一种微型智能机器人制造技术

本发明专利技术涉及机器人技术领域，具体涉及一种微型智能机器人。机器人的发展趋势是智能化、微型化，实现以上两点需要稳定可靠的硬件平台。本发明专利技术提出的一种微型智能机器人对系统硬件的四个核心组件：动力系统、微控制器外围电路、红外距离传感器与惯性测量单元进行设计，这些硬件单元的设计实现为实现特定用途机器人的目标功能打下了良好的基础。

【技术实现步骤摘要】
一种微型智能机器人
本专利技术属于机器人
，具体涉及一种微型智能机器人。
技术介绍
机器人具备代替人类从事诸多危险工作的能力，如地下勘探、深海取样、抢险救援与太空探索等；随着电子、通信、计算机技术的进一步发展，一些小型化、智能化的机器人将越来越多地参与到物流运输、救援抢险、医疗、家政与其他社会公共服务工作中。20世纪70至80年代，工业机器人的迅速发展促进了经济的快速发展，工业生产的效率得到了极大的提高，在此期间，微型智能机器人主要以步进电机驱动，以Z80等计算机作为控制器，使用机械开关感知环境；到90年代，嵌入式技术逐步得到发展，机器人控制器转换为i386EX等处理器，并采用超声波、红外等非接触检测方式进行环境感知，体积减小，运行速度得到了很大提升。近年来基于ARM核心的微控制器性能飞速发展，使得微型智能机器人可以运行更加复杂的搜索、控制算法。新型高性能微控制器，高效率直流微电机与MEMS微机电系统传感器的出现使得机器人小型化、智能化成为可能，基于这些新型器件进行微型智能机器人的开发具有很大的发展潜力。智能化在机器人设计中占据越来越重要的地位。
技术实现思路
本专利技术提出一种微型智能机器人，该智能机器人具备环境感知能力。所述微型智能机器人，包括动力装置、微控制器及外围电路、红外测距传感器和惯性测量单元。动力装置，包括电机、传动结构和电机驱动电路。传动结构采用四轮驱动结构，使用两侧轮子的差速进行转向；电机驱动电路控制直流电机转速与方向的调整，并提供刹车能力。微控制器及外围电路，包括微控制器、微控制器外围电路、交互与调试接口和外扩非易失存储器。微控制器，用于对机器人各功能组件进行控制协调，包括运行电机驱动、红外测距、惯性测量单元数据处理等算法。微控制器外围电路，包括有源晶振、模拟电源(AVDD)与数字电源(DVDD)。其中数字电源(DVDD)用于给芯片数字核心供电，模拟电源(AVDD)用于供应ADC与内部锁相环。交互与调试接口，包括串行调试总线(SerialWireDebug，SWD)和通用异步串行口(UART)。其中机器人静止时，微控制器可以使用串行调试总线(SerialWireDebug，SWD)进行调试与程序下载；机器人在运行中使用通用异步串行口(UART)连接至无线模块，使用计算机等设备对来自机器人的信息进行接收。外扩非易失存储器，存储用于机器人调整的设定参数和环境信息。红外测距传感器：包括非调制的红外传感器，用于测量机器人距离障碍物的距离。惯性测量单元，包含偏航角速度陀螺仪和双轴加速度计。偏航角速度陀螺仪用于精准测量机器人在平面内的航向角，用于准确转弯，并辅助机器人直线行走；双轴加速度计主要用于对侧滑、碰撞等信息的检测，以及对速度信息的融合。进一步，微控制器通过改变脉冲宽度调制(PWM)信号的占空比控制电机的输出功率。进一步，微型智能机器人有6个红外测距传感器。进一步，电机驱动电路控制采用比例-积分-微分控制，控制信号为脉冲宽度调制信号。进一步，双轴加速度计为双轴±1.7g加速度计。进一步，红外测距传感器为非调制的红外传感器。进一步，电机驱动电路包括H-桥电路。进一步，电机驱动电路使用有刷直流电机全桥栅极驱动器。进一步，用于正前方探测的两个红外传感器各自偏离中轴线5°，水平方向的两个红外传感器成120°夹角放置。进一步，微控制器内集成的三组ADC同步工作，陀螺仪与加速度计数据采样周期与红外传感器相同，每次采集通道不需要变化。本专利技术提出的一种微型智能机器人，对系统硬件的四个核心组件：动力系统、微控制器外围电路、红外距离传感器与惯性测量单元进行设计。该机器人具备环境感知能力，包括非调制的红外传感器，用于测量机器人距离障碍物的距离；包含偏航角速度陀螺仪和双轴加速度计，可以精准测量机器人在平面内的航向角，对侧滑、碰撞等信息的检测，进行准确转弯，并辅助机器人直线行走。这些硬件单元的设计实现为实现特定用途机器人的目标功能打下了良好的基础。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例中的微控制器及外围电路。图2是本专利技术实施例中红外传感器编号及安装位置。图3是本专利技术实施例中进行机器人测试使用的迷宫。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本专利技术所保护的范围。本专利技术实施例中的微型智能机器人包括动力装置、微控制器及外围电路、红外测距传感器和惯性测量单元，基本设计指标为：(1)尺寸：长不超过150mm，宽不超过100mm，高不超过50mm(2)运动速度：直线运行3000mm/s以上(3)重量：不大于350g除此之外，机器人使用电池供电，需具备环境感知能力。机器人应用于室内平坦地面，故设计为轮式驱动。机器人的体积受到了相当严格的限制，但要求运行速度极高，因此采用直流空心杯电机或无刷电机。为保证机器人整体的小型化与轻量化，本专利技术实施例的机器人采用四轮驱动结构，使用两侧轮子的差速进行转向，省去了独立的转向机构，降低了传动机构的复杂性，并提高了其可靠性。两个微型空心杯电机轴上安装正齿轮，带动一侧的两个带齿轮的轮毂同向旋转。电机和支撑轮毂的一对轴承由一支架固定在PCB板上。单侧电机输出功率大于9.26W，结合机器人体积对电机的限制，选取1718R-14A-8.0型电机，其尺寸为直径17mm、长18mm。齿轮减速比为1：2.625，齿轮中心距13.05mm。本实施例电机驱动电路使用DRV8701P型有刷直流电机全桥栅极驱动器，用于直流电机转速与方向的调整并提供刹车功能。本实施例选择ST生产的STM32F405RGT微控制器，其内部集成定时器、模-数转换器(ADC)和通讯总线，程序在片上闪存(FLASH)运行频率可达168MHz。微控制器及其外围电路如图1所示。STM32F405RGT微控制器片内集成了192KB随机存储器(RAM)与1MBFLASH，可以使用外部高速振荡器(HSE)，支持使用无源晶体与有源晶振。本实施例选择使用有源晶振。STM32F4系列微控制器需要模拟电源(AVDD)与数字电源(DVDD)。DVDD用于给芯片数字核心供电，电压为3.3V，因对纹波要求不高且电流较大，采用由TPS62132构成的开关降压电路供电，该电源也用于供给其他数字芯片；AVDD同样为3.3V，用于供应ADC与内部锁相环，对纹波较为敏感。为提高ADC精度，采用TPS7A47低噪声低压降稳压器供电，该电源也用于给传感器模拟端供电。机器人静止时，微控制器STM32F4可以使用串行调试总线(SerialWireDebug，SWD)进行调试与程序下载。为了保证机器人在实际运行中能够返回正确的信息，使用了一个通用异步串行口(UART)连接至nRF51822无线模块。nRF51822是一款集成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型智能机器人，其特征在于，包括动力装置、微控制器及外围电路、红外测距传感器和惯性测量单元；动力装置，包括电机、传动结构和电机驱动电路；传动结构采用四轮驱动结构，使用两侧轮子的差速进行转向；电机驱动电路控制直流电机转速与方向的调整，并具有刹车能力；微控制器及外围电路，包括微控制器、微控制器外围电路、交互与调试接口和外扩非易失存储器；微控制器，用于对机器人各功能组件进行控制协调，包括运行电机驱动、红外测距、惯性测量单元数据处理等算法；微控制器外围电路，包括有源晶振、模拟电源与数字电源；所述数字电源用于给芯片数字核心供电，模拟电源用于供应ADC与内部锁相环；交互与调试接口，包括串行调试总线和通用异步串行口，其中机器人静止时，微控制器可以使用串行调试总线进行调试与程序下载；机器人在运行中使用通用异步串行口连接至无线模块；外扩非易失存储器，存储用于机器人调整的设定参数和环境信息；红外测距传感器，用于测量机器人距离障碍物的距离；惯性测量单元，包含偏航角速度陀螺仪和双轴加速度计，偏航角速度陀螺仪用于精准测量机器人在平面内的航向角，用于准确转弯，并辅助机器人直线行走；双轴加速度计用于对包括侧滑、碰撞在内的信息进行检测，以及对速度信息的融合。...

【技术特征摘要】
1.一种微型智能机器人，其特征在于，包括动力装置、微控制器及外围电路、红外测距传感器和惯性测量单元；动力装置，包括电机、传动结构和电机驱动电路；传动结构采用四轮驱动结构，使用两侧轮子的差速进行转向；电机驱动电路控制直流电机转速与方向的调整，并具有刹车能力；微控制器及外围电路，包括微控制器、微控制器外围电路、交互与调试接口和外扩非易失存储器；微控制器，用于对机器人各功能组件进行控制协调，包括运行电机驱动、红外测距、惯性测量单元数据处理等算法；微控制器外围电路，包括有源晶振、模拟电源与数字电源；所述数字电源用于给芯片数字核心供电，模拟电源用于供应ADC与内部锁相环；交互与调试接口，包括串行调试总线和通用异步串行口，其中机器人静止时，微控制器可以使用串行调试总线进行调试与程序下载；机器人在运行中使用通用异步串行口连接至无线模块；外扩非易失存储器，存储用于机器人调整的设定参数和环境信息；红外测距传感器，用于测量机器人距离障碍物的距离；惯性测量单元，包含偏航角速度陀螺仪和双轴加速度计，偏航角速度陀螺仪用于精准测量机器人在平面内的航向角，用于准确转弯，并辅助机器人直线行走；双轴加速度计用于对包括侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：张跃进，黄德昌，李波，
申请(专利权)人：钟祥博谦信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42