CN112589799A - 一种面向集群的微型桌面机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向集群的微型桌面机器人，步进电机设置在机器人的上顶板和下顶板之间，步进电机两端通过螺钉分别固定在左侧电机固定板和右侧电机固定板上；左侧电机固定板和右侧电机固定板固定在上顶板和下顶板之间；万向支撑轮、左轮和右轮同时接触地面，三者与地面的接触点构成等腰三角形；上顶板上设置感知决策层，下顶板上设置执行驱动层；感知决策层与执行驱动层为双层印刷电路板，感知决策层与执行驱动层相互独立工作，由感知决策层向执行驱动层经通用串行接口发送运动控制命令；本发明具有工作稳定、灵活性强、成本低廉、易于开发的优势，具有良好的工程应用价值。

Description

一种面向集群的微型桌面机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种微型桌面机器人。

背景技术

智能移动机器人，是具有环境感知、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、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，在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用。

对于复杂应用场景，多机器人协作逐渐取代单机器人，成为提高任务执行效率的有效途径。传统的中心控制方式是根据系统状态对所有机器人行为进行统一规划，一定程度上解决了多机器人协同问题。但当系统规模较大时，中心控制方法面临诸多挑战，如容错能力不足，少数个体故障可能导致系统功能失效，计算开销急剧增大，难以及时响应突发因素。因此，复杂场景下，多机器人协作必须以集群自组织运动控制算法为基础。

目前，大多数集群机器人的自组织运动控制算法的研究停留在计算机仿真模拟的层面上，研究人员所设计的集群自组织运动控制算法的有效性、可迁移性无法得到验证。因此，设计并实现面向集群的微型桌面机器人是研究和验证集群自组织运动算法必备基础，需要性能可靠、易于开发使用的微型桌面级机器人。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种面向集群的微型桌面机器人，步进电机设置在机器人的上顶板和下顶板之间，步进电机两端通过螺钉分别固定在左侧电机固定板和右侧电机固定板上；左侧电机固定板和右侧电机固定板固定在上顶板和下顶板之间；万向支撑轮、左轮和右轮同时接触地面，三者与地面的接触点构成等腰三角形；上顶板上设置感知决策层，下顶板上设置执行驱动层；感知决策层与执行驱动层为双层印刷电路板，感知决策层与执行驱动层相互独立工作，由感知决策层向执行驱动层经通用串行接口发送运动控制命令；本发明具有工作稳定、灵活性强、成本低廉、易于开发的优势，具有良好的工程应用价值。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种面向集群的微型桌面机器人，包括上顶板、下顶板、步进电机、左侧电机固定板、右侧电机固定板、左轮、右轮、万向支撑轮和固定铜柱；

所述上顶板和下顶板平行于地面放置，上顶板和下顶板之间用多根固定铜柱固定连接；所述步进电机设置在上顶板和下顶板之间，步进电机左右两端通过螺钉分别固定在左侧电机固定板和右侧电机固定板上；所述左侧电机固定板和右侧电机固定板竖直放置，所述左侧电机固定板的上端和右侧电机固定板的上端分别插入上顶板左右两边预留安装槽，所述下顶板左右两端分别插入左侧电机固定板和右侧电机固定板上预留的安装槽；所述左轮安装在左侧电机固定板外侧，所述右轮安装在右侧电机固定板外侧；所述万向支撑轮安装在下顶板预留的万向支撑轮安装涵洞上；所述万向支撑轮、左轮和右轮同时接触地面，确保上顶板和下顶板保持水平；所述万向支撑轮、左轮和右轮三者与地面的接触点构成等腰三角形，万向支撑轮与地面的接触点为等腰三角形顶点；

所述上顶板上设置感知决策层，下顶板上设置执行驱动层；所述感知决策层与执行驱动层为双层印刷电路板，感知决策层与执行驱动层两层之间的电气连接为通用串行接口；感知决策层与执行驱动层相互独立工作，由感知决策层向执行驱动层经通用串行接口发送运动控制命令；

所述感知决策层包含第一微型中央处理器、模拟信号传感器接口、二值信号传感器接口、串行通信接口、2.4g无线通讯模块、红外通信模块和第一电源模块；所述模拟信号传感器接口、二值信号传感器接口、串行通信接口、2.4g无线通讯模块、红外通信模块和第一电源模块分别直接连接到第一微型中央处理器；所述感知决策层通过模拟信号传感器接口或二值信号传感器接口连接环境感知传感器，用于机器人感知周围环境刺激信息；所述串行通信接口用于向执行驱动层发送控制命令；所述2.4g无线通信模块采用半双工通信模式，用于机器人与控制机器人的上位机进行通信，包括机器人接收上位机控制信息，向上位机回传机器人运动状态信息；所述红外通信模块包括红外信号发射器、红外信号接收器和信号处理电路，所述红外信号发射器950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，采用脉位调制方式，将二进制数字信号调制成指定频率的脉冲序列，并驱动红外信号发射器上的红外发射管以光脉冲的形式发送；所述红外信号接收器将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大和滤波处理后送给信号处理电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出给第一微型中央处理器；所述第一电源模块包括第一3.3V稳压电源和第一5.0V稳压电源，所述第一3.3V稳压电源为第一微型中央处理器和连接的传感器供电，所述第一5.0V稳压电源为2.4g无线通信模块和红外通信模块供电；所述第一电源模块的输入端为7.4V锂电池；

所述执行驱动层包含第二微型中央处理器、串行通信接口、步进电机驱动模块、红外避障模块、舵机接口、姿态感知模块和第二电源模块；所述串行通信接口、步进电机驱动模块、红外避障模块、舵机接口、姿态感知模块和第二电源模块分别直接连接到第二微型中央处理器；所述串行通信接口用于接收感知决策层发出的控制命令；所述步进电机驱动模块作为驱动器增强第二微型中央处理器的输出控制信号，并保护执行驱动层上的集成电路芯片防止受到步进电机开关时产生的自感电势的冲击；所述红外避障模块包括红外发射管、红外接收管、红外发射驱动电路、红外接收处理电路和避障距离调节电路，用于机器人紧急避障，保证机器人安全运行；所述姿态感知模块获取机器人的偏航角、俯仰角、横滚角；所述舵机接口用于机器人扩展机器臂；所述第二电源模块包括第二3.3V稳压电源和第二5.0V稳压电源，所述第二3.3V稳压电源为第二微型中央处理器、红外避障模块、姿态感知模块和步进电机驱动模块供电，提供信号电源；所述第二5.0V稳压电源为步进电机提供动力电源；所述第一电源模块的输入端为7.4V锂电池；所述信号电源与动力电源互相独立。

优选地，所述环境感知传感器包括但不限于红外传感器、光强传感器。

本发明的有益效果如下：

1、本发明具有工作稳定、灵活性强、成本低廉、易于开发的优势。

2、区别于常规的移动机器人，采用分层式设计方法，有效的将机器人的感知决策与执行驱动方式分割，有助于集群自组织运动控制算法在海、陆、空等不同的领域向机器集群迁移，例如无人机集群、无人船集群、无人车集群等。

3、本发明充分考虑集群自组织运动控制算法的多样性，具备多种传感器的接口，具备多种通信方式，包括2.4g无线通信、红外通信，可实现分布式通信、集中通信两种模式。因此，本发明具有良好的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明感知决策层系统框图。

图2为本发明执行驱动层系统框图。

图3为本发明感知决策层与执行驱动层连接关系框图。

图4为本发明机器人结构示意图，其中(a)为机器人装配图，(b)机器人零件分解图，(c)感知决策层结构图，(d)执行驱动层结构图。

其中：1-机器人；2-上顶板；3-下顶板；4-固定铜柱；5-左侧电机固定板；6-左轮；7-右轮；8-万向支撑轮；9-万向支撑轮安装涵洞；10-右侧电机固定板；11-步进电机；12-铜柱安装螺孔；13-电机固定板预留安装槽；14-上顶板预留安装槽；15-下顶板预留安装接口；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图4所示，本发明提供一种面向集群的微型桌面机器人，包括上顶板2、下顶板3、步进电机11、左侧电机固定板5、右侧电机固定板10、左轮6、右轮7、万向支撑轮8和固定铜柱4；

所述上顶板2和下顶板3平行于地面放置，上顶板2和下顶板3之间用多根固定铜柱4固定连接；所述步进电机11设置在上顶板2和下顶板3之间，步进电机11左右两端通过螺钉分别固定在左侧电机固定板5和右侧电机固定板10上；所述左侧电机固定板5和右侧电机固定板10竖直放置，所述左侧电机固定板5的上端和右侧电机固定板10的上端分别插入上顶板2左右两边预留安装槽，所述下顶板3左右两端分别插入左侧电机固定板5和右侧电机固定板10上预留的安装槽；所述左轮6安装在左侧电机固定板5外侧，所述右轮7安装在右侧电机固定板10外侧；所述万向支撑轮8安装在下顶板3预留的万向支撑轮安装涵洞9上；所述万向支撑轮8、左轮6和右轮7同时接触地面，确保上顶板2和下顶板3保持水平；所述万向支撑轮8、左轮6和右轮7三者与地面的接触点构成等腰三角形，万向支撑轮8与地面的接触点为等腰三角形顶点；

所述上顶板2上设置感知决策层，下顶板3上设置执行驱动层；所述感知决策层与执行驱动层为双层印刷电路板，感知决策层与执行驱动层两层之间的电气连接为通用串行接口；感知决策层与执行驱动层相互独立工作，由感知决策层向执行驱动层经通用串行接口发送运动控制命令；

所述感知决策层包含第一微型中央处理器、模拟信号传感器接口、二值信号传感器接口、串行通信接口、2.4g无线通讯模块、红外通信模块和第一电源模块；所述模拟信号传感器接口、二值信号传感器接口、串行通信接口、2.4g无线通讯模块、红外通信模块和第一电源模块分别直接连接到第一微型中央处理器；所述感知决策层通过模拟信号传感器接口或二值信号传感器接口连接环境感知传感器，用于机器人感知周围环境刺激信息；所述串行通信接口用于向执行驱动层发送控制命令；所述2.4g无线通信模块采用半双工通信模式，用于机器人与控制机器人的上位机进行通信，包括机器人接收上位机控制信息，向上位机回传机器人运动状态信息；所述红外通信模块包括红外信号发射器、红外信号接收器和信号处理电路，所述红外信号发射器950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，采用脉位调制方式，将二进制数字信号调制成指定频率的脉冲序列，并驱动红外信号发射器上的红外发射管以光脉冲的形式发送；所述红外信号接收器将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大和滤波处理后送给信号处理电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出给第一微型中央处理器；所述第一电源模块包括第一3.3V稳压电源和第一5.0V稳压电源，所述第一3.3V稳压电源为第一微型中央处理器和连接的传感器供电，所述第一5.0V稳压电源为2.4g无线通信模块和红外通信模块供电；所述第一电源模块的输入端为7.4V锂电池；

所述执行驱动层包含第二微型中央处理器、串行通信接口、步进电机驱动模块、红外避障模块、舵机接口、姿态感知模块和第二电源模块；所述串行通信接口、步进电机驱动模块、红外避障模块、舵机接口、姿态感知模块和第二电源模块分别直接连接到第二微型中央处理器；所述串行通信接口用于接收感知决策层发出的控制命令；所述步进电机驱动模块作为驱动器增强第二微型中央处理器的输出控制信号，并保护执行驱动层上的集成电路芯片防止受到步进电机开关时产生的自感电势的冲击；所述红外避障模块包括红外发射管、红外接收管、红外发射驱动电路、红外接收处理电路和避障距离调节电路，用于机器人紧急避障，保证机器人安全运行；所述姿态感知模块获取机器人的偏航角、俯仰角、横滚角；所述舵机接口用于机器人扩展机器臂；所述第二电源模块包括第二3.3V稳压电源和第二5.0V稳压电源，所述第二3.3V稳压电源为第二微型中央处理器、红外避障模块、姿态感知模块和步进电机驱动模块供电，提供信号电源；所述第二5.0V稳压电源为步进电机提供动力电源；所述第一电源模块的输入端为7.4V锂电池；所述信号电源与动力电源互相独立。

具体实施例：

如图1所示，感知决策层包括微型中央处理器，微型中央处理器为基于cortex-M3内核的32位ARM架构的嵌入式中央处理器，微型中央处理器运行前后台操作系统，前台系统以轮询方式执行环境感知、运动决策，后台系统以中断方式接收上位机信息。红外通信模块共包括6组红外发射-接收管及其信号处理电路，6组红外发射-接收管均匀分布在感知决策层四周，实现360度无盲区红外通信。2.4g无线通信模块采用贴片式NRF24L01，贴片式芯片有助于高效利用空间以便容纳更多的传感器器件，2.4g无线通信模块与微型中央处理器芯片采用SPI接口通信，当2.4g无线通信模块接收到来自上位机的一帧信号后保存到芯片flash缓存中，向微型中央处理器芯片传递下降沿触发信号，微型中央处理器芯片收到信号后，读取2.4g无线通信模块缓存中的数据帧。模拟信号传感器接口由嵌入式微型中央处理器内部的模数转换接口提供，模数转换精度为12位，模拟信号传感器支持单次、连续、扫描或间断执行，模拟信号传感器的输出可以左对齐或右对齐储存在嵌入式微型中央处理器的16位数据寄存器中，可接受的输入频率高达14Mhz。二值信号传感器接口由嵌入式微型中央处理器内部的外部中断/事件控制器提供，每个二值信号传感器接口对应一个中断/事件线，可以实现对二值信号传感器输出的上升沿检测和下降沿的检测，以单独对每个二值信号传感器接口配置为中断或者事件，以及触发事件的属性。串行通信接口由嵌入式微型中央处理器内部通用同步异步收发器提供，可以灵活的与外部设备进行全双工数据交换。电源模块包括3.3V稳压电源、5.0V稳压电源，其中3.3V稳压电源的核心稳压芯片为AMS1117-3.3,5.0V稳压电源的核心稳压芯片为AMS1117-5.0，稳压芯片的输入来自7.4V锂电池，3.3V稳压电源的输出连接嵌入式微型中央处理器，5.0V稳压电源的输出连接2.4G无线通信模块、红外通信模块。

如图2所示，执行驱动层包括微型中央处理器，微型中央处理器为基于cortex-M3内核的32位ARM架构的嵌入式中央处理器，微型中央处理器运行前后台系统，以循环方式执行感知决策层的控制命令，以定时中断方式接收感知决策层的控制命令。红外避障模块用于机器人紧急避障，保证机器人在决策间隙中安全运行，红外避障模块包括3组红外发射-接收管，均匀分布在执行驱动层前侧。姿态感知模块采用MPU6050姿态传感器，姿态感知模块与嵌入式微型控制器之间通过集成电路总线(IIC)通信，能够获取机器人的偏航角、俯仰角、横滚角，也可获得机器人当前的三轴加速度、三轴角速度，实现机器人对自身运动轨迹的推算。步进电机驱动模块采用ULN2803步进电机驱动模块，步进电机为四相五线电机，步进电机驱动模块的输入端与嵌入式微型控制器的IO引脚相连，嵌入式微型控制器对步进电机采用八拍控制方式。串行通信接口由执行驱动层上微型中央处理器内部的通用同步异步收发器提供，用于接收感知决策层发来的运动控制命令。舵机接口由执行驱动层上的微型中央处理器内部的高级定时器提供，通过配置定时器的捕获比较寄存器,将寄存器值和计数器值比较,通过比较结果输出高低电平,实现PWM信号的输出，达到控制舵机的目的，舵机接口可用于机器人扩展机器臂。电源模块包括3.3V稳压电源电路、5.0V稳压电源电路，其中3.3V稳压电源电路的核心稳压芯片为AMS1117-3.3,5.0V稳压电源电路的核心稳压芯片为AMS1117-5.0，稳压芯片的输入来自7.4V锂电池，3.3V稳压电源的输出连接嵌入式微型中央处理器、姿态感知模块、红外避障模块、步进电机驱动模块，5.0V稳压电源电路为步进电机提供电源，信号电源与动力电源独立，有利于稳定工作。

如图3所示，感知决策层与执行驱动层之间采用通用串行接口连接，经串口传输感知决策层的运动决策信息。

Claims (2)

1.一种面向集群的微型桌面机器人，其特征在于，包括上顶板、下顶板、步进电机、左侧电机固定板、右侧电机固定板、左轮、右轮、万向支撑轮和固定铜柱；

所述上顶板和下顶板平行于地面放置，上顶板和下顶板之间用多根固定铜柱固定连接；所述步进电机设置在上顶板和下顶板之间，步进电机左右两端通过螺钉分别固定在左侧电机固定板和右侧电机固定板上；所述左侧电机固定板和右侧电机固定板竖直放置，所述左侧电机固定板的上端和右侧电机固定板的上端分别插入上顶板左右两边预留安装槽，所述下顶板左右两端分别插入左侧电机固定板和右侧电机固定板上预留的安装槽；所述左轮安装在左侧电机固定板外侧，所述右轮安装在右侧电机固定板外侧；所述万向支撑轮安装在下顶板预留的万向支撑轮安装涵洞上；所述万向支撑轮、左轮和右轮同时接触地面，确保上顶板和下顶板保持水平；所述万向支撑轮、左轮和右轮三者与地面的接触点构成等腰三角形，万向支撑轮与地面的接触点为等腰三角形顶点；

所述上顶板上设置感知决策层，下顶板上设置执行驱动层；所述感知决策层与执行驱动层为双层印刷电路板，感知决策层与执行驱动层两层之间的电气连接为通用串行接口；感知决策层与执行驱动层相互独立工作，由感知决策层向执行驱动层经通用串行接口发送运动控制命令；

所述感知决策层包含第一微型中央处理器、模拟信号传感器接口、二值信号传感器接口、串行通信接口、2.4g无线通讯模块、红外通信模块和第一电源模块；所述模拟信号传感器接口、二值信号传感器接口、串行通信接口、2.4g无线通讯模块、红外通信模块和第一电源模块分别直接连接到第一微型中央处理器；所述感知决策层通过模拟信号传感器接口或二值信号传感器接口连接环境感知传感器，用于机器人感知周围环境刺激信息；所述串行通信接口用于向执行驱动层发送控制命令；所述2.4g无线通信模块采用半双工通信模式，用于机器人与控制机器人的上位机进行通信，包括机器人接收上位机控制信息，向上位机回传机器人运动状态信息；所述红外通信模块包括红外信号发射器、红外信号接收器和信号处理电路，所述红外信号发射器950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，采用脉位调制方式，将二进制数字信号调制成指定频率的脉冲序列，并驱动红外信号发射器上的红外发射管以光脉冲的形式发送；所述红外信号接收器将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大和滤波处理后送给信号处理电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出给第一微型中央处理器；所述第一电源模块包括第一3.3V稳压电源和第一5.0V稳压电源，所述第一3.3V稳压电源为第一微型中央处理器和连接的传感器供电，所述第一5.0V稳压电源为2.4g无线通信模块和红外通信模块供电；所述第一电源模块的输入端为7.4V锂电池；

所述执行驱动层包含第二微型中央处理器、串行通信接口、步进电机驱动模块、红外避障模块、舵机接口、姿态感知模块和第二电源模块；所述串行通信接口、步进电机驱动模块、红外避障模块、舵机接口、姿态感知模块和第二电源模块分别直接连接到第二微型中央处理器；所述串行通信接口用于接收感知决策层发出的控制命令；所述步进电机驱动模块作为驱动器增强第二微型中央处理器的输出控制信号，并保护执行驱动层上的集成电路芯片防止受到步进电机开关时产生的自感电势的冲击；所述红外避障模块包括红外发射管、红外接收管、红外发射驱动电路、红外接收处理电路和避障距离调节电路，用于机器人紧急避障，保证机器人安全运行；所述姿态感知模块获取机器人的偏航角、俯仰角、横滚角；所述舵机接口用于机器人扩展机器臂；所述第二电源模块包括第二3.3V稳压电源和第二5.0V稳压电源，所述第二3.3V稳压电源为第二微型中央处理器、红外避障模块、姿态感知模块和步进电机驱动模块供电，提供信号电源；所述第二5.0V稳压电源为步进电机提供动力电源；所述第一电源模块的输入端为7.4V锂电池；所述信号电源与动力电源互相独立。

2.根据权利要求1所述的一种面向集群的微型桌面机器人，其特征在于，所述环境感知传感器包括但不限于红外传感器、光强传感器。

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