CN110421581A - 一种基于曲线拟合的主动减震机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于曲线拟合的主动减震机器人，包括移动底盘、升降平台和机械臂，所述移动底盘两侧对称设有轮组，所述轮组与升降平台之间设有液压杆；所述升降平台内设有平台控制***，所述平台控制***包括主控板以及分别与主控板连接的传感器和舵机，舵机连接液压杆，所述主控板根据所述传感器对机器人周围环境的采集信息进行曲线拟合出机器人需要跨越的曲线，并根据拟合出的曲线计算出升降平台需要上升的高度及舵机需要转动的角度，同时通过控制舵机和液压杆进而控制升降平台根据需要进行升降使得移动底盘保持平稳。本发明具有主动减震功能，从而保证机器人底盘在越坑的时候能够保持机械臂安装平台的平稳，自动地达到机械臂减震的效果。

Description

一种基于曲线拟合的主动减震机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于曲线拟合的主动减震机器人。

背景技术

当一个多自由度机械臂安装在一个运动平台上面，运动平台在运动的过程中，因为需要面临复杂的外界环境，比如坑坑洼洼的地面，就会产生较大的震动，不利于机械臂的精确控制，目前市面上的机器人大都是被动避震，单一的靠悬挂***进行避震并不能较好的解决震动问题，如何让机器人在通过这些复杂地形时具有主动减震的功能，从而使底板上的平面保持水平稳定是急需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于曲线拟合的主动减震机器人，具有主动减震功能，提高机器人的实用性和智能化，从而能够给生活带来便利。

本发明提供了如下的技术方案：

一种基于曲线拟合的主动减震机器人，包括移动底盘、设在所述移动底盘上的升降平台和设在所述升降平台上的机械臂，所述移动底盘两侧对称设有轮组，所述轮组与所述升降平台之间设有液压杆；所述升降平台内设有平台控制***，所述平台控制***包括主控板以及分别与所述主控板连接的传感器和舵机，所述舵机连接所述液压杆，所述主控板根据所述传感器对机器人周围环境的采集信息进行曲线拟合出机器人需要跨越的曲线，并根据拟合出的曲线计算出所述升降平台需要上升的高度及舵机需要转动的角度，同时通过控制舵机和液压杆进而控制所述升降平台根据需要进行升降使得移动底盘保持平稳。

优选的，所述升降平台两侧分别设有叶子板，所述叶子板下设有若干并列分布的轮组，所述轮组包括承重轮组、动轮组和托带轮，所述承重轮组包括工字型安装座和呈矩形状分布安装在所述工字型安装座上的承重轮，所述工字型安装座连接所述液压杆，所述液压杆连接所述叶子板，所述动轮组包括分别安装在所述移动底盘两侧端的主动轮和辅助轮，所述承重轮组与所述叶子板之间还设有若干所述托带轮。

优选的，所述液压杆上还设有减震器。

优选的，所述机械臂为五轴可伸缩关节机械臂，所述五轴可伸缩关节机械臂包括设在所述升降平台上的机械臂安装板，所述机械臂安装板上设有叉形升降台，所述叉形升降台上设有底座并连接有伺服电机，所述底座上设有旋转台，所述旋转台内设有旋转驱动电机，所述旋转台上设有大臂关节，所述大臂关节上铰连有大臂，所述大臂连接有大臂摆动电机，所述大臂上铰连有小臂关节，所述小臂关节上设有小臂，所述小臂连接有小臂摆动电机，所述小臂上设有转动关节，所述转动关节连接有回转电机，所述转动关节上设有顶板，所述顶板上设有机械夹持装置，所述机械夹持装置上设有摄像头，所述摄像头连接所述主控板。

优选的，所述主控板包括控制器，所述控制器从所述传感器上获得信号然后输出PWM信号到所述舵机，从而控制所述舵机进行转向。

优选的，所述传感器为姿态传感器。

优选的，所述主控板还包括分别与所述控制器连接的无线遥控模块、电机驱动模块、车速检测模块、超声波测距模块和GPS定位模块，所述电机驱动模块分别控制驱动连接机器人各部分电机。

本发明的有益效果是：本发明利用曲线拟合的思想，通过液压杆调整升降平台，使得升降平台能够根据当前的地形环境进行自动调整，从而保证机器人底盘在越坑的时候能够保持机械臂安装平台的平稳，自动地达到机械臂减震的效果。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明移动底盘结构示意图；

图3是本发明平台控制***硬件结构原理示意图；

图4是本发明平台控制***控制原理示意图；

图中标记为：1.移动底盘；2.叶子板；21.辅助轮；22.承重轮；23.主动轮；24.液压杆；25.托带轮；26.减震器；3.机械臂安装板；4.叉形升降台；5.伺服电机；6.底座；7.旋转台；8.大臂关节；9.大臂；10.小臂关节；11.小臂；12.转动关节；13.顶板。

具体实施方式

如图1-图4所示，一种基于曲线拟合的主动减震机器人，包括移动底盘1、设在移动底盘1上的升降平台和设在升降平台上的机械臂，移动底盘1两侧对称设有轮组，轮组与升降平台之间设有液压杆24；升降平台内设有平台控制***，平台控制***包括主控板以及分别与主控板连接的传感器和舵机，舵机连接液压杆24，主控板根据传感器对机器人周围环境的采集信息进行曲线拟合出机器人需要跨越的曲线，并根据拟合出的曲线计算出升降平台需要上升的高度及舵机需要转动的角度，同时通过控制舵机和液压杆24进而控制升降平台根据需要进行升降使得移动底盘保持平稳。

具体的，如图2所示，升降平台两侧分别设有叶子板2，叶子板2下设有若干并列分布的轮组，轮组包括承重轮组、动轮组和托带轮25，承重轮组包括工字型安装座和呈矩形状分布安装在工字型安装座上的承重轮22，工字型安装座连接液压杆24，液压杆24连接叶子板2，液压杆24上还设有减震器26。动轮组包括分别安装在移动底盘1两侧端的主动轮23和辅助轮21，承重轮组与叶子板2之间还设有若干托带轮25。本发明通过对液压杆24的控制来控制运动平台的升降，从而能保证在越坑的过程中保持运动平台的平稳，主动地进行避震。其中适用的液压杆24具有以下优点：

(1)单位功率的重量轻，即在输出同等功率的条件下，体积小、重量轻、惯性小、结构紧凑、动态性能好；

(2)液压杆装置工作平稳、反应快、冲击小，能快速执行接收到的动作指令；

(3)液压杆装置的控制、调节比较简单；操纵比较方便、省力，易于实现自动化；

(4)液压杆易获得很大的力，可以使传动结构简单；

(5)液压杆易于实现过载保护，同时，因采用油液作为传动介质，相对运动表面之间能自行润滑，故原件的使用寿命长；

(6)由于液压元件已实现了标准化和通用化，所以液压***的设计、制造和使用都比较方便，液压元件的排列布置也具有较大的机动性。

具体的，如图1所示，机械臂为五轴可伸缩关节机械臂，五轴可伸缩关节机械臂包括设在升降平台上的机械臂安装板3，机械臂安装板3上设有叉形升降台4，叉形升降台4上设有底座6并连接有伺服电机5，叉形升降台4由伺服电机驱动5并带动底座6进行上下升降，底座6上设有旋转台7，旋转台7内设有旋转驱动电机，旋转台7上设有大臂关节8，大臂关节8上铰连有大臂9，旋转驱动电机驱动旋转台7进行转动，并带动大臂9进行旋转，大臂9连接有大臂摆动电机，大臂9由大臂摆动电机驱动沿着大臂9与大臂关节8之间的铰接点进行上下摆动。大臂9上铰连有小臂关节10，小臂关节10上设有小臂11，小臂11连接有小臂摆动电机，小臂11由小臂摆动电机驱动沿着大臂9与小臂关节10之间的铰接点进行上下摆动。小臂11上设有转动关节12，转动关节12连接有回转电机并由回转电机驱动进行转动，转动关节12上设有顶板13，进一步的，顶板13上设有机械夹持装置，机械夹持装置上设有摄像头，摄像头连接主控板，用于机械臂操作活动视觉识别。

具体的，如图3和图4所示，主控板可选用Arduino UNO R3，内嵌MiniPC控制***，进行图像处理、数据存储、深度学***，产生控制电压与舵机内的电位器作比较，获得电压差输出。最后由电压差，决定舵机转向的角度大小，进而由舵机控制液压阀***的工作。控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms-2.5ms范围内的角度控制脉冲部分，总间隔为2ms。

具体的，主控板还包括分别与控制器连接的无线遥控模块、电机驱动模块、车速检测模块、超声波测距模块和GPS定位模块，电机驱动模块分别控制驱动连接机器人各部分电机。传感器为姿态传感器，通过姿态传感器感知环境位置信息。具体采用：姿态传感器：MPU6050模块；无线遥控模块：HC05模块或wifi模块；电机驱动模块：TB6612FNG模块；车速检测模块：采用GB37直流微型减速电机，集成测速码盘，采用霍尔传感器的编码器进行测速；超声波测距模块：HC-SR04超声波模块；GPS定位模块：GPS模块采用U-BLOX NEO-6M模组，内置无源陶瓷天线。

如图1-图4所示，一种基于曲线拟合的主动减震机器人在使用过程中，通过传感器对机器人周围的环境信息进行采集，本发明中采用最小二乘法进行曲线拟合，拟合出机器人需要跨越坑的曲线，机器人根据拟合出的曲线计算出操作杆需要上升的高度以及舵机需要转动的角度，从而使得机器人底盘保持平衡，从而使机器人较为平稳地越沟。具体拟合计算方法如下：

对于平面上给定的点(x_i，y_i)(i＝0，1，2，...，m)，要寻找y与x之间的近似函数关系插值法要求曲线准确通过每个给定点(x_i，y_i)；而m较大时无论是高次插值还是分段低次插值都将很复杂，数据(x_i，y_i)一般是由实验观测得到的，总会带有观测误差，刻意要求并不能反映真实的函数关系，反而会引起的波动加剧，因此用近似描述已知数据(x_i，y_i)(i＝0，1，2，...，m)，不必要求在每个点x_i处，误差都为0，只需在所有点处的某种总体误差最小即可，这就是所谓的曲线拟合问题，亦称为离散函数最佳平方逼近问题。

设给定基函数我们在集合：

中寻求形如

的函数，使其近似已知数据。

对给定的数据(x_i，y_i)(i＝0，1，2，...，m)，若

使得

则称y＝y^*(x)为曲线族Ω中的最小二乘拟合曲线，并称为均方误差。

要确定拟合曲线(1)中的待定系数由(2)式知，就是求多元函数的最小值点由多元函数取极值的必要条件，有

从而有

这是n+1个方程、n+1个未知数的线性方程组，借助矩阵运算，可写成如下矩阵形式：

A^TAc＝A^Ty， (3)

其中，c＝(c₀，c₁，...，c_n)^T，y＝(y₀，y₁，...，y_m)，

而

方程组(3)称为法方程组，设线性无关(且满足Haar条件)，则行列式|A^TA|≠0，线性方程组(3)存在唯一的一组解。

若取基函数Ω＝span{1，x，x²，...，xⁿ}，法方程的系数矩阵显然非奇异，此时一般称为多项式拟合，求解法方程组，得到拟合系数

从而得到

再由多元函数取极值的充分条件可证明，这样求出的y^*(x)确实是方程组(2)的解，即y^*(x)为最小二乘拟合曲线。

本发明利用曲线拟合的思想，通过液压杆调整升降平台，使得升降平台能够根据当前的地形环境进行自动调整，正在升降平台上装有IMU姿态传感器，通过姿态传感器感知环境位置信息，从而保证机器人底盘在越坑的时候能够保持机械臂安装平台的平稳，自动地达到机械臂减震的效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于曲线拟合的主动减震机器人，其特征在于，包括移动底盘、设在所述移动底盘上的升降平台和设在所述升降平台上的机械臂，所述移动底盘两侧对称设有轮组，所述轮组与所述升降平台之间设有液压杆；所述升降平台内设有平台控制***，所述平台控制***包括主控板以及分别与所述主控板连接的传感器和舵机，所述舵机连接所述液压杆，所述主控板根据所述传感器对机器人周围环境的采集信息进行曲线拟合出机器人需要跨越的曲线，并根据拟合出的曲线计算出所述升降平台需要上升的高度及舵机需要转动的角度，同时通过控制舵机和液压杆进而控制所述升降平台根据需要进行升降使得移动底盘保持平稳。

2.根据权利要求1所述的一种基于曲线拟合的主动减震机器人，其特征在于，所述升降平台两侧分别设有叶子板，所述叶子板下设有若干并列分布的轮组，所述轮组包括承重轮组、动轮组和托带轮，所述承重轮组包括工字型安装座和呈矩形状分布安装在所述工字型安装座上的承重轮，所述工字型安装座连接所述液压杆，所述液压杆连接所述叶子板，所述动轮组包括分别安装在所述移动底盘两侧端的主动轮和辅助轮，所述承重轮组与所述叶子板之间还设有若干所述托带轮。

3.根据权利要求1所述的一种基于曲线拟合的主动减震机器人，其特征在于，所述液压杆上还设有减震器。

4.根据权利要求1所述的一种基于曲线拟合的主动减震机器人，其特征在于，所述机械臂为五轴可伸缩关节机械臂，所述五轴可伸缩关节机械臂包括设在所述升降平台上的机械臂安装板，所述机械臂安装板上设有叉形升降台，所述叉形升降台上设有底座并连接有伺服电机，所述底座上设有旋转台，所述旋转台内设有旋转驱动电机，所述旋转台上设有大臂关节，所述大臂关节上铰连有大臂，所述大臂连接有大臂摆动电机，所述大臂上铰连有小臂关节，所述小臂关节上设有小臂，所述小臂连接有小臂摆动电机，所述小臂上设有转动关节，所述转动关节连接有回转电机，所述转动关节上设有顶板，所述顶板上设有机械夹持装置，所述机械夹持装置上设有摄像头，所述摄像头连接所述主控板。

5.根据权利要求4所述的一种基于曲线拟合的主动减震机器人，其特征在于，所述主控板包括控制器，所述控制器从所述传感器上获得信号然后输出PWM信号到所述舵机，从而控制所述舵机进行转向。

6.根据权利要求1所述的一种基于曲线拟合的主动减震机器人，其特征在于，所述传感器为姿态传感器。

7.根据权利要求5所述的一种基于曲线拟合的主动减震机器人，其特征在于，所述主控板还包括分别与所述控制器连接的无线遥控模块、电机驱动模块、车速检测模块、超声波测距模块和GPS定位模块，所述电机驱动模块分别控制驱动连接机器人各部分电机。