[发明专利]新型可重构蛇形机器人及其控制方法

摘要

本发明属于机器人技术领域，涉及新型可重构蛇形机器人及其控制方法。该机器人主要由结构部分和控制系统部分组成；结构部分主要由分离式从动轮、传动关节、可重构连接接口结构、定位装置和外部壳体组成，四者构成单节蛇身；强磁磁铁吸引前一节的端盖金属片后，锁紧卡针与前一节传动关节的固定支架的卡槽卡合，探针自动插入前一节的端盖的通孔；控制系统部分安装在盖板上，位于外部壳体的内部，并与探针相连；控制系统部分包括定位系统和运动控制系统。本发明采用的定位方法不受场地限制，运算速度快，制作成本低，并能保证定位精度；采用了基于新型控制算法的主从分布式控制器，便于蛇形机器人节数的扩展，适用于可重构蛇形机器人。

主权项

1.新型可重构蛇形机器人，其特征在于，所述的新型可重构蛇形机器人主要由结构部分和控制系统部分组成；所述的结构部分主要由分离式从动轮、传动关节、可重构连接接口结构、定位装置和外部壳体组成；所述的分离式从动轮，主要由轴承(11)、从动轮(12)、光轴(13)和外壳(14)组成；所述的光轴(13)上安装有从动轮(12)，两个光轴(13)的端部通过轴承(11)安装在外壳(14)的底部两端的内部；所述的传动关节，主要由电机输出轴(51)、传动轴(22)、固定轴(23)、转动支架(24)、齿轮a(1)、齿轮b(2)、齿轮c(3)和固定齿轮(4)组成；所述的转动支架(24)，其上部为方块结构，下部为П型结构，П型结构的两个条形支柱的厚度不同，支柱a的顶部与方块结构固定连接，支柱b凸出，位于方块结构下方的外侧；支柱a上设有通孔，与固定轴(23)相配合，支柱a的外侧上设有一个圆环形结构；支柱b的外侧设有卡槽，滚动轴通过轴承安装在卡槽上，使得传动关节安装在单节外壳(53)上，且转动支架(24)绕滚动轴转动；方块结构的上端的侧面向内设有空槽，用于放置强磁磁铁(31)；两个转动支架(24)的圆环形结构相接触，相互抱紧，形成一体，两个方块结构的空槽相对；所述的固定轴(23)安装在两个转动支架(24)的下部，固定轴(23)的两端分别穿过支柱a的通孔，其中一端通过D型卡槽卡在支柱a的通孔上；所述的固定齿轮(4)安装在固定轴(23)上，位于两个圆环形结构中间的空隙中；所述的传动轴(22)位于转动支架(24)的下方，齿轮c(3)安装在传动轴(22)上，齿轮c(3)与固定齿轮(4)相互啮合；所述的齿轮b(2)安装在传动轴(22)的一端，齿轮b(2)的上部位于转动支架(24)的П型结构中间的空隙；所述的电机输出轴(51)位于齿轮b(2)的下方，齿轮a(1)安装在电机输出轴(51)上，齿轮a(1)与齿轮b(2)相互啮合；所述的可重构连接接口结构，主要由强磁磁铁(31)、锁紧卡针(32)、探针(33)和固定支架(34)组成；所述的固定支架(34)，为下部开口、中空的方体结构，顶部设有四个通孔，与探针(33)相配合；所述的强磁磁铁(31)置于传动关节的方块结构的空槽中；固定支架(34)的端部固定在端盖(51)上，固定支架(34)的内壁上设有卡槽，固定支架(34)套在传动关节的方块结构上，二者之间留有空隙，传动关节的方块结构的侧壁上设有锁紧卡针(32)，与固定支架(34)的卡槽相配合，使二者稳固连接；固定支架(34)与传动关节的方块结构的上表面之间设有探针(33)，探针(33)的一端穿过固定支架(34)顶部的通孔；所述的定位装置，位于两个从动轮(12)之间，主要由码盘(41)、读头(42)、传入齿轮(43)和传出齿轮(44)组成；所述的码盘(41)和传入齿轮(43)的中心安装在同一根轴上；所述的码盘(41)，上部安装有读头(42)，与一个光轴(13)上的齿轮相啮合，读头(42)用于读取出码盘(41)的相对旋转角度；所述的传出齿轮(44)安装在另一个光轴(13)的内侧的端部，传出齿轮(44)随从动轮(12)同轴转动，并与传入齿轮(43)相互啮合；所述的外部壳体，主要由端盖(51)、盖板(52)和单节外壳(53)组成；传动关节水平放置在单节外壳(53)内，传动关节位于单节外壳(53)的前端，并通过滚动轴固定在单节外壳(53)上；分离式从动轮安装在单节外壳(53)的底部，位于传动关节的后方；所述的端盖(51)安装在单节外壳(53)的末端，端盖(51)上设有金属片；盖板(52)安装在单节外壳(53)的顶端；所述的端盖(51)上设有四个通孔，前一节可重构连接接口结构的探针(33)穿过端盖(51)上的通孔，使得探针(33)与蛇身的控制系统部分相连；单节外壳(53)上粘贴有压力传感器(54)；传动关节、分离式从动轮、可重构连接接口结构、定位装置与外部壳体构成单节蛇身；固定支架(34)的端部固定在端盖(51)上，强磁磁铁(31)吸引前一节的端盖(51)金属片后，锁紧卡针(32)与前一节传动关节的固定支架(34)的卡槽卡合，探针(33)自动插入前一节的端盖(51)的通孔；所述的控制系统部分，安装在盖板(52)上，位于外部壳体的内部，并与探针相连(33)；控制系统部分包括定位系统和运动控制系统；所述的定位系统，包括主控制器(1‑1)、九轴加速度传感器(1‑2)、增量式光电编码器(1‑3)和GPS模块(1‑4)；所述的主控制器(1‑1)与IIC总线(1‑8)的SAD和SCLK两条线路相连；所述的九轴加速度传感器(1‑2)、增量式光电编码器(1‑3)和GPS模块(1‑4)，分别与主控制器(1‑1)连接；九轴加速度传感器(1‑2)用于测量当前蛇首运行方向；增量式光电编码器(1‑3)用于测量蛇首从动轮的旋转角度，进而推算当前运行路径，结合九轴加速度传感器(1‑2)的测量信息计算出当前的位置，基于动力学方程使用卡尔曼滤波器，计算机器人质心位置；GPS(1‑4)模块接收信号的同时，对长时间的累计误差限幅；所述的运动控制系统，包括从控制器(1‑5)、驱动板(1‑6)、编码器减速直流电机(1‑7)和IIC总线(1‑8)，并与定位系统共用一个主控制器(1‑1)；所述的从控制器(1‑5)、驱动板(1‑6)与编码器减速直流电机(1‑7)顺次连接，共两组，从控制器(1‑5)的另一端分别与IIC总线(1‑8)的两条线路相连；采用基于IIC通讯(1‑8)的主从分布式控制方式，主控制器(1‑1)接收上位机的控制指令，并进行定位系统运算，然后向从控制器发送定位信息和控制指令；在从控制器(1‑5)上为基于神经网络辨识器的控制算法，从控制器(1‑5)做控制率运算，输出PWM信号，PWM信号经过H桥驱动电路驱动减速电机转动并跟踪转角。