CN202522924U - 一种球形机器人自动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种球形机器人自动控制系统，包括机器人本体控制系统和测控系统，所述机器人本体控制系统包括微处理器、三轴加速度传感器、接口模块、光电限位开关模块、第一光电编码器、第二光电编码器、前进电机、电机驱动模块和转向电机，其中微处理器分别与三轴加速度传感器、接口模块、光电限位开关模块、第一光电编码器、第二光电编码器、电机驱动模块相连接，所述电机驱动模块分别与前进电机和转向电机相连接并控制其运动，所述第一光电编码器与前进电机相连接，第二光电编码器与转向电机相连接；微处理器同时与测控系统相连接；所述测控系统包括串行通信模块和MCU。本实用新型结构合理、易于实现，具有较高的工程应用价值。
Description
技术领域
本实用新型属于机器人技术领域，特别是一种球形机器人自动控制系统。
背景技术
球形机器人是一种具有球形外壳、运动方式为滚动的智能机器人。它具有良好的方向可控性，是一种十分理想的运动载体，国内外除了对球型机器人机械结构的研究，其控制系统的研究也成为了一个关注的热点。
在哈尔滨工业大学的博士论文《双驱动球形机器人及其运动控制的研究》中作者岳明于2008年提出了一种球型机器人的控制系统，其系统总体分为上、下位机两部分，它们之间通过蓝牙内嵌模块进行无线通讯。上位机由功能强大的PC机担任，负责整个系统的路径规划，信息处理、控制算法实现等诸多计算量大的工作；下位机通过89S52的端口分别对驱动电机和转向电机实施各种控制和数据采集。其中，89S52通过继电器控制转向电机，通过A/D、D/A转换器接驱动器控制驱动电机。其下位机的主体芯片为89S52，属于MCS-51系列单片机，由于其运算功能和存储空间有限。本系统采用蓝牙进行无线通讯，但是无法实现移动视频的传输。
在北京理工大学的学术论文《新型球形机器人控制系统双处理器通信机制研究》中，作者曹勇刚等于2009年介绍了一种DSP+ARM的双核架构球型机器人控制系统，其中，DSP芯片主要用来对采集的现场图像信息进行分析和处理，完成目标识别和判断，并输出处理结果；ARM芯片主要用来接收DSP的处理结果，完成相应的任务管理，如视觉系统云台的扫描运动、防御功能的实现。但其控制系统未涉及电机驱动模块的设计，同时也未涉及姿态获取。
在上海交通大学的学术论文《基于DSP 的新型球形机器人控制器设计》中，作者金康进等于2005年提出了一种基于DSP 的新型球形机器人控制系统。其系统由带DSP的主控制板、采样电路、电机驱动电路、无线接收模块和无线发送模块组成，其角度传感器采用无限旋转式的滑动变阻器来获得电机的转角信息，考虑到这样无法获得球型机器人的准确姿态，可以采用三轴加速度传感器，通过数据处理可以获得球型机器人的准确姿态。同时其电机驱动模块未涉及双驱动模式，可能会存在前进和转向运动耦合，从而影响球型机器人的运动控制。其次，本系统也未曾涉及光电限位开关的使用，其功能可实现检测球形机器人是否到达左右极限位置。
综上所述，现有技术的球型机器人控制系统各有千秋，但都存在偏其一点，未能实现一个功能全面、简单可靠实用的球型机器人控制系统。大多数未能实现电机的双驱动，从而不能使前进运动和转向运动解耦；在姿态获取时，角度信息采集过于简单，进而在姿态控制方面不够准确。
实用新型内容
本实用新型所解决的技术问题在于提供一种功能全面的球形机器人自动控制系统。
实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种球形机器人自动控制系统，包括机器人本体控制系统和测控系统，所述机器人本体控制系统包括微处理器、三轴加速度传感器、接口模块、光电限位开关模块、第一光电编码器、第二光电编码器、前进电机、电机驱动模块和转向电机，其中微处理器分别与三轴加速度传感器、接口模块、光电限位开关模块、第一光电编码器、第二光电编码器、电机驱动模块相连接，所述电机驱动模块分别与前进电机和转向电机相连接并控制其运动，所述第一光电编码器与前进电机相连接，第二光电编码器与转向电机相连接；微处理器同时与测控系统相连接；所述测控系统包括串行通信模块和MCU。
本实用新型与现有技术相比，其显著优点为：1）功能全面，简单易行，可应用领域较广；2）在姿态获取时，通过三轴加速度传感器采集数据，采集数据全面，获取姿态准确；3）前进电机和转向电机分别驱动球体的直线运动和转向运动，控制方式解耦，可实现球形机器人全向行走和任意点原地转向；4）光电限位开关模块，用于检测球形机器人驱动电机的金属遮光片是否遮挡住光电限位开关内置的发光二极管，可以准确检测球形机器人是否到达左右极限位置，便于控制；5）本系统提供接口模块，可以实现功能扩展。
下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。
附图说明
图1为本实用新型的球形机器人自动控制系统组成结构框图。
具体实施方式
结合图1，本实用新型的一种球形机器人自动控制系统，包括机器人本体控制系统和测控系统，所述机器人本体控制系统包括微处理器、三轴加速度传感器、接口模块、光电限位开关模块、第一光电编码器、第二光电编码器、前进电机、电机驱动模块和转向电机，其中微处理器分别与三轴加速度传感器、接口模块、光电限位开关模块、第一光电编码器、第二光电编码器、电机驱动模块相连接，所述电机驱动模块分别与前进电机和转向电机相连接并控制其运动，所述第一光电编码器与前进电机相连接，第二光电编码器与转向电机相连接；微处理器同时与测控系统相连接；所述测控系统包括串行通信模块和MCU
微处理器与测控系统通过无线的方式相连接。微处理器为DSP芯片或ARM处理器。电机驱动模块包括电子调速模块、测速部件。三轴加速度传感器为数字式的MEMS三轴加速度传感器，由感应单元和接口单元组成。接口模块提供I2C或SPI串行总线。
具体而言，球形机器人本体控制系统负责响应计算机的指令，执行相应的操作，包括控制机器人运动、环境感知、姿态获取等。测控系统则负责上位机与球形机器人之间的控制指令、传感器测量数据等内容的传输，测控系统通过串行通信接口与机器人本体控制系统控制芯片通信，采用USB接口与上位机连接，实现整个球形机器人的无线测控。本实用新型结构合理、易于实现，具有良好的工程应用价值。
本实用新型中的微处理器固定于球形机器人本体内部。所述DSP芯片或ARM处理器直接与两个驱动电机进行连接。电机驱动模块包含无刷电机、电子调速模块、测速部件。三轴加速度传感器为数字式的MEMS三轴加速度传感器，由感应单元和接口单元组成。所述的感应单元由桥式电容以及放大器、A/D采样测量电路组成，测量作用在三个正交轴（X/Y/Z）三个方向的加速度。接口单元提供I2C或SPI串行总线，通过总线能够控制和配置器件测量参数，同时获取测量的加速度值，或者实现自我测试，检测系统功能。光电限位开关模块，用于检测球形机器人驱动电机的金属遮光片是否遮挡住光电限位开关内置的发光二极管，从而检测球形机器人是否到达左右极限位置。视频模块由摄像机、视频存储模块构成。
微处理器模块：选用DSP芯片作为机器人本体控制系统的微处理器，机器人要实现的动作和功能较多，需要实时根据指令控制机器人的位置、动作和运行状态，同时要调度多个传感器对自身姿态和外界环境进行测量，执行指令的接受和各种数据的发送任务。这些任务都在主控制器中进行，而DSP具有运行速度快、精度高、片内各种存储器及外设资源丰富，能够实时地处理许多复杂的控制算法等优点，非常适用于球形机器人的运动控制。
电机驱动模块：选择直流电机作为球形机器人的驱动部件。直流电机响应速度快，变速能力强，输出电磁转矩大，转子转动惯量小，对控制信号的变化反应迅速；且控制电压的大小和极性改变时，电机的转速和方向也能迅速改变。采用脉宽调制方式控制直流电机时，只需要通过软件改变PWM波的占空比就可实现调速，使结构简化球形机器人运动控制简单、灵活、高效。
三轴加速度传感器：加速度传感器模块的作用是测量球形机器人当前的三轴加速度值，从而达到获取球形机器人姿态的目的。选用数字式的MEMS三轴加速度传感器，它是一种三轴低压数字输出线性加速度传感器，由一个感应单元和接口单元组成。感应单元由三个桥式电容以及放大器、A/D采样测量电路组成，测量作用在X/Y/Z轴方向的加速度。接口单元提供I2C或SPI串行总线，通过总线能够控制和配置器件测量参数，同时获取测量的加速度值，或者实现自我测试，检测系统功能。
光电限位开关模块：在转弯驱动机构中，质量小车在横轴上左右移动，为防止小车和球壳内壁碰撞卡死，需要对小车的左右运行位置进行限位。光电限位开关模块运用光电限位开关，检测质量小车上的金属遮光片是否遮挡住光电限位开关内置的发光二极管，从而判断质量小车是否已经到达左右极限位置。
本系统能够有效实现球型机器人的自动控制，系统结构简单合理，具有较高的工程应用价值。
Claims (6)
1.一种球形机器人自动控制系统，其特征在于，包括机器人本体控制系统和测控系统，所述机器人本体控制系统包括微处理器、三轴加速度传感器、接口模块、光电限位开关模块、第一光电编码器、第二光电编码器、前进电机、电机驱动模块和转向电机，其中微处理器分别与三轴加速度传感器、接口模块、光电限位开关模块、第一光电编码器、第二光电编码器、电机驱动模块相连接，所述电机驱动模块分别与前进电机和转向电机相连接并控制其运动，所述第一光电编码器与前进电机相连接，第二光电编码器与转向电机相连接；微处理器同时与测控系统相连接；所述测控系统包括串行通信模块和MCU。
2.根据权利要求1所述的球形机器人自动控制系统，其特征在于，所述微处理器与测控系统通过无线的方式相连接。
3.根据权利要求1所述的球形机器人自动控制系统，其特征在于，所述微处理器为DSP芯片或ARM处理器。
4.根据权利要求1所述的球形机器人自动控制系统，其特征在于，所述电机驱动模块包括无刷电机、电子调速模块、测速部件。
5.根据权利要求1所述的球形机器人自动控制系统，其特征在于，所述三轴加速度传感器为数字式的MEMS三轴加速度传感器，由感应单元和接口单元组成。
6.根据权利要求1所述的球形机器人自动控制系统，其特征在于，接口模块提供I2C或SPI串行总线。
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|---|---|---|---|---|
| CN103777634A (zh) * | 2014-01-10 | 2014-05-07 | 上海大学 | 大尺寸球形机器人控制系统 |
| CN106313051A (zh) * | 2016-10-20 | 2017-01-11 | 上海电力学院 | 一种应用于机器人的超声3d扫描系统 |
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