CN110936380B - 碰撞防摔机器人及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种碰撞防摔机器人及其控制方法，涉及一种机器人及其控制方法，机器人具有与人体运动关节一致的机器人运动关节；其控制系统包括倾角传感器、单片机；单片机包括信号采集单元、存储单元、中央控制器、电源管理单元、驱动单元。方法是机器人在安装调试完成后采集各个机器人运动关节的标准倾角值并存储在存储单元中，在机器人运行中，倾角传感器实时采集各个关节的倾角值并和标准倾角值比较，当偏差超过阈值就立刻控制运动执行模块调整机器人回归立正并下蹲状态，再通过电源管理单元断开运动执行模块的电源，机器人停止并保持在下蹲状态。本发明可防止机器人受到碰撞摔坏，可减少维修人员工作量，其性能可靠，结构简单，成本低，易于推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人及其控制方法，特别是一种碰撞防摔机器人及其控制方法。
背景技术
随着工业4.0、人工智能技术、5G通信技术的快速发展，机器人产业得到迅猛发展，尤其是商用、服务、教育机器人的普及已经成为了趋势，市面上随处可见运动机器人、服务机器人、教育机器人、唱歌跳舞机器人、对话机器人等。但是，市场上常见的机器人都存在一系列的缺陷，特别是双足机器人、人形机器人，主要存在以下不足：1.机器人在运行时，如果发生因人为剧烈碰撞或者意外剧烈碰撞而摔倒，其供电系统一直处于工作状态，很容易造成电机负载过大而烧坏、电机齿轮崩裂、电源漏电、控制系统紊乱等问题，自我保护能力很差；2. 由于机器人在运行时非常容易损坏和摔倒，维修人员需要对机器人电机逐个进行检修，其工作量和维修成本都比较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供碰撞防摔机器人及其控制方法，以解决现有机器人存在的因剧烈碰撞倒地造成的电机烧坏、电机齿轮崩裂、电源漏电、控制系统紊乱的不足之处。
解决上述技术问题的技术方案是：一种碰撞防摔机器人，包括机器人腿部系统、机器人机身系统、机器人手部系统、机器人头部系统、控制系统、机器人电源系统；该机器人是个多自由度人型机器人，具有与人体运动关节一致的机器人运动关节；所述的控制系统包括倾角传感器、单片机；所述的单片机包括信号采集单元、存储单元、中央控制器、电源管理单元、驱动单元；所述的倾角传感器安装在各个机器人运动关节上，该倾角传感器的信号输出端通过信号采集单元与中央控制器的信号输入端连接；存储单元与中央控制器的信号输入输出端连接；中央控制器的信号输出端分别与电源管理单元、驱动单元的信号输入端连接，电源管理单元、驱动单元的信号输出端分别与运动执行模块的信号输入端连接；上述的运动执行模块包括所述的机器人腿部系统、机器人机身系统、机器人手部系统、机器人头部系统。
本发明的进一步技术方案是：所述的控制系统还包括有后台管控单元、移动设备、声光报警器，所述的单片机还包括有信息发送单元、报警信号输出单元，所述的中央控制器的信号输出端通过信息发送单元与后台管控单元、移动设备的信号输入端连接，中央控制器的信号输出端还通过报警信号输出单元与安装在机器人机身系统上的声光报警器连接。
本发明的另一技术方案是：一种碰撞防摔机器人控制方法，该方法是在碰撞防摔机器人的每个机器人运动关节都安装有倾角传感器，机器人安装调试完成后通过倾角传感器采集各个机器人运动关节的标准倾角值并存储在存储单元中，在机器人运行中，倾角传感器实时采集各个机器人运动关节的实时倾角值并和存储单元中的标准倾角值实时比较，当偏差超过设置阈值就立刻控制运动执行模块调整机器人迅速回归立正并下蹲，再通过电源管理单元断开运动执行模块的电源，机器人停止并保持在下蹲状态。
本发明的进一步技术方案是：当偏差超过设置阈值还同时通过信息发送单元发送包括图片信息、位置信息、故障机器人编号、故障电机编号在内的故障信息给后台管控单元和移动设备；同时通过报警信号输出单元发送声光报警信息到机器人机身系统上的声光报警器。
本发明的再进一步技术方案是：该方法包括以下步骤：
a). 采集标准倾角值
机器人在完成调试后，通过倾角传感器采集各个机器人运动关节的倾角值β1、β2、…、β19并存储在存储单元中，倾角值β1、β2、…、β19为各组动作运行时的标准倾角值；
b). 采集实时倾角值
机器人运行时，倾角传感器实时采集各组动作的各个机器人运动关节的实时倾角值Φ1、Φ2、…、Φ19；
c).求取实时倾角值与标准倾角值的偏差值
中央控制器将采集到的实时倾角值Φ1、Φ2、…、Φ19与存储在存储单元中的标准倾角值β1、β2、…、β19做比较，求取各个实时倾角值与对应标准倾角值的偏差值：k1=│Φ1-β1│、k2=│Φ2-β2│、…、k19=│Φ19-β19│；
d) .判断偏差值是否大于阈值
中央控制器判断偏差值是否大于阈值，如果否，则重复步骤b)，继续保持监控；如果当k1、k2、…、k19至少有一个大于阈值时，则进入步骤e)；
e). 控制左右腿迅速回归站立状态
由中央控制器输出控制信号g0，通过驱动单元使机器人腿部系统的左右腿迅速回归站立状态；
f). 控制机器人回到立正状态
中央控制器输出控制信号g1，通过驱动单元使机器人腿部系统的左右腿回到立正状态，使机器人重心投影落在两腿投影线中点，同时机器人手部系统的左右手臂回到立正状态，贴在身体两侧自然伸直；
g). 控制机器人平稳下蹲
中央控制器输出控制信号g2，通过驱动单元使机器人腿部系统的左右腿弯曲，降低机器人重心，平稳地下蹲；
h). 断开运动执行模块电源
中央控制器输出控制信号g3，由电源管理单元断开运动执行模块的电源，所有电机停止工作，机器人保持下蹲姿势。
本发明的更进一步技术方案是：在步骤e)中，当k1、k2、…、k19至少有一个大于阈值时，还同时通过信息发送单元发送包括图片信息、位置信息、故障机器人编号、故障电机编号在内的故障信息给后台管控单元和移动设备；并同时通过报警信号输出单元发送声光报警信息到机器人机身系统上的声光报警器。
由于采用上述结构，本发明之碰撞防摔机器人及其控制方法与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.防止机器人受到碰撞后摔倒
本发明是个多自由度人型机器人，具有与人体运动关节一致的机器人运动关节；其控制系统包括倾角传感器、单片机；单片机包括信号采集单元、存储单元、中央控制器、电源管理单元、驱动单元。本发明是在碰撞防摔机器人的每个机器人运动关节都安装有倾角传感器，机器人在安装调试完成后通过倾角传感器采集各个机器人运动关节的标准倾角值并存储在存储单元中，在机器人运行中，倾角传感器实时采集各个机器人运动关节的实时倾角值并和存储单元中的标准倾角值实时比较，当偏差超过设置阈值就立刻控制运动执行模块调整机器人迅速回归立正并下蹲。因此，本发明在检测到机器人即将摔倒时，立刻调整机器人迅速回归立正并下蹲的稳定状态，可防止机器人因受到碰撞后重心不稳而倒地摔坏。
2.可避免机器人碰撞摔倒后电机损坏
本发明是在碰撞防摔机器人的每个机器人运动关节都安装有倾角传感器，机器人在安装调试完成后通过倾角传感器采集各个机器人运动关节的标准倾角值并存储在存储单元中，在机器人运行中，倾角传感器实时采集各个机器人运动关节的实时倾角值并和存储单元中的标准倾角值实时比较，当偏差超过设置阈值就立刻控制运动执行模块调整机器人迅速回归立正并下蹲，再通过电源管理单元断开运动执行模块的电源，机器人停止并保持在下蹲状态。因此，本发明在检测到机器人即将摔倒时，不仅可使机器人迅速回归立正并下蹲的稳定状态，还可及时断开各个电机的电源，从而可达到防止机器人受到碰撞后电机还一直处于工作状态而造成电机负载过大而烧坏、电机齿轮崩裂、电源漏电、控制系统紊乱的效果。
2.减少维修人员工作量
本发明在运行中，倾角传感器实时采集各个机器人运动关节的实时倾角值并和存储单元中的标准倾角值实时比较，当偏差超过设置阈值时还同时通过信息发送单元发送包括图片信息、位置信息、故障机器人编号、故障电机编号在内的故障信息给后台管控单元和移动设备；同时通过报警信号输出单元发送声光报警信息到机器人机身系统上的声光报警器。因此，本发明可以精准定位到损坏的机器人，从而达到减少维修人员工作量，提高工作效率，减少运营成本的效果。
3. 安全可靠
本发明是在各个机器人运动关节都安装有倾角传感器，通过该倾角传感器采集各个机器人运动关节的实时倾角值，并通过中央控制器将该实时倾角值与存储单元中的标准倾角值作比较，当比较结果至少有一个大于阈值时，中央控制器即输出控制信号控制运动执行模块调整机器人迅速回归立正并下蹲，并断开运动执行模块的电源，使机器人停止并保持在下蹲状态。因此本发明比较安全可靠。
4.结构简单，成本低：
本发明的结构采用比较简单，生产成本较低，易于推广使用。
下面，结合附图和实施例对本发明之碰撞防摔机器人及其控制方法的技术特征作进一步的说明。
附图说明
图1：实施例一所述本发明之碰撞防摔机器的结构示意图，
图2：实施例一所述本发明之碰撞防摔机器人的控制系统的结构框图，
图3：实施例二所述本发明之碰撞防摔机器人控制方法的流程图，
图中的各标号说明如下：
1-机器人腿部系统，
2-机器人机身系统，
3-机器人手部系统，
4-机器人头部系统，
5-控制系统，
501-倾角传感器，502-单片机，
5021-信号采集单元，5022-存储单元，5023-中央控制器，5024-报警信号输出单元，5025-电源管理单元，5026-驱动单元，5027-信息发送单元，
503-后台管控单元，504-移动设备，505-声光报警器，
6-机器人电源系统，7-关节电机。
具体实施方式
实施例一：
一种碰撞防摔机器人，包括机器人腿部系统1、机器人机身系统2、机器人手部系统3、机器人头部系统4、控制系统5、机器人电源系统6；该机器人是个多自由度人型机器人，具有与人体运动关节一致的19个机器人运动关节，该19个机器人运动关节分别分布在机器人腿部系统1、机器人机身系统2、机器人手部系统3中，19个机器人运动关节均包括有一个关节电机7。所述的机器人腿部系统1、机器人手部系统3的顶端分别与机器人机身系统2的输出端连接；机器人头部系统4的底端与机器人机身系统2的输出端连接；所述的控制系统5和机器人电源系统6相连接且都安装在机器人机身系统2内。
所述的控制系统5包括倾角传感器501、单片机502、后台管控单元503、移动设备504、声光报警器505；其中：
所述的倾角传感器501安装在各个机器人运动关节上，用于采集各个机器人运动关节的倾角值；
所述的单片机502包括信号采集单元5021、存储单元5022、中央控制器5023、报警信号输出单元5024、电源管理单元5025、驱动单元5026、信息发送单元5027；
所述的中央控制器5023的信号输入端通过信号采集单元5021与倾角传感器501的信号输出端连接；中央控制器5023的信号输入输出端与存储单元5022连接；中央控制器5023的信号输出端分别与电源管理单元5025、驱动单元5026的信号输入端连接，电源管理单元5025、驱动单元5026的信号输出端分别与运动执行模块的信号输入端连接；所述的中央控制器5023的信号输出端还通过信息发送单元5027与后台管控单元503、移动设备504的信号输入端连接，中央控制器5023的信号输出端还通过报警信号输出单元5024与安装在机器人机身系统2上的声光报警器505连接。
上述的运动执行模块包括所述的机器人腿部系统1、机器人机身系统2、机器人手部系统3、机器人头部系统4，且该机器人腿部系统1、机器人机身系统2、机器人手部系统3、机器人头部系统4均属于现有技术。
上述的信号采集单元5021、存储单元5022、中央控制器5023、报警信号输出单元5024、驱动单元5026、均采用常用的电子元器件，电源管理单元5025为常用的电源开关，信息发送单元5027为常用的无线发射器。
实施例二：
一种碰撞防摔机器人控制方法，该方法是在碰撞防摔机器人的每个机器人运动关节都安装有倾角传感器501，机器人安装调试完成后通过倾角传感器501采集各个机器人运动关节的标准倾角值并存储在存储单元5022中，在机器人运行中，倾角传感器501实时采集各个机器人运动关节的实时倾角值并和存储单元5022中的标准倾角值实时比较，当偏差超过设置阈值就立刻控制运动执行模块调整机器人迅速回归立正并下蹲，再通过电源管理单元5025断开运动执行模块的电源，机器人停止并保持在下蹲状态。当偏差超过设置阈值还同时通过信息发送单元发送包括图片信息、位置信息、故障机器人编号、故障电机编号在内的故障信息给后台管控单元503和移动设备504；同时通过报警信号输出单元发送声光报警信息到机器人机身系统上的声光报警器。
该方法包括以下步骤：
a). 采集标准倾角值
机器人在完成调试后，通过倾角传感器501采集各个机器人运动关节的倾角值β1、β2、…、β19并存储在存储单元5022中，倾角值β1、β2、…、β19为各组动作运行时的标准倾角值；
b). 采集实时倾角值
机器人运行时，倾角传感器501实时采集各组动作的各个机器人运动关节的实时倾角值Φ1、Φ2、…、Φ19；
c).求取实时倾角值与标准倾角值的偏差值
中央控制器将采集到的实时倾角值Φ1、Φ2、…、Φ19与存储在存储单元中的标准倾角值β1、β2、…、β19做比较，求取各个实时倾角值与对应标准倾角值的偏差值：k1=│Φ1-β1│、k2=│Φ2-β2│、…、k19=│Φ19-β19│；
d) .判断偏差值是否大于阈值
中央控制器判断偏差值是否大于阈值，如果否，则重复步骤b)，继续保持监控；如果当k1、k2、…、k19至少有一个大于阈值时，则进入步骤e)；
e). 控制左右腿迅速回归站立状态
由中央控制器输出控制信号g0，通过驱动单元使机器人腿部系统1的左右腿迅速回归站立状态；
f). 控制机器人回到立正状态
中央控制器5023输出控制信号g1，通过驱动单元5026使机器人腿部系统1的左右腿回到立正状态，使机器人重心投影落在两腿投影线中点，同时机器人手部系统3的左右手臂回到立正状态，贴在身体两侧自然伸直；
g). 控制机器人平稳下蹲
中央控制器5023输出控制信号g2，通过驱动单元5026使机器人腿部系统1的左右腿弯曲，降低机器人重心，平稳地下蹲；
h). 断开运动执行模块电源
中央控制器5023输出控制信号g3，由电源管理单元5025断开运动执行模块的电源，所有电机停止工作，机器人保持下蹲姿势。
在步骤e)中，当k1、k2…k19至少有一个大于阈值时，还同时通过信息发送单元发送包括图片信息、位置信息、故障机器人编号、故障电机编号在内的故障信息给后台管控单元503和移动设备504；并同时通过报警信号输出单元发送声光报警信息到机器人机身系统上的声光报警器。
Claims (4)
1. 一种碰撞防摔机器人控制方法，其特征在于：该方法是在碰撞防摔机器人的每个机器人运动关节都安装有倾角传感器（501），机器人安装调试完成后通过倾角传感器（501）采集各个机器人运动关节的标准倾角值并存储在存储单元（5022）中，在机器人运行中，倾角传感器（501）实时采集各个机器人运动关节的实时倾角值并和存储单元（5022）中的标准倾角值实时比较，当偏差超过设置阈值就立刻控制运动执行模块调整机器人迅速回归立正并下蹲，再通过电源管理单元（5025）断开运动执行模块的电源，机器人停止并保持在下蹲状态；该方法包括以下步骤：
a). 采集标准倾角值
机器人在完成调试后，通过倾角传感器（501）采集各个机器人运动关节的倾角值β1、β2、…、β19并存储在存储单元（5022）中，倾角值β1、β2、…、β19为各组动作运行时的标准倾角值；
b). 采集实时倾角值
机器人运行时，倾角传感器（501）实时采集各组动作的各个机器人运动关节的实时倾角值Φ1、Φ2、…、Φ19；
c).求取实时倾角值与标准倾角值的偏差值
中央控制器将采集到的实时倾角值Φ1、Φ2、…、Φ19与存储在存储单元中的标准倾角值β1、β2、…、β19做比较，求取各个实时倾角值与对应标准倾角值的偏差值：k1=│Φ1-β1│、k2=│Φ2-β2│、…、k19=│Φ19-β19│；
d) .判断偏差值是否大于阈值
中央控制器判断偏差值是否大于阈值，如果否，则重复步骤b)，继续保持监控；如果当k1、k2、…、k19至少有一个大于阈值时，则进入步骤e)；
e). 控制左右腿迅速回归站立状态
由中央控制器输出控制信号g0，通过驱动单元使机器人腿部系统（1）的左右腿迅速回归站立状态；
f). 控制机器人回到立正状态
中央控制器（5023）输出控制信号g1，通过驱动单元（5026）使机器人腿部系统（1）的左右腿回到立正状态，使机器人重心投影落在两腿投影线中点，同时机器人手部系统（3）的左右手臂回到立正状态，贴在身体两侧自然伸直；
g). 控制机器人平稳下蹲
中央控制器（5023）输出控制信号g2，通过驱动单元（5026）使机器人腿部系统（1）的左右腿弯曲，降低机器人重心，平稳地下蹲；
h). 断开运动执行模块电源
中央控制器（5023）输出控制信号g3，由电源管理单元（5025）断开运动执行模块的电源，所有电机停止工作，机器人保持下蹲姿势。
2.根据权利要求1所述的碰撞防摔机器人控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：在步骤e)中，当k1、k2、…、k19至少有一个大于阈值时，还同时通过信息发送单元发送包括图片信息、位置信息、故障机器人编号、故障电机编号在内的故障信息给后台管控单元（503）和移动设备（504）；并同时通过报警信号输出单元发送声光报警信息到机器人机身系统上的声光报警器。
3.根据权利要求1所述的碰撞防摔机器人控制方法，其特征在于：所述的碰撞防摔机器人，包括机器人腿部系统（1）、机器人机身系统（2）、机器人手部系统（3）、机器人头部系统（4）、控制系统（5）、机器人电源系统（6）；该机器人是个多自由度人型机器人，具有与人体运动关节一致的机器人运动关节；所述的控制系统（5）包括倾角传感器（501）、单片机（502）；所述的单片机（502）包括信号采集单元（5021）、存储单元（5022）、中央控制器（5023）、电源管理单元（5025）、驱动单元（5026）；所述的倾角传感器（501）安装在各个机器人运动关节上，该倾角传感器（501）的信号输出端通过信号采集单元（5021）与中央控制器（5023）的信号输入端连接；存储单元（5022）与中央控制器（5023）的信号输入输出端连接；中央控制器（5023）的信号输出端分别与电源管理单元（5025）、驱动单元（5026）的信号输入端连接，电源管理单元（5025）、驱动单元（5026）的信号输出端分别与运动执行模块的信号输入端连接；上述的运动执行模块包括所述的机器人腿部系统（1）、机器人机身系统（2）、机器人手部系统（3）、机器人头部系统（4）。
4.根据权利要求3所述的碰撞防摔机器人控制方法，其特征在于：所述的控制系统（5）还包括有后台管控单元（503）、移动设备（504）、声光报警器（505），所述的单片机还包括有信息发送单元（5027）、报警信号输出单元（5024），所述的中央控制器（5023）的信号输出端通过信息发送单元（5027）与后台管控单元（503）、移动设备（504）的信号输入端连接，中央控制器（5023）的信号输出端还通过报警信号输出单元（5024）与安装在机器人机身系统（2）上的声光报警器（505）连接。
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