控制终端和机器人，所述远程控制终端包括无线手柄和上位机，所述机器人包括机器人端主控板和与主控板连接的Wi-Fi无线模块和第一ZigBee无线通信模块；所述无线手柄内设置第二ZigBee无线通信模块与机器人建立通信连接；所述上位机通过Wi-Fi无线模块与机器人建立通信连接。

在一些实施例中，所述智能机器人为多足机器人，可以为两足机器人、四足机器人或六足机器人等，本实施例可以设置为六足机器人。通过无线手柄控制智能多足机器人的运行、控制模式切换以及控制机器人的姿态，所述姿态包括站立、下蹲等状态。运行包括前进、后退、左转和右转等。上位机通过Wi-Fi无线模块与多足机器人建立通信连接，将多足机器人采集的数据传输至上位机进行数据的处理及显示，同时上位机可以控制智能机器人执行相应的动作。分别设置两种无线通讯模块增加了无线传输的方式，可以比较两种传输模式的传输特点，有利于研发人员对无线传输的掌握。

多足智能机器人还包括底盘和设置在底盘上的多个支撑足、以及与每个支撑足连接的舵机，舵机与支撑足连接用于控制支撑足的运动，所述舵机与机器人端主控板连接，多个舵机可以设置为一组，同一组舵机执行主控板发送的同一的运动指令。底盘起支撑作用，用于支撑上层和步态运动，步态运动是通过编程使得部分舵机组成一个组，按照一定的规律实现类似于昆虫爬行状态的步态，本实施例可以为六足机器人的结构，六足机器人具有冗余肢体，可以在失去若干肢体的情况下继续执行一定的工作。

在一些实施例中，六足机器人还可以设置机械臂及机械臂驱动装置，所述机械臂驱动装置与机器人端主控板连接。主控板将机械臂的控制指令发送至驱动装置，驱动装置控制机械臂移动和调整位姿。所述机械臂的末端可以设置末端执行装置，如可以为夹持器。

第一ZigBee无线通信模块和第二ZigBee无线通信模块可以采用CC2530模块。所述无线手柄上可以设置多个按键，通过按下按键传输命令，实现中等距离的控制。所述按键分别包括控制机器人前进、后退、站起、蹲下、左横向移动、右横向移动和切换模式按键，切换模式按键用于切换机器人的工作模式，包括远程控制模式和自动移动模式。

在手动控制的无线手柄上还可以设置遥控手柄显示屏，所述遥控手柄显示屏与无线手柄连接，显示机器人传输的数据与遥控手柄的控制状态，所述显示屏可以具体为OLED显示屏。

所述智能机器人上还可以设置感知模块，所述感知模块可以包括温湿度传感器、超声波传感器、摄像头、定位装置、红外传感器及光照度传感器。智能机器人在自动移动模式下可以通过超声波传感器，测量周围障碍物的距离，在数据判断后决定前进或者后退或者换向，从而实现自动避障。

还可以包括移动终端，所述移动终端与智能机器人无线通信。所述移动终端为智能手机、平板或者为笔记本电脑。

上位机可以为监控电脑，至少设置终端显示屏和信息输入装置，所述信息输入终端为键盘或鼠标。

本实施例中，Wi-Fi无线模块型号可以为USR-C322，通过该模块，可以将物理设备连接到WiFi网络上，从而实现物联网的控制与管理；温湿度传感器可以选择数字温湿度传感器，型号可以为DHT11；超声波传感器可以选择US-100超声波测距模块，可以实现0-4.5m的非接触测距功能；本实施例的舵机可以选择SR-1501MG，此舵机为机械臂、智能车、机器人DIY制作专门设计的数字舵机，精度高、扭矩大、反应快、运行平稳且线性度高，可控角度为180°/270°，断电可以手动360°旋转。机器人端的主控板可以选择STM32F407ZG系列控制器，具体的型号可以为STM32F407ZGT6。

通过上述系统结构的设置可以实现以下功能：

机器人的主控感知与自我控制功能：通过超声波模块，测量周围障碍物的距离，在数据判断后决定前进或者后退或者换向，也称自动避障。通过感知模块，采集周围环境的数据。

无线传输功能：通过Wi-Fi无线模块，避免了串口线传输对于机器人行动范围的限制以及美观和使用上的限制，将主控板中检测到的数据通过低功耗的Wi-Fi传输到上位机上。

远程控制功能：通过在ZigBee无线手柄，控制智能多足机器人的运行、工作模式切换和机器人的姿态。ZigBee无线传输中包含了广播组播点对点传输的功能。

人机互动功能：可以通过Java和安卓平台将机器人采集的信息展现在上位机或者是移动终端。

机器人的步态控制功能：机器人行进采用三角步态，将六条腿分为两组，交替前进，摆动相和支撑相的两组腿分别构成三角形支架。通过对每个舵机的控制，使用定时器产生不同占空比的脉冲与供电后舵机内的基准电流进行比较，从而控制方向。可以将一些舵机设为一组，从而实现多点控制的步态。

实施例2

本实施例提供一种基于实施例1所述的一种智能机器人控制系统的控制方法，上位机或者移动终端对机器人的控制，执行以下步骤：

步骤1：获取机器人运动配置信息，将配置信息转化为相应的控制指令；

步骤2：将控制指令通过无线传输至机器人端的主控制板；

步骤3：机器人端的主控制板将控制指令分别发送至舵机或者机械臂驱动装置；

步骤4：舵机或者机械臂驱动装置根据相应的控制指令执行相应的动作。

上述步骤中配置信息为用户通过上位机或者移动终端输入的机器人的控制信息，用户的配置信息可以包括：(1)控制机器人进行简单运动控制：前进、后退、站起、蹲下、左横向移动、右横向移动。(2)实现机器人演示动作的控制：绕圈、简单舞蹈。(3)远程控制机器人搭载机械臂工作：放下、抓取、抬起、松开。分别按照上述配置信息设置配置信息输入选项或者按键，将配置信息输入。

模式切换可以实现机器人工作模式切换，机器人工作模式包括远程控制模式和自动移动模式。

主控制板将控制指令分别发送至舵机,还包括控制机器人进行步态控制的步骤:

31、将驱动机器人支撑足按照三角步态算法分为两组；

32、交替发送摆动指令和支撑指令,将摆动指令发送至其中一组支撑足对应的舵机,同时将支撑指令发送至另一组支撑足对应的舵机。

所述交替发送摆动指令和支撑指令是指对同一组的支撑足的舵机交替发送这两个指令。

控制步态控制将六条腿分为两组，交替前进，摆动相和支撑相的两组腿分别构成三角形支架。通过对每个舵机的控制，使用定时器产生不同占空比的脉冲与供电后舵机内的基准电流进行比较，从而控制方向。

控制方法还包括如下步骤：上位机或者移动终端获取机器人采集的数据，将采集的数据在上位机或者移动终端上显示。

机器人采集的数据可以包括定位信息、环境温湿度信息、环境光照度信息

实施例3

一种智能机器人实训装置，包括实训箱和实施例1所述的一种智能机器人控制系统中的设置的部件，所述部件分离设置，所述实训箱内设置多个与一种智能机器人控制系统中的每个部件外形相匹配的腔体，所述分离设置的部件分别在相应的腔体内，进行实训时，按照实施例1所述的一种智能机器人控制系统的连接关系将各个部件连接设置。

可以进行实训的内容包括：

(1)机器人的组装以及与上位机或者移动终端的无线连接搭建；

(2)各传感器的设置在机器人上的安装方法，环境数据的采集包括红外数据、温湿度数据、光照数据等；

(3)Wi-Fi传输以及ZigBee的无线传播的实训，对应的无线传输协议的实训，Java的使用与安卓的使用。

(4)机器人核心控制板的SPI实验,学习SPI通信协议的工作原理，了解该通信方式的特点,能够根据SPI通信协议的工作原理，编写基于机器人核心控制板的SPI测试程序。

(5)六足机器人步态实验,了解六足机器人步态原理,在掌握六足机器人步态原理的情况下，结合本实验箱的六足机器人实物，编写步态算法。

(6)六足机器人自动避障实验，学习核心板定时器捕获功能，超声波测距的工作原理，以及用代码实现测距。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种智能机器人控制系统，其特征是：包括远程控制终端和机器人，所述远程控制终端包括无线手柄和上位机，所述机器人包括机器人端主控板和与主控板连接的Wi-Fi无线模块和第一ZigBee无线通信模块；所述无线手柄为ZigBee遥控手柄，所述无线手柄内设置第二ZigBee无线通信模块与机器人建立通信连接；所述上位机通过Wi-Fi无线模块与机器人建立通信连接。

2.如权利要求1所述的一种智能机器人控制系统，其特征是：所述智能机器人为多足机器人，通过无线手柄控制多足机器人的运行、控制模式切换以及控制改变机器人的姿态；上位机将多足机器人采集的数据传输至上位机进行数据的处理及显示，同时上位机控制多足机器人的运行、控制模式切换以及控制改变机器人的姿态。

3.如权利要求2所述的一种智能机器人控制系统，其特征是：多足智能机器人包括底盘和设置在底盘上的多个支撑足、以及与每个支撑足连接的舵机，舵机与支撑足连接用于控制支撑足的运动，所述舵机与机器人端主控板连接，多个舵机设置为一组，同一组舵机执行主控板发送的同一的运动指令。

4.如权利要求3所述的一种智能机器人控制系统，其特征是：所述底盘上连接设置机械臂及机械臂驱动装置，所述机械臂驱动装置与机器人端主控板连接。

5.如权利要求1所述的一种智能机器人控制系统，其特征是：所述无线手柄上设置多个按键，通过按下按键传输命令，所述按键分别包括控制机器人前进、后退、站起、蹲下、左横向移动、右横向移动或切换模式按键，切换模式按键用于切换机器人的工作模式，工作模式包括远程控制模式和自动移动模式。

6.如权利要求1所述的一种智能机器人控制系统，其特征是：还包括遥控手柄显示屏，所述遥控手柄显示屏与无线手柄连接。

7.如权利要求1所述的一种智能机器人控制系统，其特征是：所述智能机器人上还设置感知模块，所述感知模块包括温湿度传感器、超声波传感器、摄像头、定位装置、红外传感器及光照度传感器；所述感知模块与机器人端主控制板连接；

或者还包括移动终端，所述移动终端与智能机器人无线通信。

8.基于权利要求1-7任一项所述的一种智能机器人控制系统的控制方法，其特征是，上位机或者移动终端对机器人的控制，执行以下步骤：

获取机器人运动配置信息，将配置信息转化为相应的控制指令；

将控制指令通过无线传输至机器人端的主控制板；

机器人端的主控制板将控制指令分别发送至舵机或者机械臂驱动装置；

舵机或者机械臂驱动装置根据相应的控制指令执行相应的动作。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征是,还包括如下步骤：

获取机器人采集的数据，将采集的数据在上位机或者移动终端上显示。

或者

主控制板将控制指令分别发送至舵机,还包括控制机器人进行步态控制的步骤:

31、将驱动机器人支撑足按照三角步态算法分为两组；

32、交替发送摆动指令和支撑指令,将摆动指令发送至其中一组支撑足对应的舵机,同时将支撑指令发送至另一组支撑足对应的舵机。

10.一种智能机器人实训装置，其特征是：包括实训箱和权利要求1-7任一项所述的一种智能机器人控制系统中的设置的部件，所述部件分离设置，所述实训箱内设置多个与一种智能机器人控制系统中的每个部件外形相匹配的腔体，所述分离设置的部件分别在相应的腔体内，进行实训时，按照权利要求1-7任一项所述的一种智能机器人控制系统的连接关系将各个部件连接设置。