CN1586830A - 人造肌肉和仿真机器人 - Google Patents

Abstract

人造肌肉和仿真机器人。本发明属于，仿生机器。用于模仿生物体肢体的各种运动和平衡状态。其中涉及到，仿真“肌肉”和肢体控制系统，还有仿真视觉系统。通过对《智能步进电机的驱动电路》的改进，使“人造肌肉”具有了，生物体内骨骼肌的全部功能，用它制作机器人，可以使机器人活动自如，这种机器人的灵活、反应速度快。为机器人设计的视觉系统，有测距功能，还可以实现测速、测位和测物体间距等功能，而且不仅只用在机器人上。肢体控制系统利用上述两种器材的优点，实现了肢体动、静平衡的自动化控制。

Description

人造肌肉和仿真机器人

本发明属于，机电一体化的自动化元件和仿生机器。它涉及到，仿真“肌肉”和机器人的肢体控制系统，还有仿真视觉系统。它可以模仿生物体肢体的各种活动和平衡状态。

现有机器人的肢体运动，是依靠控制电机或气压、液压系统的运动实现的。仿真型机器人多采用步进电机加变速器来完成。如发明专利0181903.3，这种结构使机器人的运动迟缓，不灵活，控制平衡的能力交差。人类的视觉系统是为肢体运动提供重要信息的器官，没有视觉系统，仿真机器人肢体运动，很难实现自动化。在视觉系统中，测距功能与肢体运动的关系最为重要。现有仿真机器人的视觉系统还不完善，如发明专利03 124756.3中提供的《仿人多自由度立体双目视觉装置》它没有测距、调焦的功能。

本发明的目的是：为仿生机器提供一种“人造肌肉”，和肢体控制系统，还有视觉测距系统。利用肢体控制系统和人造肌肉，实现机器人动、静平衡的自动化控制。使仿真机器人活动自如，能模仿人类的各种动作。视觉测距系统，能够引导机器人肢体运动。

本发明的目的是这样实现的：

第一是提供一种“人造肌肉”。

1、用《薄片线线圈》(申请号：2004100007204)，做《永磁式简易步进电机》(申请号：02100723.3)的线圈，用改进后的《智能步进电机的驱动电路》(申请号：03128790.5)作为电机的驱动电路，它们组成“人造肌肉”。

“人造肌肉”是由步进电机和数字电路组成，它的状态随时可以在数字电路中读出，并可以提供给更高一级的控制器。这一点如同动物肌肉中的本体感受器——“肌梭”的功能相同，它能随时提供肌肉拉伸状态。

2、改进后的电压控制电路是：用电压比较器比较电机线管与D/A转换器输出端的电压，比较的结果，用来控制计数器的计数方向，计数器的输出分两路：低位信号送入D/A转换器，组成电压控制电路；高位信号送入译码器，译码后送入多路控制电路和最大阻力限制监控电路。

改进后的电压控制电路，是由电压比较器、D/A转换器、计数器、译码器组成。电机遇到阻力后，线圈内产生的电压变化，通过电压比较器、计数器、D/A转换器实现电压自动控制和最低耗能。通过对电机驱动电路的改进，使“人造肌肉”具有本体感受器——腱梭的功能。

3、增加一个唤醒电路：在电机线管上抽出一个电极，连接在电压比较器上，把电压比较器的参考电压设为零，使其成为过零检测器，输出端用来控制电源开关。

它的作用是：在“人造肌肉”断电休息时，电机中永磁体动子在线管内如果被外力推动，必定会使线管切割磁力线，产生感生电流，用电极把这个电流引出，送入由电压比较器制成的过零检测器，电压比较器的输出端，连接电源的控制端，用于唤醒“人造肌肉”。该电路在“人造肌肉”断电是有效。这一部分电路的主要目的是：为保证电机中动子的位置与电路中的数字一致。

至此“人造肌肉”就具备了生物体内，骨骼肌的全部运动功能。

下面将“人造肌肉”与生物体内骨骼肌的功能作一比较。生物体的骨骼肌是带动骨骼运动的肌肉，在骨骼肌内有一种器官，叫做本体感受器，它们分别叫做肌梭和腱梭。肌梭是一种长度感受器，对肌肉所处的伸缩状态信息提供反馈。腱梭是一种张力感受器，能提供与肌肉本身的静止张力和张力改变有关的信息。它们相互作用的关系是：当肌肉受到牵拉时，首先兴奋肌梭，引起反射活动，导致受牵拉的肌肉收缩以对抗牵拉，当牵拉的力量进一步加大时，则可兴奋腱梭，抑制该肌肉收缩，以避免被牵拉的肌肉损伤。在“人造肌肉”中，电机的动子在受到外力牵拉时，通过电压控制电路，提高电机的驱动电压，对抗外力的牵拉。如果外力继续增大，电压控制电路中的译码器，会打开多路控制开关电路、以及最大阻力限制监控电路，对抗更大的外力。最大阻力限制监控电路，可以设定“人造肌肉”或一组电机所能抵御的最大外力，超过时，“人造肌肉”反向运动，或采取其他的方法，来避免过大的外力损伤电机，这一部分电路的功能如同腱梭。本发明利用《永磁式简易不进电机》和《薄片线线圈》的优点，经过对《智能步进电机的驱动电路》改进，使“人造肌肉”具有了生物体内骨骼肌的功能。

第二是提供仿真机器人的控制系统。

4、控制系统用来处理视觉、嗅觉、听觉等与肢体运动相关的信息，以及根据“人造肌肉”中，最大阻力限制监控电路提供的，方位和力度信息，在存储器中提取各种肢体状态和运动程序代码，通过平衡控制系统、电压同步控制系统，控制机器人的动静平衡和肢体的协调运动。

“人造肌肉”内的控制器，它包括电机驱动电路中的全部内容，它的作用是执行运动指令；为保持“人造肌肉”原来的运动或平衡状态抵御外力；向上一级控制器，提供受力的大小和方向等信息。

5、平衡控制系统：由比较器与驱动程序组成，在机器人运动方向相对应的两块“人造肌肉”之间，(它们的关系是：当一块肌肉伸展时，另一块肌肉必须收缩。)设置一个数字比较器，连接在电压控制电路中，用来比较计数器输出端的数字大小，当两块“人造肌肉”受到的力大小或方向不等时，比较器向控制系统发出信号，控制系统根据信息来自的位置，取出相应的程序，控制机器人的平衡。

平衡控制系统，通过比较器，监视两块“人造肌肉”用力大小的关系，发现两块“人造肌肉”受力的大小不等，就向控制系统发出信号，通过控制系统提供的相应的程序来控制平衡，程序的内容是：驱动“人造肌肉”迎着受力方向运动，直到比较器不再发出信号。

6、电压同步控制系统：用一块“人造肌肉”的计数器数据输入端的数字信号，通过控制系统，控制另一块“人造肌肉”的计数器数据输入端，使其同步变幻，但数据可以有差别，两块“人造肌肉”一个主一个从，从遂主变。

这一部分是靠程序控制和接口实现的。主要用在机器人抓取物品时，手臂肌肉与手指肌肉的之间的力度的关系。在机器人抓取物品时，控制手臂运动的“人造肌肉”是主，控制手指运动的“人造肌肉”是从。物品越重提起手臂时用的力越大，手臂用的力增大，控制手指运动的“人造肌肉”用的力也随之增大。这个电路可以使抓铅球时脱手和抓碎鸡蛋的事不会发生。

第三视觉系统。

7、轴承固定在机器人的头上或身上，物镜架固定在滑竿上，与轴连接，且可以横向转动，摄像头固定架，可以在滑竿上滑动，“人造肌肉”用一个轴固定在滑竿上，它用伸缩控制两个滑竿之间的角度，(同时也控制了两个摄像头的夹角)随着“人造肌肉”的运动，通过弹簧和绳索调节摄像头固定架与物镜架的距离，在使用时，当两个摄像头看到的某一个物品重合时，通过计算就可以得到该物体的距离，使调焦与测距同时完成，垂直运动的“人造肌肉”固定在中间的滑竿与水平运动“人造肌肉”之间。

视觉系统是用“人造肌肉”，控制两个摄像头后面延长杆，之间的距离，通过两个摄像头的夹角，计算出物体与摄像头之间的距离。也就是当两个摄像头，把一个物体，同时放在两个画面的同一位置时，就可以从“人造肌肉”的数字电路中，经换算读出物体的距离，控制该系统上下左右转动的两个“人造肌肉”，可以增加视觉系统的视角，可以提供目标物的方位。

本发明的优点：通过《薄片线线圈》、《永磁式简易步进电机》、《智能步进电机的驱动电路》的结合，通过对《智能步进电机的驱动电路》的改进，使“人造肌肉”具有了，生物体内骨骼肌的全部运动功能。简易步进电机的结构简单运行速度快，它没有齿轮、没有轴、没有摩擦、数字电路控制。它与现在的电子技术结合，具有控制系统速度快、运行速度快、反应速度快的优点。它不仅可以使机器人活动自如，它还可以使机器人的灵活性、反应速度超越人类。“人造肌肉”用途广泛，它可以代替用于两点之间运动的部分机械，比如油压液压等。视觉系统利用“人造肌肉”与两个摄像头的连接，实现了测距调焦的功能，由此还可以演化出测速、测位和测物体间距等功能，而且不仅只用在机器人上。肢体控制系统利用上述两种器材的优点，加上一些辅助电路和操作程序，实现了肢体动静平衡的自动化控制，它即化减了机器人控制系统又提高机器人的控制能力。

下面结合附图对本发明作详细的介绍。

图一是组成“人造肌肉”的步进电机和驱动电路的方块图。

“人造肌肉”是由控制电路、开关电路、电压控制电路、电机的线管、电机的动子、多路控制电路、最大阻力限制监控电路、和唤醒电路组成。

控制器：由电源(1)、变频器(2)、计数器(3)、译码器(4)、比较器(5)和提供相关的功能接口组成。变频器(2)控制“人造肌肉”的运动速度。目标位输入端(15)输入的数字信号，与计数器(3)输出的数字，经比较器(5)比较，比较结果(14)，送入计数方向控制端(13)，控制“人造肌肉”的运行方向。(12)是计数的片选开关。显示器(16)，分别显示“人造肌肉”的目标位和现在的位置。译码器(4)的输出端连接开关电路。

开关电路与电机线圈：开关电路是由开关管组成，译码器(4)输出的电信号，控制两个开关管，分别给电机线圈(6)接通驱动电压的正负极，它们的间距，与电机的动子(24)的长度相似。电机的动子(24)随译码器(4)输出的电信号的变化而运动。

电压控制电路是：由电压比较器(7)、D/A转换器(10)、计数器(8)、译码器(9)组成。电压比较器(7)比较线圈(6)与D/A转换器(10)的输出端电压，比较的结果，用来控制计数器(8)的计数方向，计数器(8)输出端的低位送入D/A转换器(10)，组成电压自动控制电路，实现“人造肌肉”的耗能随外力大小变化的目的。

电压比较器(7)是由两个电压比较器，分别用来监控线圈(6)电压的上下变化，监控电压下限的一组电压比较器，输入端外接一个电阻，使两个电压比较器的基准电压有一定的差别，输出端连接一个反向器，当电压超过上限或下限电压时，电压比较器(7)输出相应的信号，就可以控制计数器(8)的计数方向。

多路控制电路和最大阻力限制监控电路：多路控制电路是由门电路和二极管组成，电压控制电路中计数器(8)的高位送入译码器(9)，译码后送入多路控制电路和最大阻力限制监控电路。

多路控制电路是：由与门电路和二极管组成，它们的关系是当某一位导通时，在它以下的底位全部导通，在它以上的高位全部截止。(21)是该电路的功能选择端，(20)是多路控制输出端，用来控制其他电机联动。也就是在一块“人造肌肉”中，用一个控制电路控制多个电机，这样可以是扩大“人造肌肉”的力度范围，使“人造肌肉”以最低的耗能完成指令。这既可以节约能源，又可以保持“人造肌肉”的灵敏性，使“人造肌肉”在执行指令的过程中，对随时发生的外力影响做出反应。

最大阻力限制监控电路：是由与门电路组成，(19)是功能选择端，(22)是输出端，可以根据“人造肌肉”的承受能力选择(19)中的某一极，当“人造肌肉”的负荷达到这一极时，(20)输出信号。该输出是“人造肌肉”的求救信号输出端，与控制系统连接，作用是：控制系统声明自己是哪一块“人造肌肉”、申请启动什么程序。该电路在使用时，可以在每一个输入端，分别设置申请的内容，使“人造肌肉”在不同的受力环境下，发出不同的信息，好采取相应的措施。

唤醒电路：是在电机线管(6)上抽出一个电极(23)，连接在电压比较器(11)上，把电压比较器(11)的参考电压设为零，使其成为过零检测器，输出端是(17)。它的作用是在“人造肌肉”断电休息时，电机的永磁动子(24)如果被外力推动，必定会使线管切割磁力线，产生感生电流，用电极(23)将这个电流引出，送入电压比较器(11)，电压比较器的输出端(17)，连接电源(8)的控制端(24)，用于唤醒“人造肌肉”。

平衡控制系统：它设在两块“人造肌肉”的电压控制电路之间，连接在两个计数器(8)的输出端(25)上，比较的结果，送入第一级控制器，启动平衡控制程序。第一级控制器根据得到的信息，打开计数器，选择好方向，开始计数，使两块“人造肌肉”迎着受力方向运动，受到压力的一方伸张，受到拉力的一方收缩，当两块“人造肌肉”受到的力，大小方向相等时，比较器不再发出信号，该程序结束。

电压同步控制系统：用来模仿生物体中，肌肉间力的联动关系。当机器人执行这一特定任务时，计数器(8)的数据输入端(18)，通过第一级控制器与另一块“人造肌肉”数据输入端(18)数据同步变幻，但数据可以有差别，两块“人造肌肉”一个主一个从，从遂主变。这一部分是靠程序控制和接口(18)实现的。主要用在机器人抓取物品时，手臂肌肉与手指肌肉的关系。

图二是视觉系统的结构图。

轴承(30)固定在机器人的头上或身上，物镜架(27)固定在滑竿上(36)，与轴连接(35)，且可以横向转动，摄像头固定架(28)，可以在滑竿(36)上滑动，“人造肌肉”(29)用一个轴固定在滑竿(36)上，它用伸缩控制两个滑竿之间的角度，(同时也控制了两个摄像头的夹角)随着“人造肌肉”的运动，通过弹簧和绳索调节摄像头固定架与物镜架的距离，在使用时，当两个摄像头看到的某一个物品重合时，通过计算就可以得到该物体的距离，使调焦与测距同时完成，垂直使用的“人造肌肉”(33)固定在中间的滑竿(32)与水平运动的“人造肌肉”(34)之间，它们的伸缩增加视觉系统视野范围。

实施例一

下面以行走为例，介绍“人造肌肉”及仿真机器人的控制系统，控制肢体运动的过程。

仿真机器人的视觉系统，提供目标物距离，经过控制系统判断，目标物是否在伸手触及的范围之内：是，伸手完成任务。否，向相关的“人造肌肉”发出执行行走的指令程序。(行走可以分为上坡走、下坡走、走平路、走不平路、上下台阶等等。)这一部分程序的内容是用数字表示的，它们是分时数字信号。就是在不同时间段，不同“人造肌肉”的目标位。它有控制“肌肉”之间协调运动的作用。“人造肌肉”收到目标位后，先经过全同比较器，与现在的位置比较，决定“人造肌肉”运动方向，然后，以控制系统提供的频率，带动肢体运动。控制系统每发出一个数字指令，“人造肌肉”就完成一个动作，控制系统按程序对相关“人造肌肉”间断发出循环指令，机器人开始行走。直到视觉系统测得的物距，在伸手触及的范围之内时，控制系统发出站立或其他的命令，开始其他的工作。如果在这一过程中，遇到阻力不能完成，就通过最大阻力限制监控电路，像第一级控制器发出求救信息，寻求解决方案。

实施例二

下面以机器人的腿和脚为列，介绍肢体运动全能仿真机器人在运动或静止状态下，保持平衡的原理。

仿真机器人在站立时，根据站立程序，腿和脚上每一块“人造肌肉”的位置，都是一个固定的数字。各部位“人造肌肉”受力均匀，身体的重量集中在骨骼上，“人造肌肉”以最低耗能保持这一姿态。当受到的外力较小时，最先感觉到受力不均匀的是“脚”，脚下面的“人造肌肉”被拉动，“人造肌肉”电压自动控制系统和多路控制电路启动，抵抗外力。外力加大，腿部“肌肉”被牵拉，这部分的电压自动控制系统和多路控制电路启动。当外力达到一定强度时，通过最大阻力限制监控电路，向控制系统发出信息，启动平衡控制系统，使身体相反方向倾斜。当外力大到某一临界点时，“人造肌肉”通过在最大阻力限制监控电路中设置的信息，向第一级控制器发出求救信号，同时报告倾倒的方向。视觉系统提供倾倒的速度，以及倾倒的方向是否有物体可以用手臂或脚支撑。控制系统根据上述信息，启动相应的运动程序。如：向倾倒的方向伸出手臂等等，来控制平衡。

仿真机器人在行走过程中，控制平衡的方法和站立时差不多：控制系统根据脚部受力的位置，和视觉系统的指引，确定下一步出脚的方向。当某一步，脚下受力不均匀时，先启动“肌肉”的电压控制系统，抵抗外力，当一侧受力的程度达到某个临界点时，“肌肉”通过最大阻力限制监控电路，把受力的方向信息反馈给控制系统，控制系统调整下一步的出脚方向。这样就做到了，机器人在运动中自动控制平衡的目的。

实施例三

在人类活动中，还有一种平衡状态，就是持重物平衡。这种重力一般来自上身，主要由腰部的扭动达到身体平衡。

在机器人身上达到这种平衡的方法也是如此。当重力使身体两侧，控制“脊柱”活动的“人造肌肉”受力不均匀时，受到压力大的“人造肌肉”自动调节，抵抗外力。如果外力继续加大身体将失去平衡，通过对最大阻力限制监控电路的设置，向控制系统发出求救信号，控制系统发出程序，使两块“肌肉”迎着受力的方向运动，这时身体开始向一侧倾斜，当两边“肌肉”受力相等时，身体达到平衡，最大阻力限制监控电路不在发出信号，程序终止。这种平衡也可以发生在腿部，或两腿之间。

实施例四

用手完成某一项工作，他的运动过程包括：手臂的运动、手腕的转的和手指的运动。手臂的运动，可以控制手与身体之间的距离。手腕的转动，控制手掌的朝向。用手指的运动，实现抓、拿、捏，等各种目的。

仿真机器人手臂的运动，是由数字电路控制的，手与身体的相对位置，可以由视觉系统提供的数字坐标指引。例如：视觉系统测到某物体在正前方偏左十五度，仰角十度，距离400毫米的地方，控制系统把距离直接转变成手臂的“人造肌肉”伸缩状态的数字指令代码，两个角度信息，也同样转变成相关“人造肌肉”的数字指令代码，机器人根据这些数字指令代码驱动手臂运动，不需要在编制程序。机器人利用视觉系统，根据物体的大小，支配手指采取抓、拿、捏，等动作程序。在抓取物品时，为防止物品脱手，通过电压同步控制系统，执行抓取程序。首先，手臂在抓取物品时，“人造肌肉”以最低耗能驱动手臂运动，手指用的力要大于手臂所用的力；也就是，当手臂用的力是可以提起一克重物时，手指的抓力就要大于一克，如果所物品的重量超过一克，手臂则不能提起重物，手臂的运动受阻。驱动手臂运动的“人造肌肉”，在执行指令时受阻，这时电压控制系统启动，提高驱动电压或通过多路控制电路，开启其它电机助力，(如果这块“人造肌肉”是由多电机组成)，同时通过电压同步控制电路。使控制手指运动的驱动电压，与控制手臂的运动驱动电压同步调节，并且保持抓取物品用的力，要大于手臂提升物体时所用的力。这就可以解决机器人抓碎鸡蛋、抓不起铅球的类似问题。放下物品时，同理，当手臂失去负荷时，手指方可张开。

实施例四

视觉系统有仅能为机器人提供视觉信息，利用它的仿真特性和数控的优点也可以用在测量物距以及物与物的间距等方面。在测量某物体的距离时，先在存储器中提取该物体的边框特征，然后利用“人造肌肉”驱动对焦测距部分，在广阔的视野范围内搜寻，利用控制焦距的“人造肌肉”，在进深之间搜寻，找到目标后，(找到目标的定义是：图像清楚、两个摄像头中的目标物在画面的同一位置上重叠。)利用“人造肌肉”上计数器的输出端显示的两个滑竿之间的距离，通过两个摄像头的夹角，计算出物体与摄像头之间的距离。利用上述方法再测出另一个物体的距离，利用他们的夹角可以推算出两物体之间的距离。也可以利用该方法测量计算出物体的运行速度。利用对焦测距功能可以实现对远近的物体都可以进行观测。该系统既可以监测运动的物体，也可以在运动中监测物体。如果图像识别软件好的话，利用它代替人的眼睛实现车辆的自动驾驶。

在机器人的运动中，肢体各部位的运动是可以同时进行的。因为控制系统发出的指令是目标位的数字代码，在执行的过程中“人造肌肉”自动运行、自动监控，控制系统在这一段时间，可以发出其它指令，指挥其他“人造肌肉”的运动，这就使机器人的运动速度，和灵活性，以及对身体的调节能力大大提高。程序的编写也比较简单，只是以一定的时间间隔，向不同的“人造肌肉”发出目标位的数字代码指令或运动方向指令。每一块肌肉都有相应的接口与控制系统连接，控制系统可以直接把目标位的数字代码，分配到相应的“人造肌肉”上，这使机器人更灵活。“人造肌肉”的运动速度也由控制系统提供的频率来决定。

“人造肌肉”有智能化的特征，可以在自动化机械、医疗器械、人造器官、儿童玩具等方面广泛应用。

Claims (7)

1、人造肌肉和仿真机器人，它包括机器人的“骨骼”、“肌肉”、视觉系统和控制系统，其特征是：用《薄片线线圈》，做《永磁式简易步进电机》的线管，用改进后的《智能步进电机的驱动电路》作为电机的驱动电路，它们组成“人造肌肉”。

2、根据权利要求1所述的人造肌肉和仿真机器人，其特征是：改进后的电压控制电路，是用电压比较器比较电机线圈与D/A转换器输出端的电压，比较的结果，用来控制计数器的计数方向，计数器的输出分两路：低位信号送入D/A转换器，组成电压控制电路；高位信号送入译码器，译码后送入多路控制电路和最大阻力限制监控电路

3、根据权利要求1所述的人造肌肉和仿真机器人，其特征是：在电机线圈上抽出一个电极，连接在电压比较器上，把电压比较器的参考电压设为零，使其成为过零检测器，输出端用来控制电源开关。

4、根据权利要求1所述的人造肌肉和仿真机器人，其特征是：控制系统用来处理视觉、嗅觉、听觉等与肢体运动相关的信息，以及根据“人造肌肉”中，最大阻力限制监控电路提供的，方位和力度信息，在存储器中提取各种肢体状态和运动程序代码，通过平衡控制系统、电压同步控制系统，控制机器人的动静平衡和肢体的协调运动。

5、根据权利要求1、4所述的人造肌肉和仿真机器人，其特征是：平衡控制系统是由比较器与驱动程序组成，在机器人运动方向相对应的两块“人造肌肉”之间，设置一个数字比较器，连接在电压控制电路中，用来比较计数器输出端的数字大小，当两块“人造肌肉”受到的力大小或方向不等时，比较器向控制系统发出信号，控制系统根据信息来自的位置，取出相应的程序，控制机器人的平衡。

6、根据权利要求1、4所述的人造肌肉和仿真机器人，其特征是：通过控制系统，用一块“人造肌肉”的计数器数据输入端，控制另一块“人造肌肉”的数据输入端，使其同步变幻，但数据可以有差别，两块“人造肌肉”一个主一个从，从遂主变。

7、根据权利要求1所述的人造肌肉和仿真机器人，其特征是：轴承固定在机器人的头上或身上，物镜架固定在滑竿上，与轴连接，且可以横向转动，摄像头固定架，可以在滑竿上滑动，“人造肌肉”用一个轴固定在滑竿上，它用伸缩控制两个滑竿之间的角度，(同时也控制了两个摄像头的夹角)随着“人造肌肉”的运动，通过弹簧和绳索调节摄像头固定架与物镜架的距离，在使用时，当两个摄像头看到的某一个物品重合时，通过计算就可以得到该物体的距离，使调焦与测距同时完成，垂直运动的“人造肌肉”固定在中间的滑竿与水平运动“人造肌肉”之间。

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