CN203753267U - 分布式控制智能机器蛇 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种分布式控制智能机器蛇，包括：蛇头和蛇体；蛇体由若干个单元体串联组成；每一个单元体具有水平和垂直两个方向的自由度，具体包括第一壳体、第二壳体、第一舵机和第二舵机；将第一舵机安装到第一壳体水平舵机固定部，使所述第一舵机呈水平方向布置；使第二壳体垂直舵机固定部与第一壳体垂直舵机固定部相向设置，第二舵机呈垂直方向布置，其一面被第一壳体垂直舵机固定部固定，另一面被第二壳体垂直舵机固定部固定；第二壳体水平舵机固定部用于固定下一节单元体的水平布置的舵机。采用具有垂直和水平两个方向的自由度的单元体串联组成蛇体，使蛇体具有向任何方向弯曲的能力，还具有所使用的零部件少以及扩展性高的优点。

Description

分布式控制智能机器蛇

技术领域

本实用新型属于机器人控制技术领域，具体涉及一种分布式控制智能机器蛇。

背景技术

机器蛇(Machine snake；Snake-machine)，又名蛇形机器人，是一种具有蛇类外观体态、能蜿蜒运动的仿生机器人。机器蛇非常适用于在地质勘探、水下侦察、地外探险、地震营救等复杂环境中工作，已被证明在军事、航天和民用领域具有巨大应用前景，

现有机器蛇的机身关节模块大多为单自由度，只能实现二维运动，不能实现三维运动。例如专利ZL200302280911.2和ZL200403238081.2中公开的机器蛇。从模仿蛇身体来设计机器人的角度来说，单自由度的关节模块不能体现出人类蛇的躯体，尤其是蛇身体的柔软特性，从而具有一定的使用局限性。

另外，现有的机器蛇还具有灵活性和扩展性非常有限的不足。

实用新型内容

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种分布式控制智能机器蛇，采用具有垂直和水平两个方向的自由度的单元体串联组成蛇体，使蛇体具有向任何方向弯曲的能力，还具有设计简单、所使用的零部件少以及扩展性高的优点。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型提供一种分布式控制智能机器蛇，包括：蛇头和蛇体；所述蛇体由若干个结构完全相同的单元体串联组成；

每一个单元体具有水平和垂直两个方向的自由度，具体包括第一壳体(2)、第二壳体(3)、第一舵机(4)和第二舵机(5)；所述第一壳体和所述第二壳体结构相同，均包括支撑板、设置在所述支撑板左侧的水平舵机固定部和设置在所述支撑板右侧的垂直舵机固定部；将所述第一舵机(4)安装到第一壳体水平舵机固定部(21)，使所述第一舵机(4)呈水平方向布置；使第二壳体垂直舵机固定部(32)与第一壳体垂直舵机固定部(22)相向设置，所述第二舵机呈垂直方向布置，其一面被所述第一壳体垂直舵机固定部(22)固定，另一面被所述第二壳体垂直舵机固定部(32)固定；第二壳体水平舵机固定部(31)用于固定下一节单元体的水平布置的舵机。

优选的，在每一个单元体的第一壳体两侧分别安装一个从动轮，在每一个单元体的第二壳体的两侧分别安装一个从动轮。

优选的，还包括分布式结构的控制系统。

优选的，所述分布式结构的控制系统包括：主控制器和若干个从机控制器；所述主控制器与各个所述从机控制器之间采用CAN总线连接；所述主控制器安装在蛇头内部；在每一个单元体内部均安装一台从机控制器，所述从机控制器用于控制该单元体内正交方向设置的两个舵机动作。

优选的，所述主控制器和所述从机控制器均采用AVR-ATmega128处理器。

优选的，还包括：视觉传感器和听觉传感器；所述视觉传感器和所述听觉传感器安装在所述蛇头。

优选的，还包括：若干个避障传感器；在所述蛇头、每一个单元体的第一壳体和第二壳体分别安装一个所述避障传感器。

优选的，所述避障传感器为超声波阵列。

优选的，还包括上位机和遥控器；所述上位机与所述主控制器之间采用无线串口通讯的方式连接；所述遥控器与所述主控制器无线连接。

优选的，还包括供电电源系统；所述供电电源系统分别与所述主控制器和各个所述从机控制器连接。

本实用新型提供的分布式控制智能机器蛇具有以下优点：

(1)改进了现有机器蛇关节的机械结构，利用垂直和水平方向正交的关节拟合蛇类生物柔软的身体，每两个正交的关节组成一个单元体，使得机器蛇更容易模仿蛇体的复杂运动形式。

(2)在机器蛇每一个关节两侧安装从动轮，可以减少机器蛇运动中的摩擦阻力，实现蛇体的平稳游动，增强了机器蛇的灵活性和机动性。

(3)采用分布式主从控制结构，主控制器通过串口发出命令驱动下一级的各从机控制器，进而控制舵机的姿态，达到控制蛇形机器人运动方向和运动姿态的目的；从机控制器只是驱动本关节的运动，在机器蛇的整个运动中起辅助控制作用。采用分布式控制结构，具有连线少、可扩展性强、易于实现等优点。

(4)针对机器蛇的身体具有狭长的特点，因此在每个关节都安装有避障传感器，以实现有效地避障。

附图说明

图1为本实用新型提供的一个单元体的结构示意图；

图2为本实用新型提供的一个壳体的结构示意图；

图3为一个单元体的组装过程示意图；

图4为安装有四个从动轮的一个单元体的总装配示意图；

图5为智能机器蛇的电气系统结构图；

图6为分布式结构的控制系统的结构示意图；

图7为电源系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型进行详细说明：

本实用新型提供一种分布式控制智能机器蛇，包括：蛇头和蛇体；蛇体由若干个结构完全相同的单元体串联组成；

每一个单元体具有水平和垂直两个方向的自由度，如图1所示，为一个单元体的结构示意图，具体包括第一壳体2、第二壳体3、第一舵机4和第二舵机5；第一壳体和第二壳体结构相同，本实用新型中，一个壳体即为一个关节，如图2所示，为一个壳体的结构示意图，将壳体设计为一个四方体，在各个平面上特性完全相同，具有垂直和水平方向正交的结构特征，具体为：包括支撑板、设置在支撑板左侧的水平舵机固定部和设置在支撑板右侧的垂直舵机固定部；如图3所示，为将第一壳体2、第二壳体3、第一舵机4和第二舵机5组装为一个单元体的过程示意图，将第一舵机4安装到第一壳体水平舵机固定部21，使第一舵机4呈水平方向布置；使第二壳体垂直舵机固定部32与第一壳体垂直舵机固定部22相向设置，第二舵机呈垂直方向布置，其一面被第一壳体垂直舵机固定部22固定，另一面被第二壳体垂直舵机固定部32固定；第二壳体水平舵机固定部31用于固定下一节单元体的水平布置的舵机。

由此形成每一个单元体相当于一个万向节，具有垂直和水平两个方向的自由度，各个单元体串联组成的蛇体整体形成一个高冗余度的结构体，因此，使蛇体具有向任何方向弯曲的能力，更能逼真拟和蛇类生物柔软的身体；而且，还具有设计简单、所使用的零部件少的优点。

另外，为了减少机器蛇运动过程中的摩擦阻力，在每一个单元体的第一壳体两侧分别安装一个从动轮，在每一个单元体的第二壳体的两侧分别安装一个从动轮，实际应用中，可通过螺丝将从动轮安装到壳体上。也就是说，对于一个单元体，共安装4个从动轮，如图4所示，为安装有四个从动轮的一个单元体的总装配示意图；通过安装从动轮，实现了蛇体的平稳游动，增强了蛇形机器人的灵活性和机动性。另外，相邻的从动轮呈正交结构，可确保机器蛇翻滚90度后，依然有轮子着地作用，进一步提高蛇形机器人的灵活性。

另外，机器蛇为一种智能设备，其基本特征是能够感知环境的变化并做出相应动作，实现这一特征所需的电气系统包括：控制系统、感知系统和电源系统三个部分，如图5所示，为智能机器蛇的电气系统结构图，与实际机器蛇的机械结构布局一致，电气系统呈蛇头+蛇体的结构形式，包括PC机、底层控制器及舵机。其中，底层控制器由AVR处理器构建，包括主控板和从机板，PC机相当于大脑；主控制板位于蛇头位置，相当于小脑；从机板位于蛇身位置，相当于脊髓，每个从机控制器控制两个正交方向的舵机工作。以下对电气系统进行详细说明：

(一)控制系统

控制系统是智能机器蛇的“神经中枢”，本发明中，控制系统采用分布式结构，如图6所示，分布式结构的控制系统包括三层结构，分别为上位机、主控制器和若干个从机控制器；其中，上位机位于第一层，相当于智能机器蛇的大脑；主控制器位于第二层，安装在蛇头内部，相当于智能机器蛇的小脑；而从机控制器位于第三层，安装在一个单元体内部，相当于智能机器蛇的脊髓，用于控制该单元体内正交方向设置的两个舵机动作；主控制器与各个从机控制器之间采用CAN总线连接；这种分布式结构的控制系统从功能上来说呈递阶式，分为组织层、协调层和执行层三层。

(1)组织层

上位机处于组织层的位置，用于完成用户界面、任务规划、视频显示处理等功能。上位机的控制软件采用面向对象的编程式语言VC。为了便于调试，采用超级终端或者串口调试助手实现。上位机与主控制器之间采用无线串口通讯的方式连接，用于向主控制器发送控制指令。

(2)协调层

协调层的功能主要是完成控制、协调计算和数据分发等功能，由位于机器蛇头部的主控制器实现，可选取AVR-ATmega128处理器作为主控制器。主控制器作为控制平台的核心处理器，实现数据全部存储和处理，通过CAN总线向各从机控制器发出命令，驱动下一级的关节产生宏观的控制，主要引导机器蛇的运动方向和运动姿态。

(3)执行层

执行层指各个从机控制器，其中，从机控制器用于接收主控制器的命令，进而驱动舵机运行，控制智能机器蛇各关节运动方向。可选取AVR-ATmega8处理器作为从机控制器，每个从机控制器控制两个正交方向的舵机工作，只驱动本单元体的运动，在机器蛇的整个运动中起辅助控制作用。主要进行运动仿生，配合头部完成运动。

舵机为具体执行机构，被从机控制器驱动，是一种位置伺服驱动器，用于改变壳体的位置和角度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。

上述分布式结构的控制系统的工作原理为：上位机与主控制器之间采用无线串口通讯的方式进行信息传递，主控制器与各个从机控制器之间则采用CAN总线的通讯方式进行信息传递。主控制器实现数据全部存储和处理，而从控制器只是用于与主控制器进行数据交互，不进行任何处理，所有任务均在主控制器上进行处理。具体通信流程如下：上位机通过RS232向主控制器发送用于控制机器蛇运动的指令数据；主控制器接收到指令确认无误后，解析数据帧，处理综合数据后，将各个执行末段舵机的角度以广播方式通过总线分发到各个从机控制器，进而控制舵机的转动，实现机器蛇的运动。

当然，实际应用中，也可以通过遥控系统向主控制器发送运动控制指令，控制智能机器蛇的运行。遥控系统由手持式便携无线发射模块和无线接收模块组成，分别使用3V和5V直流供电，遥控距离20米。其中，无线发射模块即为遥控器，配有12个按键，当有按键被按下时，装配在智能机器蛇上的无线接收模块的4个IO口将输出不同的电平组合，发送到主控制器。例如，无线发射模块按下数字1按键后，相应的四个IO信号口电平变为0001，而按下数字8按键时，是1000。

本实用新型中，主控制器和各个从机控制器均采用AVR单片机，AVR处理器是一种基于改进的哈佛结构、8位～32位精简指令集的单片机，设计中采用的ATmega8是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC结构的8位单片机，Flash大小为8kB；ATmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，Flash大小为128kB。AVR不需要专门的烧写器和仿真器，通过软件实现仿真，可以在线下载固件(PonyProg)，高级语言编译(ICCAVR)，使用十分方便。以AVR单片机作为核心控制器设计的控制系统具有开放式、易调试的优点。

(二)感知系统

感知系统相当于智能机器蛇的“眼睛”，“耳朵”等器官，用于获取外界信息，根据机器蛇的功能设定，主要包括视觉传感器、听觉传感器和避障传感器。

(1)视觉传感器

视觉传感器安装在蛇头，用于检测前方图像，相当于机器蛇的“眼睛”，使机器蛇能够看到周围的世界。视觉传感器为用于接收、处理视觉信号的组织级系统，通常选择网络摄像头作为机器蛇的视觉传感器，摄像头的参数如表1所示。

表1摄像头的参数

指标/型号	参数
		摄像头像素	130万
摄像头类型	CMOS
		最大帧数	30帧
接口类型	USB1.1/2.0
		对焦方式	10倍数码变

焦

(2)听觉传感器

听觉传感器安装在机器蛇头部，用于采集环境声音，相当于机器蛇的“耳朵”，使机器蛇能够听到声音，并且响应特定的声音指令。本实用新型中，可以采用SPCE061A上的Mic作为语音控制指令的输入口。

(3)避障传感器

避障传感器用于检测前方的障碍物，实现避障功能。本实用新型中，选用四个超声波传感器组成的超声波阵列作为避障传感器。考虑到机器蛇关节数目较多，蛇体狭长，如果避障传感器仅安装在头部，当遇到障碍物时，很有可能蛇头能避过障碍物，但是尾部发生碰撞。因此，本设计在每个关节都安装有避障传感器，以实现有效地避障。本实用新型中，超声波传感器选用Parallax公司的PING，采用5V直流供电，具有一个超声波发射模块和一个超声波接收模块，通过测量超声波脉冲遇到物体反射后的回波传播时间来测量距离，即利用公式：

S＝V·(T/2) (1)

其中，S表示距离，V表示声波在空气中的传播速度，T表示从发出超声波到接收到回波的时间。

PING在I/O复用引脚接收到触发脉冲后，经750uS保持时间，超声波脉冲发生器产生40kHz的超声波并经发射模块发射，I/O脚跳变输出高电平，当接收模块接收到回波后，输出电平跳变为低电平，输出电平宽度就对应于目标的距离。PING的测量范围2cm-3m，分辨率＜1cm。

(三)电源系统

电源系统相当于机器蛇的“消化系统”，是机器蛇的能量源，用于为机器蛇提供感知、思考和动作的所有能源。如图7所示，电源系统主要包括：电池、电源检测系统、电源分配器以及各级开关等。

最终，将机器蛇机械结构和电气系统通过中枢排线连接，具体操作为：首先，通过电源线连接电池盒与蛇体；然后，将舵机引线连接到从机板上，连接次序任意；最后将单元控制板连接到蛇体尾部预留的中枢排线上。

机器蛇运行时，首先将电池盒电源打开，蛇体通电后每个关节自动归中，蛇体呈绷直状态。关节上的从机板上指示灯以一定频率闪动，表明主控板与从机板通讯状态正常。然后，从生物蛇运动过程中身体曲线的变化规律角度出发，推导出能实现机器蛇运动的控制方程，以得到控制机器蛇各关节转角在一定时间内的取值。

最后，将计算出的舵机转角数据，存储于机器蛇头部的主控板中，通过无线或者有线串口向各从机控制器发出命令，进而控制各舵机的运动，实现机器蛇的前进运动、后退运动、左转运动、右转运动及停止等运动。

综上所述，本实用新型提供的分布式控制智能机器蛇，以生物蛇原型为基础，构建了一种关节为正交结构、且具有超声波避障、人机交互及视觉等智能行为的分布式控制智能机器蛇系统，扩展机器蛇的环境感知能力和人机交互能力，可以作为开放式智能机器人的研究开发平台，亦可用于控制理论、机器人技术等领域的研究、教学。具有以下优点：

(1)改进了现有机器蛇关节的机械结构，利用垂直和水平方向正交的关节拟合蛇类生物柔软的身体，每两个正交的关节组成一个单元体，使得机器蛇更容易模仿蛇体的复杂运动形式。

(2)在机器蛇每一个关节两侧安装从动轮，可以减少机器蛇运动中的摩擦阻力，实现蛇体的平稳游动，增强了机器蛇的灵活性和机动性。

(3)采用分布式主从控制结构，主控制器通过串口发出命令驱动下一级的各从机控制器，进而控制舵机的姿态，达到控制蛇形机器人运动方向和运动姿态的目的；从机控制器只是驱动本关节的运动，在机器蛇的整个运动中起辅助控制作用。采用分布式控制结构，具有连线少、可扩展性强、易于实现等优点。

(4)针对机器蛇的身体具有狭长的特点，因此在每个关节都安装有避障传感器，以实现有效地避障。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种分布式控制智能机器蛇，其特征在于，包括：蛇头和蛇体；所述蛇体由若干个结构完全相同的单元体串联组成；

每一个单元体具有水平和垂直两个方向的自由度，具体包括第一壳体(2)、第二壳体(3)、第一舵机(4)和第二舵机(5)；所述第一壳体和所述第二壳体结构相同，均包括支撑板、设置在所述支撑板左侧的水平舵机固定部和设置在所述支撑板右侧的垂直舵机固定部；将所述第一舵机(4)安装到第一壳体水平舵机固定部(21)，使所述第一舵机(4)呈水平方向布置；使第二壳体垂直舵机固定部(32)与第一壳体垂直舵机固定部(22)相向设置，所述第二舵机呈垂直方向布置，其一面被所述第一壳体垂直舵机固定部(22)固定，另一面被所述第二壳体垂直舵机固定部(32)固定；第二壳体水平舵机固定部(31)用于固定下一节单元体的水平布置的舵机。

2.根据权利要求1所述的分布式控制智能机器蛇，其特征在于，在每一个单元体的第一壳体两侧分别安装一个从动轮，在每一个单元体的第二壳体的两侧分别安装一个从动轮。

3.根据权利要求1所述的分布式控制智能机器蛇，其特征在于，还包括分布式结构的控制系统。

4.根据权利要求3所述的分布式控制智能机器蛇，其特征在于，所述分布式结构的控制系统包括：主控制器和若干个从机控制器；所述主控制器与各个所述从机控制器之间采用CAN总线连接；所述主控制器安装在蛇头内部；在每一个单元体内部均安装一台从机控制器，所述从机控制器用于控制该单元体内正交方向设置的两个舵机动作。

5.根据权利要求4所述的分布式控制智能机器蛇，其特征在于，所述主控制器和所述从机控制器均采用AVR-ATmega128处理器。

6.根据权利要求4所述的分布式控制智能机器蛇，其特征在于，还包括：视觉传感器和听觉传感器；所述视觉传感器和所述听觉传感器安装在所述蛇头。

7.根据权利要求4所述的分布式控制智能机器蛇，其特征在于，还包括：若干个避障传感器；在所述蛇头、每一个单元体的第一壳体和第二壳体分别安装一个所述避障传感器。

8.根据权利要求7所述的分布式控制智能机器蛇，其特征在于，所述避障传感器为超声波阵列。

9.根据权利要求4所述的分布式控制智能机器蛇，其特征在于，还包括上位机和遥控器；所述上位机与所述主控制器之间采用无线串口通讯的方式连接；所述遥控器与所述主控制器无线连接。

10.根据权利要求4所述的分布式控制智能机器蛇，其特征在于，还包括供电电源系统；所述供电电源系统分别与所述主控制器和各个所述从机控制器连接。