CN113183140B - 一种可换挡连接的仿生蛇形机器人及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可换挡连接的仿生蛇形机器人及控制系统，每个舵机与头尾两个连接件组合成一个运动单元，采用连接件内部的齿轮与弹簧‑小球组合件配合，使机器人能够在正交连接与平行连接间任意转换；步态代码以蜿蜒运动为基础，扩展出U形翻转，侧向运动，行波运动，螺旋上升等多种步态。本发明能够在小尺寸前提下实现挡位切换和步态选择，用于提高机器人的整体效率。

Description

一种可换挡连接的仿生蛇形机器人及控制系统

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，尤其涉及一种可换挡连接的仿生蛇形机器人及控制系统。

背景技术

随着仿生科技领域的大力发展，研发仿生机器人成为机器人开发的重要分支。蛇形机器人能够像生物蛇一样实现“无肢运动”，因而被国际机器人业界称为“最富有现代感的机器人”。而目前国内外关于蛇形机器人的研制大多处于单一步态的仿真和调试阶段，机器人的结构较为复杂，且舵机之间的连接方式无法转换，往往只能满足特定的工作条件和工作环境，缺乏适应性和灵活性。且大多现有的蛇形机器人关节较为复杂，需要多种机械结构实现串联效果，使得机器人整体尺寸较大，失去了在狭窄空间侦察的功能。

发明内容

为了能够在小尺寸前提下实现挡位切换和步态选择，用于提高机器人的整体效率。本发明提供一种可换挡连接的仿生蛇形机器人及控制系统。

本发明的一种可换挡连接的仿生蛇形机器人，其结构部分为：若干舵机由转换连接件首尾连接形成机器人的主体。转换连接件包括头部连接件和尾部连接件，头部连接件与舵机头部固定连接，头部连接件内置凸轴；尾部连接件连接在舵机尾部，尾部连接件内置齿轮；尾部连接件与相邻舵机的头部连接件通过螺栓实现轴向固定。

头部连接件顶部留有小孔用于安装弹簧，弹簧尾端固连一小球，小球与尾部连接件的齿轮配合实现确定角度的转动。

机器人的头部安装有一组激光测距传感器，机器人后部安装有一组蓝牙通讯模块，用于与用户通讯与指令选择。

每个舵机设有自适应电池盒，与转换连接件之间以滑槽插接，以适应舵机竖向转动时带来的高度变化。

转换连接件外表面贴一层海绵纸，消除突出部分，使机器人外表面平整；楔形带贴在机器人底部的海绵纸上，楔齿沿机器人前进方向贴合；防滑贴贴在机器人其他三面。

进一步的，基于转换连接件，机器人具有平行连接与正交连接两种形态；

在平行连接下，舵机依次连接方式为平行，机器人只能在平面运动，但每一组运动单元都能提供蜿蜒运动；转换连接件依次转动90°后，机器人切换为正交连接模式，相邻两组舵机单元之间角度差为90°，此时机器人舵机单元运动分为两类，平面转动与空间转动，因此机器人能够在空间实现侧向运动。

进一步的，舵机型号为XL-320。

本发明的一种可换挡连接的仿生蛇形机器人的控制系统：基于离散蛇形曲线设计机器人蜿蜒前进或后退步态，并通过修改相关参数依次得到行波运动步态，左右U形翻转步态，左右侧向运动步态，螺旋上升运动步态；控制模块如下：

多步态选择控制：基于多参数对照法，当用户端想要机器人实现某种步态时，通过蓝牙模块发送步态选择指令，控制器修改对照参数，并将多参数对照的步态控制函数顺次传输到各个舵机从而实现预期步态。

多种步态控制函数：集成了舵机正交连接，平行连接两种情况下的机器人蜿蜒运动、左右侧向运动、左右U形翻转运动、行波运动与螺旋上升运动，并根据机器人尺寸调整出其最优参数。下面给出各步态曲线的函数控制方法：

基于离散蛇形曲线的蛇形机器人蜿蜒步态：离散蛇形曲线（Serpentine）是一条控制蛇形运动曲率的曲线，由于本发明中机器人采用多个关节模块连接而成，故采用离散化后的离散蛇形曲线拟合蜿蜒运动步态。其中离散离散蛇形曲线上点的坐标需满足：

由于运动实现单元串行连接的特性，可对离散蛇形曲线做出简化，自变量从曲线点的位置坐标更改为舵机旋转角度，此时得到的舵机角度函数为；

其中，

表示第i个舵机的旋转角度与舵机序号i的关系，n为机器人舵机总数，a、w、phase、phi均为步态参数，可根据机器人实际大小进行修正。

行波运动与蜿蜒运动的步态相似，都为明显的形似正弦波特性，无需另外设计。

U形翻转运动只适用于舵机之间正交连接，此时当相邻两个单元的舵机旋转角度相位相差90°时，机器人可以实现翻转成U形后向一侧滚动的步态，具体函数为：

侧向运动只适用于舵机之间正交连接，在U形翻转运动步态的基础上，将舵机序列号因素添加到对应舵机的转动相位后，通过相邻舵机幅值的差异实现侧向的平动，具体函数为：

螺旋上升运动只适用于舵机之间正交连接，采用经典的包络线运动控制，在侧向运动步态的基础上，将运动幅值a做一定修改，具体函数为：

蓝牙通讯控制：通过蓝牙模块实现操作者与机器人的通讯，采用输入指令的方式改变机器人的步态；

舵机位置复原步态：在每次舵机初始化以及步态转换时添加舵机位置复位步态，将每个舵机旋转角度置为0°，避免了不同步态对同一个舵机的要求不同时造成的舵机角度异常。

舵机串联控制：每一个机器人单元直接串联，只需舵机初始化程序，无需驱动与稳压模块；

避障综合模块：以激光测距传感器检测到的数据作为评价标准，当机器人判断前方出现障碍时通过多种步态组合方法通过该障碍物。

进一步的，机器人采用OpenCM9.04作为控制板，Dynamixel2Arduino库作为舵机驱动工具，舵机串行连接使得步态函数分解为每个舵机的旋转函数，简化了蛇形机器人的运动数学模型。

本发明的有益技术效果为：

本发明针对目前国内外研究的蛇形机器人单元连接结构与步态控制函数提出了改进与集成，舵机串行控制的方式使控制变量从机器人运动曲线上任意点的坐标转换成相邻舵机间的旋转角度，降低了机器人开发难度。

在多数现存的轴孔连接的方式下做出改进，齿轮与弹簧的配合能够很好地实现轴向旋转固定，结合舵机结构设计的承载盘能够在不增加连接件尺寸的情况下实现轴向移动固定，整个单元结构简单，换挡方便，尺寸较小，能够很好地实现期望的功能。

基于离散蛇形曲线得出机器人蜿蜒运动步态控制函数，并通过修正相位角与运动幅值进一步得到U形翻转等多种步态函数，可开发性强。

基于多步态集成原理，提出了蛇形机器人综合运用多种运动步态实现通过不同尺寸障碍物的方法，步态切换时测量的距离能够帮助机器人更好地确定通过障碍物的最优路线。

附图说明

图1为本发明转换连接件平行连接时结构示意图。

图2为本发明转换连接件正交连接时机构示意图。

图3为本发明换挡单元结构示意图。

图4为本发明平行连接结构示意图。

图5为本发明正交连接结构示意图。

图6为本发明外皮包络结构示意图。

图7为本发明多步态选择流程示意图。

图8为本发明避障流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种可换挡连接的仿生蛇形机器人结构部分如图1、图2所示：若干舵机1由转换连接件首尾连接形成机器人的主体。转换连接件包括头部连接件3和尾部连接件2，头部连接件3与舵机1头部固定连接，头部连接件3内置凸轴；尾部连接件2连接在舵机1尾部，尾部连接件2内置齿轮21；尾部连接件2与相邻舵机1的头部连接件3通过螺栓6实现轴向固定。

如图3所示，头部连接件3顶部留有小孔用于安装弹簧4，弹簧4尾端固连一小球5，小球5与尾部连接件2的齿轮21配合实现确定角度的转动。当需要切换挡位时，旋转头部连接件3或者尾部连接件2，齿轮21推动小球5压缩弹簧4，当连接件转动使得小球5越过齿顶位置时，弹簧4伸长使得小球5顶住齿轮21完成转动约束，防止机器人在运动过程中由于舵机1转动造成错误的自主挡位切换。

机器人的头部安装有一组激光测距传感器，机器人后部安装有一组蓝牙通讯模块，用于与用户通讯与指令选择。

每个舵机1设有自适应电池盒，与转换连接件之间以滑槽插接，以适应舵机竖向转动时带来的高度变化。

进一步的，基于转换连接件，机器人具有平行连接（如图4所示）与正交连接（如图5所示）两种形态。

在平行连接下，舵机依次连接方式为平行，机器人只能在平面运动，但每一组运动单元都能提供蜿蜒运动，离散蛇形曲线更加接近连续，步态模拟效果更好。转换连接件依次转动90°后，机器人切换为正交连接模式，相邻两组舵机单元之间角度差为90°，此时机器人舵机单元运动分为两类，平面转动与空间转动，因此机器人能够在空间实现侧向运动等多种复杂步态，但平面投影蛇形曲线更为离散，步态模拟效果较平行连接较差。

参照图6，为增大蛇形机器人与地面的摩擦系数，防止出现打滑，在机器人四周贴合外皮包络，包络材料包括：海绵纸7、防滑贴8与楔形带9。海绵纸7质地柔软，且其厚度与XL-320舵机专用插接件相近，贴在转换连接件外第一层，消除了插接件的突出部分，机器人外表面平整，便于其他材料的添加。楔形带9贴在机器人底部的海绵纸7上，楔齿沿机器人前进方向贴合，此种连接方式能够使机器人与地面接触处的法相摩擦系数大于切向摩擦系数，使其在蜿蜒运动时产生前向运动的分力，该分力作为机器人前进的动力。防滑贴8贴在机器人其他三面，具有较大的摩擦系数，能够使机器人在螺旋上升运动时与柱面贴合可靠，不会下滑。在U形翻转运动中，侧面的防滑贴8能够使机器人做瞬时纯滚动，防止由于滑动产生位置不可靠影响步态函数的正确执行。

蛇形机器人通过蓝牙通讯传输指令，并用不同的字符代表不同的步态运动。通过多参数对照的方式决定机器人将以何种步态运动。具体参数为：舵机连接方式、舵机运动步态名、舵机运动方向三种。

例如：参照图7，以A表示蛇形机器人在正交连接模式下的向左侧向运动，则通过蓝牙输送A信号后，控制器判断是否为正交连接函数库，如果不是，则返回错误信息；否则将代表侧向运动的参数ROLL与代表方向向左的参数L分别输送至步态检索函数update，随后将向左侧向运动对应的各个舵机转角函数输送到舵机中，实现预期步态运动。同时，XL-320舵机会随时检测当前时刻的旋转角度是否与步态控制函数对应，如果对应，则继续执行函数；否则，将会以差速形式完成角度修正，使其快速回归预期位置。

由于串联舵机顺次连接的特点，具体的步态代码书写可以下分到每个单独舵机的运动函数控制。

例如：蛇形机器人在正交模式下进行蜿蜒前行运动，且偶数序号舵机用于在平面运动时，可根据离散蛇形曲线方程写出步态控制代码为：

且当机器人各关节挡位切换至平行连接时，蜿蜒运动步态控制代码简化为：

代码形式与行波运动相同，但对应各参数有所差异。该种舵机控制代码分别作用在每个舵机之上，控制方便，开发效率高，难度低，通过修改不同舵机的函数关系可以实现多种运动。

激光测距传感器位于机器人头部位置，机器人通过反馈回的距离值判断前方的基本路况。同时基于多步态集成控制方法设计一种蛇形机器人避障控制方法。参照图8，当激光测距传感器检测到前方恰当位置有障碍物时，机器人中止现行步态代码，同时调用舵机位置复位步态恢复至初始形态。随后调用行波运动步态，执行时间为半个运动周期，此时机器人头部舵机抬起，抬起位置为机器人能够通过行波运动越过的障碍物最大高度，该数值由行波运动步态函数的参数决定。抬起的头部上的传感器再次采集距离数据，若检测到无障碍，说明该障碍物高度小于机器人能够越过的最大高度，故机器人能够直接越过。否则，机器人无法越过该障碍，则需先后执行左、右向U形翻转运动，执行时间为半个运动周期，此时机器人的头部正对于左（右）侧，测距传感器分别度数，并记录较大数值，该方向为机器人绕过障碍物的最优方向，此时切换运动步态为对应方向的侧向运动步态，侧向运动能够保证机器人头部始终保持正向，传感器能够一直保持对距离的测量，直至机器人完全绕到障碍物一侧后，恢复前进步态，结束避障程序。

Claims (5)

1.一种可换挡连接的仿生蛇形机器人，其特征在于，若干舵机（1）由转换连接件首尾连接形成机器人的主体；转换连接件包括头部连接件（3）和尾部连接件（2），头部连接件（3）与舵机（1）头部固定连接，头部连接件（3）内置凸轴；尾部连接件（2）连接在舵机（1）尾部，尾部连接件（2）内置齿轮（21）；尾部连接件（2）与相邻舵机（1）的头部连接件（3）通过螺栓（6）实现轴向固定；

头部连接件（3）顶部留有小孔用于安装弹簧（4），弹簧（4）尾端固连一小球（5），小球（5）与尾部连接件（2）的齿轮（21）配合实现确定角度的转动；

机器人的头部安装有一组激光测距传感器，机器人后部安装有一组蓝牙通讯模块，用于与用户通讯与指令选择；

每个舵机（1）设有自适应电池盒，与转换连接件之间以滑槽插接；

转换连接件外表面贴一层海绵纸（7）；楔形带（9）贴在机器人底部的海绵纸（7）上，楔齿沿机器人前进方向贴合；防滑贴（8）贴在机器人其他三面。

2.根据权利要求1所述的一种可换挡连接的仿生蛇形机器人，其特征在于，基于转换连接件，机器人具有平行连接与正交连接两种形态；

在平行连接下，舵机依次连接方式为平行，机器人只能在平面运动，但每一组运动单元都能提供蜿蜒运动；转换连接件依次转动90°后，机器人切换为正交连接模式，相邻两组舵机单元之间角度差为90°，此时机器人舵机单元运动分为两类，平面转动与空间转动，因此机器人能够在空间实现侧向运动。

3.根据权利要求1所述的一种可换挡连接的仿生蛇形机器人，其特征在于，所述舵机（1）型号为XL-320。

4.根据权利要求1所述的一种可换挡连接的仿生蛇形机器人的控制系统，其特征在于，基于离散蛇形曲线设计机器人蜿蜒前进或后退步态，蜿蜒运动步态的舵机角度函数为；

其中，

表示第i个舵机的旋转角度与舵机序号i的关系，n为机器人舵机总数，a、w、phase、phi均为步态参数；

通过修改相关参数依次得到行波运动步态、左右U形翻转步态、左右侧向运动步态、螺旋上升运动步态；

行波运动步态的舵机角度函数与蜿蜒运动的步态相同，无需另外设计；

左右U形翻转步态只适用于舵机之间正交连接，此时当相邻两个单元的舵机旋转角度相位相差90°时，机器人可以实现翻转成U形后向一侧滚动的步态，具体函数为：

左右侧向运动步态只适用于舵机之间正交连接，在U形翻转运动步态的基础上，将舵机序列号因素添加到对应舵机的转动相位后，通过相邻舵机幅值的差异实现侧向的平动，具体函数为：

其中，a ₁、a ₂表示相邻舵机的运动幅值；

螺旋上升运动步态适用于舵机之间正交连接，在侧向运动步态的基础上，将运动幅值做一定修改，具体函数为：

控制系统的控制模块如下：

多步态选择控制：基于多参数对照方法将每一种步态参数化，操作者通过设置不同的参数实现对蜿蜒运动步态、行波运动步态、左右U形翻转步态、左右侧向运动步态或螺旋上升运动步态的选择；

蓝牙通讯控制：通过蓝牙模块实现操作者与机器人的通讯，采用输入指令的方式改变机器人的步态；

舵机位置复原步态：在每次初始化以及机器人步态转换时添加舵机复位步态；

舵机串联控制：每一个机器人单元直接串联；

避障综合模块：以激光测距传感器检测到的数据作为评价标准，当机器人判断前方出现障碍时通过多种步态组合方法通过该障碍物。

5.根据权利要求4所述的一种可换挡连接的仿生蛇形机器人的控制系统，其特征在于，采用OpenCM9.04作为控制板，Dynamixel2Arduino库作为舵机驱动工具。

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