CN107933733A - 一种仿乌龟回项摆胫耦合翻转机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿乌龟回项摆胫耦合翻转机器人，该机器人包括智能控制部分和机械主体部分，智能控制部分以stc12c5a60s2单片机为控制中心，以超声波传感器和红外线传感器共同为检测部分，应用在线自适应加权数据融合技术，得到准确的距离估计值；所述机械主体部分包括躯体、脖颈部和腿部，躯体正前方脖颈，左右两边分别有对称分布的两条轮腿，每条轮腿共有三个自由度，腿的末端装有轮子，每个关节处均有一个舵机控制；本发明采用的是依靠颈部舵机的力量以及外壳、腿部共同的力量更好、更快地实现乌龟的翻转；外壳的增加更好地保护整机的安全性以及可靠性，大大提高了翻转的效率。

Description

一种仿乌龟回项摆胫耦合翻转机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体的说是一种仿乌龟回项摆胫耦合翻转机器人。

背景技术

目前行走机构主要包括步行式（足式）、轮式、履带式、爬行式和蠕动式等机构。轮式移动爬行机构的优点是速度快、控制简单、灵活性好；缺点是接触面积小、越障能力差、适应性差。腿式机器人的优点是不仅能在平坦的地面上行走而且可以在崎岖地面上步行，还可做无滑动的完整和单向运动；但是腿式机器人较难实现其稳定步态规划和稳定平衡控制，运动速度与能量效率较低，而且腿式机器人一般较笨重、结构复杂。因此有人发明一种轮腿机器人，但是这种机器人在遇到崎岖的斜坡或沟壑等复杂地形时，却极易发生倾翻，使机器人不能正常工作。

在大自然，龟类是一类常见的在发生背部朝地的情况后可以依靠自身力量进行翻转的动物。匈牙利科学家通过对龟类背甲进行几何建模发现，海龟在背甲着地的情况下，在原地用强有力的颈部将头部抵在地面为着地点，将自身翻转过来。陆龟背甲较高呈穹型，借助重力和龟壳的几何学特征(一般通过原地甩动头部和四肢)来翻转身体。结合龟类的翻转过程，可以发现，龟类成功实现翻转的特性：①在翻转过程中，必然有一个支撑点来进行支撑，为翻转提供支撑基础，海龟通过头部来支撑，而陆龟背部高，实际也是提供了支撑； ②必然有旋转的过程，海龟通过颈部的用力，实现身体旋转，而陆龟通过甩动头部和四肢来实现身体的旋转。 因此，从龟类姿态恢复过程的研究中得到启示，设计一种可供支撑和旋转功能的机构，来实现机器人的翻转。

移动机器人一边探测其周围环境中的障碍物，一边向前移动以完成预定的任务。如果机器人的测距系统只为单个传感器(例如为超声波传感器)，为了可靠地探测出障碍物的距离，可能需要对同一位置进行多次探测，这必将花费一定的时间， 而且由于机器人不停地移动，使得前后的探测结果相差甚远，这样必将对障碍物的精确定位造成影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿乌龟自动翻转机器人，为以后四足机器人翻转和移动的研究提供基础。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种仿乌龟回项摆胫耦合翻转机器人，该机器人包括智能控制部分和机械主体部分，智能控制部分以stc12c5a60s2单片机为控制中心，以超声波传感器和红外线传感器共同为检测部分，应用在线自适应加权数据融合技术，得到准确的距离估计值；所述机械主体部分包括躯体、脖颈部和腿部，躯体正前方脖颈，左右两边分别有对称分布的两条轮腿，每条轮腿共有三个自由度，腿的末端装有轮子，每个关节处均有一个舵机控制。

所述stc12c5a60s2单片机输出端连接舵机控制器，该舵机控制器输出控制脖颈上和四条相同结构腿上的舵机以及与腿部舵机相连的轮子，还包括用于机体前、下方测距的超声波和红外线避障系统。

所述轮腿包括腿Ⅰ、腿Ⅱ、腿Ⅲ及腿Ⅳ，腿Ⅰ上设有舵机、舵机、舵机及舵机，腿Ⅱ上设有舵机Ⅸ、舵机Ⅹ、舵机Ⅺ及舵机Ⅻ，腿Ⅲ上设有舵机Ⅴ、舵机、舵机Ⅶ及舵机Ⅷ，腿Ⅳ上设有舵机、舵机、舵机及舵机，各相邻关节上的舵机之间设有连接平台。

所述脖颈部设有舵机Ⅰ、舵机Ⅱ、舵机Ⅲ及舵机Ⅳ，且末端设有平台。

本发明的有益效果：

本发明提供的仿乌龟回项摆胫耦合翻转机器人，采用的是依靠颈部舵机的力量以及外壳、腿部共同的力量更好、更快地实现乌龟的翻转；外壳的增加更好地保护整机的安全性以及可靠性，大大提高了翻转的效率。此外，以超声波传感器和红外线传感器共同为检测部分，应用在线自适应加权数据融合技术，得到更准确的距离估计值，解决了以往产生的信号串扰问题；

本发明提供的机器人可以仿乌龟自身翻转机构实现机体的整体翻转，当机体处于倾倒条件时，能够自动进行回项摆胫翻转运动，通过不断改变机器人位姿重心自主翻转，快速调整自身状态，为机械仿生系统相关应用领域的理论研究提供基础恢复到正常行走姿态；仿乌龟前行运动，当路况较平坦时机器人处于轮式运动状态快速运动，当路况较崎岖时机器人处于腿式运动状态爬行运动，本发明无需操作者手眼高度精准的配合，也无需实时跟踪进行操作，且若是机器人在行进过程中遇到倾倒情况时能够自动翻转，顺利到达设定的目标，提高机器人的智能化。

附图说明

图1 本发明整体结构示意图；

图2 本发明翻转状态示意图；

图3本发明轮式行走状态示意图；

图4本发明腿式运动状态示意图；

图5本发明脖颈部结构示意图；

图6本发明腿部结构示意图；

附图标记：1、舵机Ⅰ，2、舵机Ⅱ，3、舵机Ⅲ，4、舵机Ⅳ，5、平台，6、舵机Ⅴ，7、舵机，8、舵机Ⅶ，9、舵机Ⅷ，10、轮子Ⅰ，11、舵机Ⅸ，12、舵机Ⅹ，13、舵机Ⅺ，14、舵机Ⅻ，15、轮子Ⅱ，16、舵机，17、舵机，18、舵机，19、舵机，20、轮子Ⅲ，21、舵机，22、舵机，23、舵机，24、舵机，25、轮子Ⅳ，26、前超声波传感器及红外线传感器，27、下超声波传感器及红外线传感器，28、单层固定板，29、腿根部舵机与上关节舵机连接平台，30、上关节舵机与下关节舵机连接平台，31、下关节舵机与踝关节舵机连接平台，32、仿乌龟外壳。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的阐述。

如图所示：一种仿乌龟回项摆胫耦合翻转机器人，其特征在于：该机器人包括智能控制部分和机械主体部分，智能控制部分以stc12c5a60s2单片机为控制中心，以超声波传感器和红外线传感器共同为检测部分，应用在线自适应加权数据融合技术，得到准确的距离估计值；所述机械主体部分包括躯体、脖颈部和腿部，躯体正前方脖颈，左右两边分别有对称分布的两条轮腿，每条轮腿共有三个自由度，腿的末端装有轮子，每个关节处均有一个舵机控制所述stc12c5a60s2单片机输出端连接舵机控制器，该舵机控制器输出控制脖颈上和四条相同结构腿上的舵机以及与腿部舵机相连的轮子，还包括用于机体前、下方测距的超声波和红外线避障系统；所述轮腿包括腿Ⅰ、腿Ⅱ、腿Ⅲ及腿Ⅳ，腿Ⅰ上设有舵机、舵机、舵机及舵机，腿Ⅱ上设有舵机Ⅸ、舵机Ⅹ、舵机Ⅺ及舵机Ⅻ，腿Ⅲ上设有舵机Ⅴ、舵机、舵机Ⅶ及舵机Ⅷ，腿Ⅳ上设有舵机、舵机、舵机及舵机，各相邻关节上的舵机之间设有连接平台；所述脖颈部设有舵机Ⅰ1、舵机Ⅱ2、舵机Ⅲ3及舵机Ⅳ4，且末端设有平台5。

当腹部超声波传感器以及红外线传感器26检测到机器人处于倾倒状态时，通过信息输送给舵机控制器控制翻转机构使的舵机进行翻转指令。其翻转机构运转机制为：发送指令1顺时针旋转舵机Ⅴ6和逆时针旋转舵机Ⅸ11，再同时顺（逆）时针旋转腿Ⅰ和腿Ⅱ所在舵机7、舵机Ⅶ8、舵机Ⅹ12、舵机Ⅺ13一定角度使其成一条直线与机体前后方向相同，调整腿Ⅲ和腿Ⅳ所在舵机使蜷缩并使轮子一端靠近腹部，这样使机体的受力集中在壳顶、腿Ⅰ和腿Ⅱ这三个部位，此时转动舵机Ⅰ1使脖颈摆动方向在腿Ⅲ和腿Ⅳ一侧，舵机Ⅱ2、舵机Ⅲ3、舵机Ⅳ4在靠近壳外部一侧方向旋转，使平台5着地支撑起整个机体使机体左右方向与重力方向成一定的夹角θ，这样使机体受力集中在平台5和龟壳临近地面一方，θ角不断减小直至0~15°，此后依靠机体自身重力来实现完全翻转，恢复正常运动姿态。

当位于机体下方超声波传感器以及红外线传感器检测到路况较为平坦时，开始轮式运动，顺时针旋转舵机舵机Ⅴ6、舵机21和逆时针旋转舵机Ⅸ11、舵机16，使前两条腿和后两条腿在水平方向的直线上，调整舵机7、舵机Ⅶ8、舵机Ⅹ12、舵机Ⅺ13、舵机17、舵机18、舵机22、舵机23使腿部与地面成垂直状态，再顺时针旋转舵机Ⅷ9、舵机Ⅻ14、舵机19、舵机24开始360°连续转动带动机体快速前进。

当位于机体下方超声波传感器以及红外线传感器检测到路况崎岖不平时，自动切换为腿式对角运动，其动作为：发送指令1逆时针旋转舵机舵机Ⅷ9、舵机Ⅻ14、舵机19、舵机24使轮子与地面成最大接触面积状态，发送指令2顺时针旋转舵机7一定角度使腿Ⅰ抬高离开地面，同时顺时针旋转舵机Ⅴ6一定角度使腿Ⅰ前进一定距离，再逆时针旋转舵机7一定角度使腿Ⅰ着地，再对其对角腿Ⅲ相同位置舵机发送相同指令3，发送指令4使舵机舵机Ⅸ11、舵机21同时逆时针转动相同角度，达到机体前进一段距离的效果，对腿Ⅱ和腿Ⅳ发送与指令1、2相同程序指令5完成另一对角动作使机体在前进一段距离，如此变为一个完整的腿式运动过程，重复此过程便可前进。

本发明采用的是依靠颈部舵机的力量以及外壳、腿部共同的力量更好、更快地实现乌龟的翻转；外壳的增加更好地保护整机的安全性以及可靠性，大大提高了翻转的效率。此外，以超声波传感器和红外线传感器共同为检测部分，应用在线自适应加权数据融合技术，得到更准确的距离估计值，解决了以往产生的信号串扰问题。

本发明提供的机器人可以仿乌龟自身翻转机构实现机体的整体翻转，当机体处于倾倒条件时，能够自动进行回项摆胫翻转运动，通过不断改变机器人位姿重心自主翻转，快速调整自身状态，为机械仿生系统相关应用领域的理论研究提供基础恢复到正常行走姿态；仿乌龟前行运动，当路况较平坦时机器人处于轮式运动状态快速运动，当路况较崎岖时机器人处于腿式运动状态爬行运动，本发明无需操作者手眼高度精准的配合，也无需实时跟踪进行操作，且若是机器人在行进过程中遇到倾倒情况时能够自动翻转，顺利到达设定的目标，提高机器人的智能化。

Claims (4)

1.一种仿乌龟回项摆胫耦合翻转机器人，其特征在于：该机器人包括智能控制部分和机械主体部分，智能控制部分以stc12c5a60s2单片机为控制中心，以超声波传感器和红外线传感器共同为检测部分，应用在线自适应加权数据融合技术，得到准确的距离估计值；所述机械主体部分包括躯体、脖颈部和腿部，躯体正前方脖颈，左右两边分别有对称分布的两条轮腿，每条轮腿共有三个自由度，腿的末端装有轮子，每个关节处均有一个舵机控制。

2.如权利要求1所述的仿乌龟回项摆胫耦合翻转机器人，其特征在于：所述stc12c5a60s2单片机输出端连接舵机控制器，该舵机控制器输出控制脖颈上和四条相同结构腿上的舵机以及与腿部舵机相连的轮子，还包括用于机体前、下方测距的超声波和红外线避障系统。

3. 如权利要求1所述的仿乌龟回项摆胫耦合翻转机器人，其特征在于：所述轮腿包括腿Ⅰ、腿Ⅱ、腿Ⅲ及腿Ⅳ，腿1上设有舵机、舵机、舵机及舵机，腿2上设有舵机Ⅸ、舵机Ⅹ、舵机Ⅺ及舵机Ⅻ，腿3上设有舵机Ⅴ、舵机、舵机Ⅶ及舵机Ⅷ，腿4上设有舵机、舵机、舵机及舵机，各相邻关节上的舵机之间设有连接平台。

4.如权利要求1所述的仿乌龟回项摆胫耦合翻转机器人，其特征在于：所述脖颈部设有舵机Ⅰ、舵机Ⅱ、舵机Ⅲ及舵机Ⅳ，且末端设有平台。