CN102849140B - 一种多运动模式仿生移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多运动模式仿生移动机器人，其特征在于该机器人由机身平台、6条结构相同的机器腿、基于3G网络的视频监控***和基于远程操作的双摇杆遥操控***组成；所述机器腿具有4个关节部和一个轮部，每个关节部均由旋转角度为180度的大扭力舵机驱动，一台舵机负责驱动一个关节，轮部由旋转角度为360度的大扭力舵机驱动，可以整周转动；舵机旋转中心轴的两端均由轴承固定；六条机器腿对称布置于机器人机身平台的两侧，形成仿生机构；机器腿下端连杆采用直角倒L型设计，其一端与机身相连接，另一端与地面接触；视频监控***主要包括发送端和接收端；遥操控***针对6条机器腿遥操作控制，主要包括发送端和接收端。

Description

一种多运动模式仿生移动机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术，具体为一种多运动模式仿生移动机器人。

背景技术

在移动机器人的行走机构中，研究较多的是轮式机器人、履带式机器人和具有仿生功能的腿式机器人(或称仿生机器人)。其中以轮式机器人的移动效率最高，运动灵活、控制和研制相对简单，但其地形适应能力相对较差；履带机器人对地形的适应能力较强，负载能力较大，行走较为平稳，但转向行驶并不灵活，移动速度相对较慢；而仿生机器人具有腿式机构，其适应能力相对最强，但其效率较低。参考上述移动机器人的优缺点，有些机器人的移动机构，将轮式移动机构和腿式移动机构相结合，组合成了轮腿式移动机器人，增强了移动机器人在复杂路况环境下的道路适应性和通过性，即轮腿式移动机器人兼具有仿生机器人和轮式移动机器人的优点，可在不同环境下采用不同的行进策略，极大地提高了移动机器人的前进速度和地形适应能力，成为当今室外机器人发展的一个主要方向。

仿生移动机器人是指可模仿多种动物运动的移动机器人，包括四足哺乳动物、六足昆虫和八足爬行动物等。仿生移动机器人机构模型基于多足移动机构而建立，因此具有良好的稳定性，可灵活运动，不易于发生侧翻倾覆等，具有较强的应用性，针对此类移动机器人的研究也较多。多运动模式仿生机器人通过变换关节构造，可实现多种运动模式之间的转换，例如昆虫运动模式和哺乳动物运动模式之间的转换等，因此其整体机构具有变形功能，属可重构机构及仿生可重构工程范畴。此类移动机器人的灵活运动能力、地形适应能力等均能得到进一步地提高，正逐渐成为关注的热点。

多运动模式仿生机器人***设计要解决的实质问题是，通过对机器人的工作环境、要实现的具体功能等技术指标进行综合性能分析，设计出一套最优机械腿，使机器腿能够在相应的控制指令下实现规定的动作。移动机器腿***设计的首要问题是确定其机构的行进和构形方式，单一的行进方式主要有轮式、腿式和履带式。但单一的行进方式不能满足复杂地形的要求，因而现在大都采用两种以上行进方式的复合行进方式，这样的机器人平台对复杂地形具有更强的适应能力。

近些年比较典型的轮腿移动机器人主要有：1，美国“好奇号”火星探测车，该机器人为六轮腿移动机器人，具有轮式机器人及腿式机器人的特点，其地形适应能力得到提高，但由于这类机器人采用悬架机构，其灵活移动性能仍受到局限，行进效率不高，且地形适应能力及越障能力等也具有局限性；2，美国JPL实验室的ATHLETE六轮腿移动机器人，这类机器越障能力较强，可以灵活移动，并可完成多种运动功能，适应多种地形，但受其动力学性能影响，其动作效率较低，又因其机构构形简单、电机数目较多，整机能耗较大；3，日本千叶大学研制的hallucII移动机器人，因具有“变形”功能，其移动能力进一步得到提高，可实现轮、腿、轮腿复合式运动，但此机器人控制***较复杂，同样也存在能耗、体积等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种多运动模式仿生移动机器人，该机器人具有六条结构相同的机器腿和直角倒L型连杆及变形关节，每条腿均采用大扭力电机，相互配合，可实现5个自由度的驱动，整条机器腿为开链串联机构，通过调节6条腿上各关节角度，实现机器腿在多种模式之间的转换，以提高机器人对不同地形的适应能力。在实现所述功能要求的前提下，本发明机器人采用3G点对点通信网络，具有远程实时监控功能，并依据人机工程学原理，采用双摇杆进行远程无线控制，因此控制相对简单，该机器人同时具有承载能力强，质量轻，体积小，模块化便于装备等特点。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种多运动模式仿生移动机器人，其特征在于该机器人由机身平台、6条结构相同的机器腿、基于3G网络的视频监控***和基于远程操作的双摇杆遥操控***组成；所述机器腿均为连杆机构，具有4个关节部和一个轮部，共5个自由度，即机器腿包括轮子、关节四、关节三、关节二、关节一、大腿连杆和小腿连杆，机器腿与机身平台之间的联接为关节一，关节一可做正负90度的旋转运动；关节一和大腿连杆联接处为关节二，关节二可在垂直方向做正负90度的旋转运动，关节二的转动轴线与关节一的转动轴线正相交；大腿连杆与小腿连杆联接处为关节三，关节三将代表大腿与小腿的两连杆联接起来，可相对于大腿连杆做正负90度旋转运动；小腿连杆的踝关节为关节四，关节四可正负90度旋转，可带动轮子朝不同方向运动，整体机器腿的末端为轮子所在位置，轮部可按正负360度整周方向旋转，并且可以0速度运动；每个关节部均由旋转角度为180度的大扭力舵机驱动，一台舵机负责驱动一个关节，轮部由旋转角度为360度的大扭力舵机驱动，可以整周转动；舵机旋转中心轴的两端均由轴承固定；六条机器腿对称布置于机身平台的两侧，形成仿生机构；所述机器腿的小腿连杆采用直角倒L型设计，其一端与大腿连杆相连接，另一端与地面接触；

所述视频监控***基于3G网络，主要包括发送端和接收端；发送端主要是USB摄像头、arm9开发板、3G无线网卡和电源模块；接收端主要是液晶显示器、arm9开发板、3G无线网卡和电源模块；

所述遥操控***针对所述的6条机器腿进行遥操作控制，主要包括发送端和接收端；发送端主要是两个控制摇杆、AD采集模块、单片机处理模块和无线串口发射模块；接收端主要是无线串口接收模块、单片机、CPLD模块、光电耦合模块和电机。

与现有技术相比，本发明机器人采用轮腿复合式结构，采用双摇杆进行遥操作控制、控制协议的制定使得控制过程相对简单，在平整地面上采用轮式方法行进，能耗大幅降低；在复杂地形下采用轮腿复合协调运动的方式法进行移动，效率大为提高。本发明机器人由于特殊的结构设计，通过变形关节和直角倒L型连杆结构的腿部设计，可使机器人能够更加充分利用机器人自身关节和结构特点，进一步提高了机器人的灵活性，不仅可跨越一定高度的障碍，还可跨越一定长度的凹坑；同时倒L型连杆设计可降低机器人整体重心，利于机器人快速稳定行动，不易发生侧覆倾翻；也尽可能地降低了机器人的整体高度，从而利于穿越狭小缝隙，提高移动能力；直角倒L型连杆设计还有利于爬坡运动，具有较强的地形适应能力和道路通过能力。

附图说明

图1为本发明多运动模式仿生移动机器人的一种实施例的整体三维结构示意图。

图2为本发明多运动模式仿生移动机器人单条机器腿一种实施例的机构原理示意图。

图3为本发明多运动模式仿生移动机器人单条机器腿一种实施例的完整装配三维结构模型图。

图4为本发明多运动模式仿生移动机器人一种实施例的3G网络点对点视频采集的流程图的发送端***图。

图5为本发明多运动模式仿生移动机器人一种实施例的3G网络点对点视频监控***显示的流程图的接收端***图。

图6为本发明多运动模式仿生移动机器人一种实施例的遥操作***控制端流程图。

图7为本发明多运动模式仿生移动机器人一种实施例的遥操作***接收端流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图详细叙述本发明。实施例是以本发明所述技术方案为前提进行的具体实施说明，给出了详细的实施方式和过程。但本发明申请的权利要求保护范围不限于所述实施例的描述范围。

本发明设计的多运动模式仿生移动机器人(以下简称机器人，参见图1-7)，主要采用连杆机构作为传动机构，采用电机加支架相联接的方式驱动关节转角变化。具体机构特征是：

本发明机器人从整体运动关系看可分为三个组成部分，即负责机器人本体运动及支撑关系的机器人本体机械结构、负责实现移动机器人基于3G网络的视频监控***和负责实现远距离无线控制的遥操作控制***。本发明机器人本体实施例共由6条机构相同的机器腿组成，属于模块化设计，且机械设计相对简易，便于实现快速拆装，便于机器人应对实际工作环境的需要。

本发明机器人所述每一条机器腿的结构都相同，均为连杆机构(参见图1-3)，实施例共有15个不同的零件参与整条机器腿的组装，包括关节二舵机连接板11、固定轴与大腿连杆12、支撑板13、关节三用连接板14、关节三用舵机15、直角倒L型连杆16、小腿用连接板17、关节四用舵机18、关节四用连接板19、轮子110、轮部用连接板111、轮部驱动用舵机112、关节二用舵机113、机身连接板114和电机115。电机115负责驱动5个旋转自由度的机械腿，5台电机115均为舵机。舵机输出力矩大，最大可达30公斤/厘米，最小也达20公斤/厘米。机器腿主要有轮子110、关节四116、关节三117、关节二118、关节一119和机身平台2。机器腿与机器人本体之间的联接为第一关节119，第一关节119可做正负90度的旋转运动；关节一和大腿联接处为第二关节118，第二关节118可在垂直方向做正负90度的旋转运动，关节二的转动轴线，理论上与关节一的转动轴线正相交，从而便于理论分析与控制；大腿与小腿联接处为第三关节117，关节三主要负责将代表大腿与小腿的两连杆联接起来，同时负责小腿的转动运动，可相对于大腿杆做正负90度旋转运动；小腿踝关节为第四关节116，即变形关节所在位置，关节四可正负90度旋转，从而可带动轮子110朝不同方向运动，进而带动整体机器人随之运动。整体机械腿的末端即为轮子110所在位置，轮部可按正负360度整周方向旋转，并且可以0速度运动，即停止转动；停止转动时，轮子110将作为机器腿的末端进行运动，便于机器人以仿生方式进行运动，提高机器人的灵活适应性(参见图1、图2)。

所述电机115实施例为20公斤大扭矩舵机(参见图3)，安装于机身平台2的上侧，通过一组连接轴部件与机器腿支架11固定连接，从而可带动整条机器腿左右转动；连接轴部件中间安装有轴承，轴承外圈与机身连接板114组装，将整体机器腿固定到机身上，并最终通过螺栓将连接板114和舵机一起固定于机身平台2上，可保证机器腿的牢固安装和稳定运转；关节二舵机连接板11同舵机本体通过舵机上面的两个螺钉进行组装，关节二用舵机113另一侧，安装有轴承，并通过固定轴与大腿连杆12连接，关节二用舵机113实施例为30公斤大扭矩舵机，可带动舵盘一侧连杆及大腿连杆12作180度的旋转运动，即正负90度；关节三用舵机15两侧与关节二用舵机113连接过来的两个大腿连杆12进行连接，其连接方式与关节二用舵机113两侧的连接方式相同；关节三用舵机15同样为30公斤大扭矩舵机。

整台舵机通过自身的两个对角螺钉固定于直角倒L型连杆16上，因为直角L型连杆16通过舵盘与最外侧连杆12相连，而连杆12左侧(图3)与关节二用舵机113相连，因此连杆三可以相对最外侧连杆，支撑板13和大腿连杆12作相对运动，即关节三相对于关节二运动；连杆三之所以采用直角倒L型连杆结构主要有以下几个原因：首先，直角倒L型连杆机构较传统仿生机构降低了机器人本体重心的位置，从而利于机器人快速稳定移动，不易发生侧覆倾翻；机器人重心降低的同时，机器人整体高度也随之降低，从而利于机器人本体穿越狭小缝隙空间，提高机器人的环境适应能力；最后，直角倒L型连杆16为直角连杆机构，因此，连杆的一条直角边可作为机器人的一条小腿应用，尤其在环境复杂，或其他关节或部位出现故障的情况下，机器人可利用小腿运动，从而进一步增强机器人的生存能力，同时也可将直角倒L型连杆16作为肘状机构进行应用，从而可实现机器人的匍匐行进，进一步了提高机器人的移动能力，包括可提高机器人的爬坡能力、越障能力和跨越壕沟能力等；因此，设计直角倒L型连杆16的结构可最终实现多种方式的移动能力，进而充分发挥机器人在各种环境下的适应能力。

直角倒L型连杆16靠近轮子处安装有关节四用舵机18，关节四用舵机18的额定输出扭矩为20公斤每厘米，具有180度的转角范围，可实现轮子朝不同方向移动，并且可以配合其他5条机器腿，完成机器人整体的各种运动，进而可实现机器人多种运动模式之间的转换，因此关节四也为变形关节，可以帮助机器人实现多种运动模式之间的转换；关节四用舵机18通过关节四用连接板19所在部件与直角倒L型连杆16固定联接，关节四用舵机18通过舵盘连接固定轴，并与轮部用连接板111相连。轮部用连接板111为钣金折弯零件，其上安装有轮部部件，其中轮子一侧与舵盘通过固定轴连接，并通过多块连接板组合安装到了轮部用连接板111，轮部驱动用舵机112扭矩为20公斤每厘米，可做360度整周旋转(参见图3)。其中机械腿的机构采用了创新性设计，即直角倒L型连杆16，采用了两连杆相垂直的构型设计，即类字母L旋转90度后的形态，从而可降低机器人本体的重心，同时增加机械腿仿生肘部运动的特点，提高机器人的应用能力；在直角倒L型连杆16末端，即小腿末端，安装有关节四用舵机18，以实现关节四的变形功能；另利用轮部用连接板111的机械特性，将关节四用舵机18的输出端和轮部驱动用舵机112固定在一起，即轮部用连接板111采用直角架结构，将相互正交的关节四的旋转轴线和轮子110的旋转轴线，固结在一起，实现了机器人的灵活运动，较传统腿式仿生机器人增加了多种运动模式，在关节一和关节二位置处采用轮部用连接板11将两舵机连接，并采用轴套配合的方式将轮部用连接板11和关节一用舵机115相连接，两大腿连杆12通过连接板13进行紧固连接，连杆16两侧同样采用了关节三用连接板14和小腿用连接板17进行连接，使得机械腿两侧成工字钢结构，从而使机械腿整体结构较为牢固稳定，负荷能力强。机械腿的零件材料主要为铝合金板材，质量较轻，便于运动和控制。

依据仿生学原理，本发明机器人采用对称结构设计，机器人本体上的6条机器腿对称合理布置于机身平台的两侧，便于机器人稳定移动，而其协调运动可完成多种模式的运动，例如可模仿昆虫进行运动，模仿四足哺乳动物进行运动，模仿汽车向前行驶，以及完成原地打转等复杂动作(参见图1)。

本发明机器人所述视频监控***基于3G网络，包括发送端和接收端；发送端主要是USB摄像头、arm9开发板、3G无线网卡和电源模块；接收端主要是液晶显示器、arm9开发板、3G无线网卡和电源模块。在机器人机身上，安装有摄像头，通过驱动程序，并利用V4L2驱动程序，可完成视觉数据的采集，编、解码，利用UDP通信协议进行传输，并且整个数据处理程序全部由基于arm920T内核的嵌入式开发板完成。在本发明机器人的设计中，视觉传输***采用了3G网络通信技术，以arm9硬件***和linux操作***为基础，实现了图像采集和图像显示的点对点通信在仿生移动机器人上的应用，即最终使用3G网络实现了终端到终端的图像传输功能在仿生移动机器人上面的应用(***总流程可参见图4)。接收端位于操作者面前，由3G网卡通过3G网卡驱动程序的配置，顺利将通信数据发送给QT编程模块，并利用QT编程模块自带UDP网络通信协议，将采集来数据送给液晶显示器进行显示(***总流程可参见图5)。视觉传输***由接收数据端和发送数据端组成，发送数据端由arm9开发板外接3G网卡，外接USB摄像头，外接电源模块组成，接收数据端，由arm9核心开发板外接3G网卡，外接液晶触摸屏，外接电源模块组成。

本发明机器人所述遥操作控制***主要包括发送端和接收端；发送端：两个控制摇杆由左右两手进行控制，并把模拟型号发送给AD采集模块，AD采集模块对数据进行处理后，将数字信号传递给单片机处理模块，单片机模块通过串口通信协议将处理后的数据发送给无线串口模块，并最后将数据通过天线发送出去(***总流程可参见图6)；接收端：发送过来的数据，由天线接收，并负责传输给无线串口接收模块，通过串口通信将数据传输给单片机进行处理，处理后的数据转发给CPLD模块，CPLD主要用于产生多路舵机控制的PWM数据信号，最终这些PWM数据信号，通过光电耦合电路，发送给电机，其中光电耦合电路主要用于去除干扰信号(***总流程可参见图7)。依据人机工程学原理，充分考虑本机器人关节数目较多，协调控制较难的特点，采用了双摇杆操作方式，通过合理的协议拟定，利用两个摇杆将机器人本体上的机器腿分成两组分别进行控制，利用CPU(单片机)对控制策略进行运算处理，并在设计过程中充分考虑了各台电机动作的稳定性和可靠性，对控制电路及硬件进行优化，最终实现了双摇杆对机器人六条腿的协调操作。摇杆端为数据指令发送端，数据接收端安装于机器人机身上(***总体流程可参见图6)。

需要补充说明的是，本发明所述的“前、后；左、右；上、下”等方位词是为了描述清楚，只具有相对意义。一般情况下，以机械腿向前行进的方向为前，并作为其他方位词的基准。

本发明的工作原理及过程如下，操作人员操作两个摇杆，发出动作指令，机器人接收到由操作人员发送来的控制指令进行移动，通过调节各摇杆的姿态，可实现机器人不同关节的运动，左右手可随时改变对各条腿的控制，同时实时图像可由安装在机器人本体上的摄像头采集并发送到操作台液晶屏上，因此操作人员可以通过面前的液晶屏实现对机器人前方道路情况的准确判断。

本发明机器人可应用于消防、公共安全、军事侦察以及救援救灾等领域，具有质量轻(实施例的机器人本体质量仅11kg)，体积小(实施例的机器人本体长×宽：400mm×800mm)，便于携带和装备等特点。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (1)

1.一种多运动模式仿生移动机器人，其特征在于该机器人由机身平台、6条结构相同的机器腿、基于3G网络的视频监控***和基于远程操作的双摇杆遥操控***组成；所述机器腿均为连杆机构，具有4个关节部和一个轮部，共5个自由度，即机器腿包括轮子、关节四、关节三、关节二、关节一、大腿连杆和小腿连杆，机器腿与机身平台之间的联接为关节一，关节一可做正负90度的旋转运动；关节一和大腿连杆联接处为关节二，关节二可在垂直方向做正负90度的旋转运动，关节二的转动轴线与关节一的转动轴线正相交；大腿连杆与小腿连杆联接处为关节三，关节三将代表大腿与小腿的两连杆联接起来，可相对于大腿连杆做正负90度旋转运动；小腿连杆的踝关节为关节四，关节四可正负90度旋转，可带动轮子朝不同方向运动，整体机器腿的末端为轮子所在位置，轮部可按正负360度整周方向旋转，并且可以0速度运动；每个关节部均由旋转角度为180度的大扭力舵机驱动，一台舵机负责驱动一个关节，轮部由旋转角度为360度的大扭力舵机驱动，可以整周转动；舵机旋转中心轴的两端均由轴承固定；六条机器腿对称布置于机身平台的两侧，形成仿生机构；所述机器腿的小腿连杆采用直角倒L型设计，其一端与大腿连杆相连接，另一端与地面接触；

所述视频监控***基于3G网络，主要包括发送端和接收端；发送端主要是USB摄像头、arm9开发板、3G无线网卡和电源模块；接收端主要是液晶显示器、arm9开发板、3G无线网卡和电源模块；

所述遥操控***针对所述的6条机器腿进行遥操作控制，主要包括发送端和接收端；发送端主要是两个控制摇杆、AD采集模块、单片机处理模块和无线串口发射模块；接收端主要是无线串口接收模块、单片机、CPLD模块、光电耦合模块和电机。