CN210025292U - 一种基于薄膜力传感器的实验用蛇形机器人 - Google Patents
一种基于薄膜力传感器的实验用蛇形机器人 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种基于薄膜力传感器的实验用蛇形机器人，其中，多个偏转关节和多个俯仰关节交替排列，并依次首尾正交连接。关节连接件的两摆臂分别与舵机的主、从舵盘连接，舵机驱转关节连接件。关节连接件的底座外侧沿周向均匀设有若干个面，每一面上均水平贴合有一薄膜力传感器，传感器的感应面朝下。任一在前的关节，其关节连接件的底座与后一关节的舵机底面支架固定连接，两关节相对偏转90°。本实用新型采用模块化关节连接结构，可提高机器人的紧凑度和柔顺性，还可以通过添加或减少关节模块实现蛇形机器人的形态规模扩展。此外，通过薄膜力传感器感知机器人各部位压力并反馈辅助步态实验，可更快得到运动函数参数的最佳调节范围。
Description
技术领域
本实用新型涉及机器人技术领域，尤其涉及一种基于薄膜力传感器的实验用蛇形机器人。
背景技术
蛇形机器人是一种以生物蛇为原型的多自由度欠驱动仿生机器人，其躯体拥有高度的柔顺性，运动时身体和地面接触产生各向异性的摩擦力，利用摩擦力的反作用力推动身体蜿蜒前进。目前，移动机器人在探索未知地形和挑战复杂环境的任务需求不断增长，蛇形机器人灵巧的生体构造使其能够轻松应对自然界中各种复杂地形，在野外探索、灾难救援、军事侦察、水下作业领域有着很广阔的应用前景。
蛇形机器人的核心研究方向集中在步态领域，常见的蛇形机器人步态有：侧向翻滚、侧向移动、攀爬运动等等。目前蛇形机器人的步态运动控制方法主要分为两种：基于运动函数控制法和基于CPG中枢发生器的控制方法，基于CPG中枢发生器的控制理论虽然较为先进，但是算法繁杂且实时性较差。基于运动函数控制法相对发展较成熟，其通过改变函数参数实现机器人的姿态变化。但是，这种方法实现的是开环控制，需要通过大量仿真实验来精确控制参数。为了减少实验次数和增加系统的稳定性，可以通过增加外部反馈的方式来实现机器人的步态自我修正，实时反馈新的控制函数参数。因此，需要设计一种带反馈的蛇形机器人，以更快确定精确的控制参数，增强系统稳定性。
发明内容
本实用新型为了提高背景技术中提到的控制系统的稳定性、以及寻找最佳控制函数参数的效率，提出一种基于薄膜力传感器的实验用蛇形机器人。
本实用新型采用的技术方案为：
一种基于薄膜力传感器的实验用蛇形机器人，包括若干偏转关节和若干俯仰关节，所述若干偏转关节和所述若干俯仰关节交替排列，并依次首尾正交连接；偏转关节和俯仰关节均包括舵机底面支架、舵机和关节连接件；
所述舵机底面支架包括底板和所述底板两侧分别向上90°弯折的第一摆臂和第二摆臂，两摆臂抱住对应舵机底部，并与舵机底部固定连接；
所述关节连接件为一体式结构，包括主摆臂，副摆臂和底座，所述主摆臂和所述副摆臂垂直连接于所述底座上端面两侧，所述主摆臂和所述副摆臂正相对；所述舵机主舵盘与所述主摆臂固定连接，所述舵机从舵盘与所述副摆臂固定连接，所述舵机驱转对应的关节连接件；
每一关节连接件的底座外侧沿周向均均匀设有若干个面，每一面上均水平贴合有一薄膜力传感器，所述传感器的感应面朝下；
任一在前的关节，其关节连接件的底座与后一关节的舵机底面支架固定连接，两关节相对偏转90°。
进一步地，每一底座上均套有一与所述底座匹配的传感器保护壳，所述传感器保护壳为薄环，所述传感器保护壳与对应底座上的薄膜力传感器紧密贴合。
进一步地，每一薄膜力传感器的感应面底部均贴有硅胶保护膜。
进一步地，所述主摆臂内侧开有与所述主舵盘匹配的槽，并且，所述主摆臂还开有与所述主舵盘上螺孔对应的通孔；所述副摆臂内侧开有与所述从舵盘匹配的槽，并且，所述副摆臂还开有与所述从舵盘上螺孔对应的通孔；所述主舵盘和所述从舵盘对应嵌在所述主摆臂和所述副摆臂上，并通过螺钉固定。
进一步地，所述第一摆臂和所述第二摆臂各自的两端各设一竖直向的开有通孔的连接脚，所述舵机底部四角位置分别设有四个与四连接脚对应匹配的嵌槽，且每一嵌槽位置均开有螺孔；所述舵机底面支架通过螺钉与所述舵机底部固定连接。
进一步地，所述舵机底面支架的底板中间位置还开有4个螺孔，4个螺孔呈矩形；所述底座底部开有与所述舵机底面支架和所述舵机底部匹配的凹槽，所述底座的凹槽内还开有与所述舵机底面支架底板上4个螺孔匹配的螺孔；所述舵机底面支架和所述舵机底部嵌在前一关节的底座的凹槽内，所述舵机底面支架与所述底座通过螺钉固定。
进一步地，每一底座外侧沿周向均均匀设有十个面。
进一步地，所述底座外侧周向上，相邻的面间开有圆滑过渡的倒角。
本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型采用模块化关节连接结构，可提高机器人的紧凑度和柔顺性，还可以通过添加或减少关节模块实现蛇形机器人的形态规模扩展。此外，通过机器人关节上的薄膜力传感器可感知机器人各部位压力并反馈辅助步态实验，通过分析蛇形机器人关节处的各方向受力情况和运动姿态之间的对应关系，可更快得到运动函数参数的最佳调节范围。
附图说明
图1为本实用新型的蛇形机器人的整体结构示意图；
图2为偏转关节和俯仰关节的装配示意图；
图3为关节连接件的结构示意图；
图4为关节连接件底部的结构示意图；
图5为传感器保护壳的结构示意图；
图6为薄膜力传感器装配在关节连接件底座上的示意图；
图7为传感器保护壳套在关节连接件底座上的示意图；
图8为舵机的结构示意图；
图9为舵机底面支架的结构示意图；
图10为蛇形机器人通信结构拓扑图；
附图标记：1-偏转关节，2-俯仰关节，3-舵机底面支架，301-第一摆臂，302-第二摆臂，4-舵机，401-主舵盘，402-从舵盘，5-关节连接件，501-主摆臂，502-副摆臂，503-底座，6-薄膜力传感器，7-硅胶保护膜，8-传感器保护壳。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型作进一步详细说明。
如图1所示的蛇形机器人，包括8个偏转关节1和8个俯仰关节2。偏转关节1在前，俯仰关节2在后，8个偏转关节1和8个俯仰关节2交替排列，并依次首尾正交连接。
如图2所示，偏转关节1和俯仰关节2结构上相同，均包括舵机底面支架3、舵机4和关节连接件5，两关节相对偏转90°。
舵机4的结构如图8所示，其上部前侧为主舵盘401，上部后侧为从舵盘402。
参见图9，舵机底面支架3包括底板和底板两侧分别向上90°弯折的第一摆臂301和第二摆臂302，两摆臂抱住对应舵机4底部，并固定连接。具体地，每一摆臂的两端各设一竖直向的开有通孔的连接脚。本实施例中，第二摆臂302高于第一摆臂301，第二摆臂302上的连接脚较第一摆臂301上的连接脚长。底板中间位置还开有4个螺孔，4个螺孔呈矩形。
舵机4底部四角位置分别设有四个与四连接脚对应匹配的嵌槽，且舵机4底部每一嵌槽位置均开有螺孔。舵机底面支架3通过螺钉固定连接在舵机4底部。
参见图3，关节连接件5为一体式结构，包括主摆臂501，副摆臂502和底座503。主摆臂501和副摆臂502垂直连接与底座503上端面两侧，并且，主摆臂501和副摆臂502正相对。主摆臂501内侧开有与主舵盘401匹配的槽，并且，主摆臂501还开有与主舵盘401上螺孔对应的通孔。副摆臂502内侧开有与从舵盘402匹配的槽，并且，副摆臂502还开有与从舵盘402上螺孔对应的通孔。主舵盘401和从舵盘402对应嵌在主摆臂501和副摆臂502上，并通过螺钉固定住，舵机4转动带动对应的关节连接件5转动。底座503外沿周向均匀设有十个面(即底座503截面形状为等十边形)，相邻的面间倒角处理，圆滑过渡。
参见图6，底座503外侧沿周向的10个面上均水平贴合有薄膜力传感器6，传感器6的感应面朝下，感应面底部贴有硅胶保护膜7，防止传感器损坏。本实施例中，为薄膜力传感器6还配套有传感器保护壳8，参见图5，传感器保护壳8为与底座503匹配的薄环。保护壳8套在底座503上，与对应底座503上的传感器6紧密贴合，如图7所示，保证机器人运动过程中，传感器6不会掉落。
参见图4，底座503底部开有与舵机底面支架3和舵机4底部匹配的凹槽，底座503的凹槽内还开有与舵机底面支架3底板上4个螺孔匹配的螺孔。参见图1和图2，舵机底面支架3和舵机4底部嵌在前一关节底座503的凹槽内，通过螺钉将舵机底面支架3固定住。由于偏转关节1和俯仰关节2结构相同，并且，后一关节相对于前一关节偏转90°，因而关节间均能通过该方式进行连接。
参见图1和图2，偏转关节1和俯仰关节2转动轴线相互垂直，具体地，偏转关节1在水平平面上转动，俯仰关节在竖直平面上转动，转动角度均为±90°。
以上为本实用新型的蛇形机器人的结构说明。下面就如何通过该蛇形机器人寻找最佳控制函数参数进行简要说明。
参见图10所示的蛇形机器人通信结构拓扑图，包括：主控制部分和从控制部分。主控制部分主要由上位机(PC)、下位机(单片机)和WIFI模块构成，上位机和下位机之间通过WIFI进行通信。舵机4选用串行总线型伺服电机，使用TTL半双工总线与单片机进行通信。
用户在上位机的控制界面给出控制指令，上位机整合出一个固定格式的指令包，通过WIFI发送给下位机。下位机和各舵机之间通过总线通信，下位机接收到上位机的数据指令后，检测指令包的有效性，将有效的指令包发送到总线上，各舵机选择接收对应的指令包，完成相应的控制指令。
蛇形机器人的基本控制法为函数控制法，其运动控制函数的一般表达式为：
θi＝Ai·sin(ω·t+k·i)+γi，i＝0,1,2...8 (1)
其中，θi为舵机转动角度；Ai为函数幅值，控制蛇形机器人运动的幅度；ω为角速度，控制蛇形机器人的运动速度；k为相位滞后；γi为关节角度偏移量，作为角度补偿。
函数控制法根据蛇形机器人关节构造分为偏转关节控制函数和俯仰关节控制函数，两种函数在控制时间t上保持一致。8个偏转关节使用同一种控制函数，根据舵机的关节编号，每个关节的控制函数之间存在相位差，俯仰关节同理。蛇形机器人运动过程中，其姿态曲线为两组关节控制函数在三维空间上的融合曲线。
发明人基于函数控制法设计了六种运动步态用于实验，六种运动步态如下：
侧滚步态，机器人弯曲呈U型在二维平面内翻滚前进，俯仰关节和偏转关节控制函数为：
侧移步态，机器人弯曲呈S型在二维平面内侧向前进，俯仰关节和偏转关节控制函数为：
转弯步态，机器人弯曲呈S型在三维平面内绕蛇头关节旋转，俯仰关节和偏转关节控制函数为：
自转步态，机器人弯曲呈S型在三维平面内绕机身中心旋转，俯仰关节和偏转关节控制函数为：
攀爬步态，机器人以缠绕式绕圆柱水管滚动前进，俯仰关节和偏转关节控制函数为：
蛇形机器人进行步态运动时，传感器将实时读数反馈给单片机，单片机通过WIFI将数据发送到上位机，上位机对反馈的数据进行处理，并对控制参数进行调整。
Claims (8)
1.一种基于薄膜力传感器的实验用蛇形机器人，其特征在于，包括若干偏转关节(1)和若干俯仰关节(2)，所述若干偏转关节(1)和所述若干俯仰关节(2)交替排列，并依次首尾正交连接；偏转关节(1)和俯仰关节(2)均包括舵机底面支架(3)、舵机(4)和关节连接件(5)；
舵机底面支架(3)包括底板和所述底板两侧分别向上90°弯折的第一摆臂(301)和第二摆臂(302)，两摆臂抱住对应舵机(4)底部，并与舵机(4)固定连接；
关节连接件(5)为一体式结构，包括主摆臂(501)，副摆臂(502)和底座(503)，主摆臂(501)和副摆臂(502)垂直连接于底座(503)上端面两侧，主摆臂(501)和副摆臂(502)正相对；舵机(4)主舵盘(401)与主摆臂(501)固定连接，舵机(4)从舵盘(402)与副摆臂(502)固定连接，舵机(4)驱转对应的关节连接件(5)；
每一关节连接件(5)的底座(503)外侧沿周向均均匀设有若干个面，每一面上均水平贴合有一薄膜力传感器(6)，传感器(6)的感应面朝下；
任一在前的关节，其关节连接件(5)的底座(503)与后一关节的舵机底面支架(3)固定连接，两关节相对偏转90°。
2.根据权利要求1所述的基于薄膜力传感器的实验用蛇形机器人，其特征在于，每一底座(503)上均套有一与底座(503)匹配的传感器保护壳(8)，传感器保护壳(8)为薄环，传感器保护壳(8)与对应底座(503)上的薄膜力传感器(6)紧密贴合。
3.根据权利要求1或2所述的基于薄膜力传感器的实验用蛇形机器人，其特征在于，每一薄膜力传感器(6)的感应面底部均贴有硅胶保护膜(7)。
4.根据权利要求1所述的基于薄膜力传感器的实验用蛇形机器人，其特征在于，主摆臂(501)内侧开有与主舵盘(401)匹配的槽，并且，主摆臂(501)还开有与主舵盘(401)上螺孔对应的通孔；副摆臂(502)内侧开有与从舵盘(402)匹配的槽，并且，副摆臂(502)还开有与从舵盘(402)上螺孔对应的通孔；主舵盘(401)和从舵盘(402)对应嵌在主摆臂(501)和副摆臂(502)上，并通过螺钉固定。
5.根据权利要求1所述的基于薄膜力传感器的实验用蛇形机器人，其特征在于，第一摆臂(301)和第二摆臂(302)各自的两端各设一竖直向的开有通孔的连接脚，舵机(4)底部四角位置分别设有四个与四连接脚对应匹配的嵌槽，且每一嵌槽位置均开有螺孔；舵机底面支架(3)通过螺钉与舵机(4)底部固定连接。
6.根据权利要求5所述的基于薄膜力传感器的实验用蛇形机器人，其特征在于，舵机底面支架(3)的底板中间位置还开有4个螺孔，4个螺孔呈矩形；底座(503)底部开有与舵机底面支架(3)和舵机(4)底部匹配的凹槽，底座(503)的凹槽内还开有与舵机底面支架(3)底板上4个螺孔匹配的螺孔；舵机底面支架(3)和舵机(4)底部嵌在前一关节的底座(503)的凹槽内，舵机底面支架(3)与底座(503)通过螺钉固定。
7.根据权利要求1所述的基于薄膜力传感器的实验用蛇形机器人，其特征在于，每一底座(503)外侧沿周向均均匀设有十个面。
8.根据权利要求1或7所述的基于薄膜力传感器的实验用蛇形机器人，其特征在于，底座(503)外侧周向上，相邻的面间开有圆滑过渡的倒角。
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|---|---|---|---|---|
| CN113183129A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-07-30 | 浙江工业大学 | 一种喷气式水蛇机器人的机体骨架及喷气式水蛇机器人 |
| KR20230031700A (ko) * | 2021-08-27 | 2023-03-07 | 한국로봇융합연구원 | 협소 공간에서 이동가능한 뱀형 로봇의 제어방법 |
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| CN113183129A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-07-30 | 浙江工业大学 | 一种喷气式水蛇机器人的机体骨架及喷气式水蛇机器人 |
| KR20230031700A (ko) * | 2021-08-27 | 2023-03-07 | 한국로봇융합연구원 | 협소 공간에서 이동가능한 뱀형 로봇의 제어방법 |
| KR102545586B1 (ko) * | 2021-08-27 | 2023-06-20 | 한국로봇융합연구원 | 협소 공간에서 이동가능한 뱀형 로봇의 제어방법 |
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