一种基于中枢模式发生器的结构可拆卸足式机器人和控制方法技术

发明专利技术公开了一种低成本的基于中枢模式发生器的结构可拆卸足式机器人和控制方法，该机器人主体利用3d打印制成，制造成本低。机器人运动步态基于仿生的中枢模式发生器原理，能够产生稳定的、相位锁定的节律控制信号；通过正交滑轨连接板能够实现舵机安装座的相对位置根据需求自由变动。机器人的四个弯腿与四个舵机安装座之间采用可拆卸安装的方式，能够按需更换不同长度形状的腿，以完成各种行动任务，同时机器人的身体上装有拾声器和超声波传感器，用于机器人与环境的交互，实现特定的功能。实现特定的功能。实现特定的功能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于中枢模式发生器的结构可拆卸足式机器人和控制方法


[0001]本专利技术涉及一种机器人应用平台，属于机器人控制领域，特别涉及一种基于中枢模式发生器的结构可拆卸足式机器人和控制方法。

技术介绍

[0002]自然界中，各类生物为适应复杂多变的生存环境，进化出令人惊叹的本领与特征。这些优良的生物性能给人类创造与设计提供各种灵感。通过学习、模仿某些生物的特性及功能，可以提高人类对自然的适应和改造能力。因此，近年来，仿生机器人的研究引起了广泛的关注。在仿生控制领域中，基于中枢模式发生器的运动控制方法因其优越性能得到广泛应用，成为仿生控制领域的研究热点。这种稳定的相位锁定的周期信号，很好的控制躯体相关部位的节律性运动，而且可以不需要节律信号的输入就能实现控制。因此这种利用中枢模式发生器的机器人运动控制具有很好的应用前景和实用价值。
[0003]现阶段看来，足式机器人的环境适应能力比轮式和履带式机器人强，能够适应不同的复杂的地形条件，而且人类日常居住的空间很多是适合人腿去行走，而不适合轮子或履带，比如楼梯。因此，足式机器人可能会成为大多机器人的最终形态。
[0004]但是，目前市面上的足式机器人大多被设计为不可拆装、结构位置固定的形式，且功能固定单一。这使得用户在使用该类机器人的时候存在着很大的局限性，不能灵活的根据需要来修改机器人的结构或参数，就算能实现上述功能的足式机器人价格也普遍偏高，普及率较低。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的是针对足式机器人结构不可调整，用户改装拓展自由度低，价格高昂的现状，设计了一种低成本的基于中枢模式发生器的结构可拆卸足式机器人，给使用者提供了一种成本低廉、改造空间大的足式机器人解决方案。足式机器人的腿部和关节舵盘的连接、舵机和身体的连接均采用可拆卸、可调整的设计方式，使得用户能够根据自己需要来改变足式机器人的结构和外形。同时本专利技术将机器人的控制基于中枢模式发生器上，使得该足式机器人的运动更像现实中动物的运动形式，运动更为自然。另外机器人上集成有拾音器和超声波传感器等外设，使机器人的功能多样化，控制器中预留的控制接口使得用户自由拓展机器人功能成为可能。该机器人制造成本低，适用于早教、玩具、科研实验等场合。
[0006]为了达到本专利技术的目的，本专利技术采取如下技术方案：
[0007]本专利技术的其中一个目的在于提供一种基于中枢模式发生器的结构可拆卸足式机器人，包括正交滑轨连接板、舵机组件、足部组件、控制器、两个拾音器、超声波传感器和电源；
[0008]所述的正交滑轨连接板的下表面设有正交的梯形滑槽，舵机组件通过梯形滑槽安装在正交滑轨连接板下方，对称分布在连接板的左右两侧；所述的舵机组件包括舵机安装
座和舵机，舵机安装座上设有与所述梯形滑槽相匹配的梯形滑块，舵机固定在舵机安装座上；
[0009]所述的足部组件包括偶数个机械腿，与舵机数量相同，机械腿的顶部设有用于连接舵机的凹槽；
[0010]所述的电源和控制器安装在正交滑轨连接板上，两个拾音器布置在正交滑轨连接板前方的两侧，超声波传感器布置在两个拾音器之间；所述的拾音器、超声波传感器和舵机与控制器连接。
[0011]优选的，所述舵机安装座上的梯形滑块与正交滑轨连接板的梯形滑槽过渡配合。
[0012]优选的，所述机械腿顶部的凹槽与舵机上的舵盘过盈配合。
[0013]优选的，所述的正交滑轨连接板和舵机安装座通过3D打印制成。
[0014]优选的，所述的机械腿的数量为4
‑
8。
[0015]优选的，所述机械腿的底部设有支撑部，所述的支撑部为弯折结构或平面结构。
[0016]优选的，所述的正交的梯形滑槽呈棋盘式。
[0017]优选的，所述的控制器包括中枢模式发生器和信号转换器，所述的中枢模式发生器用于产生节律性信号，信号转换器用于将节律性信号转换成舵机能够识别的控制信号。
[0018]本专利技术的另一个目的在于提供一种上述基于中枢模式发生器的结构可拆卸足式机器人的控制方法，包括：
[0019]控制器根据中枢模式发生器产生平稳的节律性信号，并将该信号转化为舵机能识别的控制信号，单独控制每一个舵机的转动角度，所述转动角度的计算公式为：
[0020]θ
i
＝x
i
+r
i
cos(φ
i
)
[0021]其中，i表示舵机编号，取值范围为1
‑
4，θ
i
为第i个舵机转过的角度，x
i
为第i个舵机摆动的中间位置，当x
i
＝0时，第i个机械腿在竖直位置左右摆动；r
i
为第i个机械腿摆动的幅度大小，φ
i
为随时间改变的第i个机械腿的相位，x
i
、r
i
、φ
i
三个参数分别由微分方程计算得到：
[0022][0023][0024][0025]其中，a
x
和a
r
是用于控制调整速度取值为正的常数，w
ij
为表示第i个机械腿和第j个机械腿的耦合程度，表示第i个机械腿和第j个机械腿的相位差，X
i
、R
i
、w
i
分别为第i个机械腿摆动的目标中间位置、幅度大小和频率；分别为x
i
、r
i
、φ
i
的一阶导数，分别为x
i
、r
i
的二阶导数。
[0026]进一步的，安装在正交滑轨连接板左右两侧的拾音器实时判断外界声音的大小，声音信号经控制器处理后输出对应一侧的机械腿加快步频的控制信号，使足式机器人向着声音大的方向前行；所述的超声波传感器实时探测前方障碍物的距离，当前方存在障碍物时自动避障。
[0027]本专利技术的有益效果是：
[0028]1.舵机安装座和滑轨连接板通过滑轨结构过渡连接在一起，使其能够随意拆卸并自由组装，也能够增大或者缩小机器人前后腿、左右腿的跨距和安装方向，以适应不同的地形条件要求，同时机械腿的数量和相对位置也能够根据需要进行增减。
[0029]2.机械腿和舵盘采用过盈连接的方式，可拆卸，因此可更换不同长度或形状的机械腿，以实现不同的行进效果，提高机器人改造的自由度。
[0030]3.在连接板的前部左右侧分别装有拾音器，通过杜邦线将拾音器信号传入至控制器，在连接板的前部正中位置装有一个超声波传感器，通过杜邦线与控制器相连。左右安装的拾音器能够实时判断外界声音的大小，信号经由控制器处理后，能够控制机器人对应一侧的腿加快步频，向着声音大的方向前行，安装于机器人身体前部的超声波传感器能够实时探测前方障碍物的距离，当前方有距离过近的障碍物时，机器人能实现自动避障。
附图说明
[0031]图1是本专利技术的控制流程示意图；
[0032]图2是本专利技术实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于中枢模式发生器的结构可拆卸足式机器人，其特征在于，包括正交滑轨连接板、舵机组件、足部组件、控制器、两个拾音器、超声波传感器和电源；所述的正交滑轨连接板的下表面设有正交的梯形滑槽，舵机组件通过梯形滑槽安装在正交滑轨连接板下方，对称分布在连接板的左右两侧；所述的舵机组件包括舵机安装座和舵机，舵机安装座上设有与所述梯形滑槽相匹配的梯形滑块，舵机固定在舵机安装座上；所述的足部组件包括偶数个机械腿，与舵机数量相同，机械腿的顶部设有用于连接舵机的凹槽；所述的电源和控制器安装在正交滑轨连接板上，两个拾音器布置在正交滑轨连接板前方的两侧，超声波传感器布置在两个拾音器之间；所述的拾音器、超声波传感器和舵机与控制器连接。2.根据权利要求1所述的基于中枢模式发生器的结构可拆卸足式机器人，其特征在于，所述舵机安装座上的梯形滑块与正交滑轨连接板的梯形滑槽过渡配合。3.根据权利要求1所述的基于中枢模式发生器的结构可拆卸足式机器人，其特征在于，所述机械腿顶部的凹槽与舵机上的舵盘过盈配合。4.根据权利要求1所述的基于中枢模式发生器的结构可拆卸足式机器人，其特征在于，所述的正交滑轨连接板和舵机安装座通过3D打印制成。5.根据权利要求1所述的基于中枢模式发生器的结构可拆卸足式机器人，其特征在于，所述的机械腿的数量为4
‑
8。6.根据权利要求1所述的基于中枢模式发生器的结构可拆卸足式机器人，其特征在于，所述机械腿的底部设有支撑部，所述的支撑部为弯折结构或平面结构。7.根据权利要求1所述的基于中枢模式发生器的结构可拆卸足式机器人，其特征在于，所述的正交的梯形滑槽呈棋盘式。8.根据权利要求1所述的基于中枢模式发生器的结构可拆卸足式机器人，其特征在于，所述的控制器包括中枢模式发生器和信号转换器，所述的中枢模式发生器用于产生节律性信号，信号转换器用于将节律性信号转换成舵机能够识别的控制信号。9.一种权利要求8所述的基于中枢模式发生器的结构可拆卸足式机器人的控制方法，其特征在于，包括：控制器根据中枢模式发生器产...

【专利技术属性】
技术研发人员：向平宇，王越，陈词，陆豪健，熊蓉，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：