具有人-机-环境共融特征的仿鸵鸟机器人控制系统技术方案

一种具有人‑机‑环境共融特征的仿鸵鸟机器人控制系统，该系统能使操作者与机器人交互，并且机器人可感知地面松软程度和周围环境变化，实现人‑机共融和机‑环境共融。仿鸵鸟机器人控制系统具有三种控制模式，分别是离线模式、主动模式和调试模式，可以根据操作者的要求，通过远程PC或者手机端WiFi信号实现自由切换。离线模式下，机器人摄像头监控系统和足底压力采集系统感知地面松软程度和周围环境的变化，由STM32控制中心实现自主判断，并通过状态显示系统实现实时状态监测。主动模式下，机器人能根据操作者的指令，做出相应的姿态调整，解决机器人离线模式下无法自主判断的问题。调试模式下，操作者能实现步态设计和判断程序加载。

Control system of ostrich robot with human-machine environment integration characteristics

An ostrich-like robot control system with the characteristics of human-machine-environment blending is presented. The system enables the operator to interact with the robot, and the robot can perceive the softness of the ground and the changes of the surrounding environment, so as to realize the human-machine blending and the environment blending. The control system of ostrich-like robot has three control modes, which are offline mode, active mode and debugging mode. It can switch freely through remote PC or WiFi signal of mobile terminal according to the operator's requirements. In the offline mode, the robot camera monitoring system and plantar pressure acquisition system perceive the soft degree of the ground and the changes of the surrounding environment, and the STM32 control center can judge independently, and real-time state monitoring is realized through the state display system. In active mode, the robot can adjust its attitude according to the operator's instructions, so as to solve the problem that the robot can't judge independently in off-line mode. In debug mode, the operator can achieve gait design and judge program loading.

【技术实现步骤摘要】
具有人-机-环境共融特征的仿鸵鸟机器人控制系统
本专利技术属于机器人领域和工程仿生领域，具体涉及一种具有人-机-环境共融特征的仿鸵鸟机器人控制系统。
技术介绍
随着应用领域的不断拓宽，机器人其面临的环境日益复杂多变。因此，机器人不仅需要提高环境适应能力来提高其环境适应能力，同时还需要提高人机交互能力来提高其可操作性。现有的机器人大多是针对平整、软硬程度单一的硬地面设计的，如日本本田公司的机器人ASIMO。机器人足端形貌一般为规则的单一整体，如美国波士顿动力公司Bigdog机器人足端为单一圆柱体。此外，多数机器人缺乏人机交互界面，往往只能实现单一的运行模式。双足仿生机器人由于具有人类的外形特征，更容易适应人类生活环境，可以代替人类执行特定的任务，如美国AgilityRobotics公司的Cassie，是未来与人类友好共处的先进机器人的重要代表，具有广阔的应用前景。鸵鸟是地球上现存奔跑速度最快的双足动物，长期生活在沙漠和陆地，其飞行器官已经退化，能以60km/h的速度奔跑超过30min以上，冲刺速度可以达到70km/h，而百米飞人博尔特最快也仅能达到约38km/h。鸵鸟足端经过长期进化，只剩下第Ⅲ、Ⅳ趾，第Ⅲ趾为主要支撑趾，第Ⅳ趾为辅助支撑趾。其足底特殊的曲面形貌能够有效地适应沙地环境，具有固流限沙的作用，能够有效提高足端的牵引力。针对目前存在的问题，本专利技术设计了能够实现人-机-环境共融仿鸵鸟控制系统。通过足底压力采集系统和摄像头监控系统能够实现对环境变化的反馈，提高其环境适应能力。通过多模式控制系统、状态显示系统，可以实现对机器人实时状态的掌控和及时的调整，提高其可操作性。同时，本专利技术结合了鸵鸟足底特殊的曲面形貌和二趾动作机理，能够有效提高结构稳定性和运动速度。
技术实现思路
本专利技术提供一种具有人-机-环境共融特征的仿鸵鸟机器人控制系统。本专利技术包括有STM32控制中心、摄像头监控系统、足底压力采集系统、状态显示系统、远程PC或者手机端、STC12C5A60S2运动控制系统和舵机执行系统，远程PC或者手机端通过WiFi信号与STM32控制中心连接，摄像头监控系统通过I2C总线与STM32控制中心双向连接，足底压力采集系统通过ADC接口与STM32控制中心连接，STM32控制中心通过I/O口与状态显示系统连接，STM32控制中心通过USART串口与STC12C5A60S2运动控制系统连接，STC12C5A60S2运动控制系统通过通过PWM信号与舵机执行系统连接，摄像头监控系统与远程PC或者手机端之间通过物联网连接。所述的足底压力采集系统包括第一薄膜压力传感器、第二薄膜压力传感器和第五薄膜压力传感器、第六薄膜压力传感器、第三薄膜压力传感器、第七薄膜压力传感器、第四薄膜压力传感器、第八薄膜压力传感器；第一薄膜压力传感器、第二薄膜压力传感器和第五薄膜压力传感器和第六薄膜压力传感器分别用来测量对应足底内、外测压差，用来判定仿鸵鸟机器人运动的稳定性；第三薄膜压力传感器和第七薄膜压力传感器位于足底曲面的凹陷处，用于判断机器人所处环境的松软状况进而对机器人运行速度和第四趾的位置做出调整，地面越松软，足端下陷越严重，传感器压力值越大。第四薄膜压力传感器和第八薄膜压力传感器位于足端后跟处，用来判断足底是否触地。本专利技术的工作过程本专利技术具有三种控制模式，分别是离线模式、主动模式和调试模式，可以根据操作者的要求，通过远程PC或者手机WiFi信号实现自由切换。离线模式下，机器人摄像头监控系统和足底压力采集系统感知地面松软程度和周围环境的变化，由STM32控制中心实现自主判断，完成速度和姿态调整，并通过状态显示系统：蜂鸣器、LED灯、远程PC或手机端实现状态监测。主动模式下，机器人能根据操作者的指令，做出速度和姿态调整，解决机器人离线模式下无法自主判断的问题。调试模式下，操作者能实现步态设计和判断程序加载。本专利技术的有益效果：本专利技术能够实现人-机-环境共融。通过足底压力采集系统和摄像头监控系统能够实现对环境变化的反馈，提高机器人环境适应能力。通过多控制模式和状态显示系统：蜂鸣器、LED灯、远程PC或手机端，实现机器人状态的实时调控和监测，提高机器人的人机交互能力。本专利技术有三种控制模式，分别是离线模式、主动模式和调试模式，可以根据机器人的运行状态和操作者的要求，通过远程PC或者手机WiFi信号实现自由切换。本专利技术摄像头监控系统能实时查看周围环境状态，当视野内有物体运动，监控系统进行录像，并通过物联网传送到远程PC或者手机端，实现对周围环境的远程监控。足底压力采集系统系统结合鸵鸟足端特殊曲面形貌和二趾动作机理，能够实时感知地面松软程度的变化，并且有效适应沙地环境和增大足端的牵引力。附图说明图1为本专利技术的控制系统框图。图2为本专利技术的三种控制模式以及实现的功能框图。图3为本专利技术的足端曲面形貌示意图。图4为本专利技术的足底压力采集系统安装位置示意图。图5为本专利技术的离线模式程序流程图其中：1-右足承载趾；2-右足辅助趾；3-第一薄膜压力传感器；4-第二薄膜压力传感器；5-第三薄膜压力传感器；6-第四薄膜压力传感器；7-第五薄膜压力传感器；8-第六薄膜压力传感器；9-第七薄膜压力传感器；10-第八薄膜压力传感器；11-左足承载趾；12-左足辅助趾；13-STM32控制中心；14-摄像头监控系统；15-足底压力采集系统；16-状态显示系统；17-远程PC或者手机端17；18-STC12C5A60S2运动控制系统；19-舵机执行系统19。具体实施方式如图1所示，本专利技术包括有STM32控制中心13、摄像头监控系统14、足底压力采集系统15、状态显示系统16、远程PC或者手机端17、STC12C5A60S2运动控制系统18和舵机执行系统19，远程PC或者手机端17通过WiFi信号与STM32控制中心13连接，摄像头监控系统14通过I2C总线与STM32控制中心13双向连接，足底压力采集系统15通过ADC接口与STM32控制中心13连接，STM32控制中心13通过I/O口与状态显示系统16连接，STM32控制中心13通过USART串口与STC12C5A60S2运动控制系统18连接，STC12C5A60S2运动控制系统18通过通过PWM信号与舵机执行系统19连接，摄像头监控系统14与远程PC或者手机端17之间通过物联网连接。所述的状态显示系统16包括LED灯和蜂鸣器。如图4所示，所述的足底压力采集系统15包括第一薄膜压力传感器3、第二薄膜压力传感器4和第五薄膜压力传感器7、第六薄膜压力传感器8、第三薄膜压力传感器5、第七薄膜压力传感器9、第四薄膜压力传感器6、第八薄膜压力传感器10；第一薄膜压力传感器3、第二薄膜压力传感器4和第五薄膜压力传感器7和第六薄膜压力传感器8分别用来测量对应足底内、外测压差，用来判定仿鸵鸟机器人运动的稳定性；第三薄膜压力传感器5和第七薄膜压力传感器9位于足底曲面的凹陷处，用于判断机器人所处环境的松软状况进而对机器人运行速度和第四趾的位置做出调整，地面越松软，足端下陷越严重，传感器压力值越大。第四薄膜压力传感器6和第八薄膜压力传感器10位于足端后跟处，用来判断足底是否触地。图4是本专利技术的足底压力采集系统安装位置示意图，其中，1为右足承载本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有人‑机‑环境共融特征的仿鸵鸟机器人控制系统，其特征在于：包括有STM32控制中心(13)、摄像头监控系统(14)、足底压力采集系统(15)、状态显示系统(16)、远程PC或者手机端(17)、STC12C5A60S2运动控制系统(18)和舵机执行系统(19)，远程PC或者手机端(17)通过WiFi信号与STM32控制中心(13)连接，摄像头监控系统(14)通过I2C总线与STM32控制中心(13)双向连接，足底压力采集系统(15)通过ADC接口与STM32控制中心(13)连接，STM32控制中心(13)通过I/O口与状态显示系统(16)连接，STM32控制中心(13)通过USART串口与STC12C5A60S2运动控制系统(18)连接，STC12C5A60S2运动控制系统(18)通过通过PWM信号与舵机执行系统(19)连接，摄像头监控系统(14)与远程PC或者手机端(17)之间通过物联网连接。

【技术特征摘要】
1.一种具有人-机-环境共融特征的仿鸵鸟机器人控制系统，其特征在于：包括有STM32控制中心(13)、摄像头监控系统(14)、足底压力采集系统(15)、状态显示系统(16)、远程PC或者手机端(17)、STC12C5A60S2运动控制系统(18)和舵机执行系统(19)，远程PC或者手机端(17)通过WiFi信号与STM32控制中心(13)连接，摄像头监控系统(14)通过I2C总线与STM32控制中心(13)双向连接，足底压力采集系统(15)通过ADC接口与STM32控制中心(13)连接，STM32控制中心(13)通过I/O口与状态显示系统(16)连接，STM32控制中心(13)通过USART串口与STC12C5A60S2运动控制系统(18)连接，STC12C5A60S2运动控制系统(18)通过通过PWM信号与舵机执行系统(19)连接，摄像头监控系统(14)与远程PC或者手机端(17)之间通过物联网连接。2.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锐，凌雷，万海金，何远，庞浩，张炜，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22