一种可换挡连接的仿生蛇形机器人及控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种可换挡连接的仿生蛇形机器人及控制系统，每个舵机与头尾两个连接件组合成一个运动单元，采用连接件内部的齿轮与弹簧‑小球组合件配合，使机器人能够在正交连接与平行连接间任意转换；步态代码以蜿蜒运动为基础，扩展出U形翻转，侧向运动，行波运动，螺旋上升等多种步态。本发明专利技术能够在小尺寸前提下实现挡位切换和步态选择，用于提高机器人的整体效率。

【技术实现步骤摘要】
一种可换挡连接的仿生蛇形机器人及控制系统
本专利技术属于仿生机器人
，尤其涉及一种可换挡连接的仿生蛇形机器人及控制系统。
技术介绍
随着仿生科技领域的大力发展，研发仿生机器人成为机器人开发的重要分支。蛇形机器人能够像生物蛇一样实现“无肢运动”，因而被国际机器人业界称为“最富有现代感的机器人”。而目前国内外关于蛇形机器人的研制大多处于单一步态的仿真和调试阶段，机器人的结构较为复杂，且舵机之间的连接方式无法转换，往往只能满足特定的工作条件和工作环境，缺乏适应性和灵活性。且大多现有的蛇形机器人关节较为复杂，需要多种机械结构实现串联效果，使得机器人整体尺寸较大，失去了在狭窄空间侦察的功能。
技术实现思路
为了能够在小尺寸前提下实现挡位切换和步态选择，用于提高机器人的整体效率。本专利技术提供一种可换挡连接的仿生蛇形机器人及控制系统。本专利技术的一种可换挡连接的仿生蛇形机器人，其结构部分为：若干舵机由转换连接件首尾连接形成机器人的主体。转换连接件包括头部连接件和尾部连接件，头部连接件与舵机头部固定连接，头部连接件内置凸轴；尾部连接件连接在舵机尾部，尾部连接件内置齿轮；尾部连接件与相邻舵机的头部连接件通过螺栓实现轴向固定。头部连接件顶部留有小孔用于安装弹簧，弹簧尾端固连一小球，小球与尾部连接件的齿轮配合实现确定角度的转动。机器人的头部安装有一组激光测距传感器，机器人后部安装有一组蓝牙通讯模块，用于与用户通讯与指令选择。每个舵机设有自适应电池盒，与转换连接件之间以滑槽插接，以适应舵机竖向转动时带来的高度变化。转换连接件外表面贴一层海绵纸，消除突出部分，使机器人外表面平整；楔形带贴在机器人底部的海绵纸上，楔齿沿机器人前进方向贴合；防滑贴贴在机器人其他三面。进一步的，基于转换连接件，机器人具有平行连接与正交连接两种形态；在平行连接下，舵机依次连接方式为平行，机器人只能在平面运动，但每一组运动单元都能提供蜿蜒运动；转换连接件依次转动90°后，机器人切换为正交连接模式，相邻两组舵机单元之间角度差为90°，此时机器人舵机单元运动分为两类，平面转动与空间转动，因此机器人能够在空间实现侧向运动。进一步的，舵机型号为XL-320。本专利技术的一种可换挡连接的仿生蛇形机器人的控制系统：基于离散蛇形曲线设计机器人蜿蜒前进或后退步态，并通过修改相关参数依次得到行波运动步态，左右U形翻转步态，左右侧向运动步态，螺旋上升运动步态；控制模块如下：多步态选择控制：基于多参数对照法，当用户端想要机器人实现某种步态时，通过蓝牙模块发送步态选择指令，控制器修改对照参数，并将多参数对照的步态控制函数顺次传输到各个舵机从而实现预期步态。多种步态控制函数：集成了舵机正交连接，平行连接两种情况下的机器人蜿蜒运动、左右侧向运动、左右U形翻转运动、行波运动与螺旋上升运动，并根据机器人尺寸调整出其最优参数。下面给出各步态曲线的函数控制方法：基于离散蛇形曲线的蛇形机器人蜿蜒步态：离散蛇形曲线（Serpentine）是一条控制蛇形运动曲率的曲线，由于本专利技术中机器人采用多个关节模块连接而成，故采用离散化后的离散蛇形曲线拟合蜿蜒运动步态。其中离散离散蛇形曲线上点的坐标需满足：由于运动实现单元串行连接的特性，可对离散蛇形曲线做出简化，自变量从曲线点的位置坐标更改为舵机旋转角度，此时得到的舵机角度函数为；其中，表示第i个舵机的旋转角度与舵机序号i的关系，n为机器人舵机总数，a、w、phase、phi均为步态参数，可根据机器人实际大小进行修正。行波运动与蜿蜒运动的步态相似，都为明显的形似正弦波特性，无需另外设计。U形翻转运动只适用于舵机之间正交连接，此时当相邻两个单元的舵机旋转角度相位相差90°时，机器人可以实现翻转成U形后向一侧滚动的步态，具体函数为：侧向运动只适用于舵机之间正交连接，在U形翻转运动步态的基础上，将舵机序列号因素添加到对应舵机的转动相位后，通过相邻舵机幅值的差异实现侧向的平动，具体函数为：螺旋上升运动只适用于舵机之间正交连接，采用经典的包络线运动控制，在侧向运动步态的基础上，将运动幅值a做一定修改，具体函数为：蓝牙通讯控制：通过蓝牙模块实现操作者与机器人的通讯，采用输入指令的方式改变机器人的步态；舵机位置复原步态：在每次舵机初始化以及步态转换时添加舵机位置复位步态，将每个舵机旋转角度置为0°，避免了不同步态对同一个舵机的要求不同时造成的舵机角度异常。舵机串联控制：每一个机器人单元直接串联，只需舵机初始化程序，无需驱动与稳压模块；避障综合模块：以激光测距传感器检测到的数据作为评价标准，当机器人判断前方出现障碍时通过多种步态组合方法通过该障碍物。进一步的，机器人采用OpenCM9.04作为控制板，Dynamixel2Arduino库作为舵机驱动工具，舵机串行连接使得步态函数分解为每个舵机的旋转函数，简化了蛇形机器人的运动数学模型。本专利技术的有益技术效果为：本专利技术针对目前国内外研究的蛇形机器人单元连接结构与步态控制函数提出了改进与集成，舵机串行控制的方式使控制变量从机器人运动曲线上任意点的坐标转换成相邻舵机间的旋转角度，降低了机器人开发难度。在多数现存的轴孔连接的方式下做出改进，齿轮与弹簧的配合能够很好地实现轴向旋转固定，结合舵机结构设计的承载盘能够在不增加连接件尺寸的情况下实现轴向移动固定，整个单元结构简单，换挡方便，尺寸较小，能够很好地实现期望的功能。基于离散蛇形曲线得出机器人蜿蜒运动步态控制函数，并通过修正相位角与运动幅值进一步得到U形翻转等多种步态函数，可开发性强。基于多步态集成原理，提出了蛇形机器人综合运用多种运动步态实现通过不同尺寸障碍物的方法，步态切换时测量的距离能够帮助机器人更好地确定通过障碍物的最优路线。附图说明图1为本专利技术转换连接件平行连接时结构示意图。图2为本专利技术转换连接件正交连接时机构示意图。图3为本专利技术换挡单元结构示意图。图4为本专利技术平行连接结构示意图。图5为本专利技术正交连接结构示意图。图6为本专利技术外皮包络结构示意图。图7为本专利技术多步态选择流程示意图。图8为本专利技术避障流程示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方法对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术的一种可换挡连接的仿生蛇形机器人结构部分如图1、图2所示：若干舵机1由转换连接件首尾连接形成机器人的主体。转换连接件包括头部连接件3和尾部连接件2，头部连接件3与舵机1头部固定连接，头部连接件3内置凸轴；尾部连接件2连接在舵机1尾部，尾部连接件2内置齿轮21；尾部连接件2与相邻舵机1的头部连接件3通过螺栓6实现轴向固定。如图3所示，头部连接件3顶部留有小孔用于安装弹簧4，弹簧4尾端固连一小球5，小球5与尾部连接件2的齿轮21配合实现确定角度的转动。当需要切换挡位时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可换挡连接的仿生蛇形机器人，其特征在于，若干舵机（1）由转换连接件首尾连接形成机器人的主体；转换连接件包括头部连接件（3）和尾部连接件（2），头部连接件（3）与舵机（1）头部固定连接，头部连接件（3）内置凸轴；尾部连接件（2）连接在舵机（1）尾部，尾部连接件（2）内置齿轮（21）；尾部连接件（2）与相邻舵机（1）的头部连接件（3）通过螺栓（6）实现轴向固定；/n头部连接件（3）顶部留有小孔用于安装弹簧（4），弹簧（4）尾端固连一小球（5），小球（5）与尾部连接件（2）的齿轮（21）配合实现确定角度的转动；/n机器人的头部安装有一组激光测距传感器，机器人后部安装有一组蓝牙通讯模块，用于与用户通讯与指令选择；/n每个舵机（1）设有自适应电池盒，与转换连接件之间以滑槽插接；/n转换连接件外表面贴一层海绵纸（7）；楔形带（9）贴在机器人底部的海绵纸（7）上，楔齿沿机器人前进方向贴合；防滑贴（8）贴在机器人其他三面。/n

【技术特征摘要】
1.一种可换挡连接的仿生蛇形机器人，其特征在于，若干舵机（1）由转换连接件首尾连接形成机器人的主体；转换连接件包括头部连接件（3）和尾部连接件（2），头部连接件（3）与舵机（1）头部固定连接，头部连接件（3）内置凸轴；尾部连接件（2）连接在舵机（1）尾部，尾部连接件（2）内置齿轮（21）；尾部连接件（2）与相邻舵机（1）的头部连接件（3）通过螺栓（6）实现轴向固定；
头部连接件（3）顶部留有小孔用于安装弹簧（4），弹簧（4）尾端固连一小球（5），小球（5）与尾部连接件（2）的齿轮（21）配合实现确定角度的转动；
机器人的头部安装有一组激光测距传感器，机器人后部安装有一组蓝牙通讯模块，用于与用户通讯与指令选择；
每个舵机（1）设有自适应电池盒，与转换连接件之间以滑槽插接；
转换连接件外表面贴一层海绵纸（7）；楔形带（9）贴在机器人底部的海绵纸（7）上，楔齿沿机器人前进方向贴合；防滑贴（8）贴在机器人其他三面。


2.根据权利要求1所述的一种可换挡连接的仿生蛇形机器人，其特征在于，基于转换连接件，机器人具有平行连接与正交连接两种形态；
在平行连接下，舵机依次连接方式为平行，机器人只能在平面运动，但每一组运动单元都能提供蜿蜒运动；转换连接件依次转动90°后，机器人切换为正交连接模式，...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋兴国，周士祺，唐绍武，李泳江，江文谦，赵旭东，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51