[發(fā)明專利]大尺寸球形機器人控制系統(tǒng)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410011463.8
• 申請日: 2014-01-10
• 公開（公告）號: CN103777634A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 謝少榮;陳繼清;羅均;姚駿峰;鄒旭東;祝川;馮凱
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術(shù)領(lǐng)域

????本發(fā)明涉及大尺寸球形機器人控制系統(tǒng)，特別是適用于環(huán)境探測的大尺寸球形機器人控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)

在環(huán)境探測過程中，通常會遇到崎嶇不平，濕地，沼澤，極熱或極寒等惡劣的環(huán)境，極大的制約著科學(xué)考察的開展，因此機器人代替人工進行探測，成為一種新的趨勢。目前，出現(xiàn)了輪式、腿式或履帶式等機器人應(yīng)用于科考活動。

由于球形機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、運動靈活，以及效率高、能耗小，并具有良好的動態(tài)和靜態(tài)平衡性等優(yōu)點，近些年來得到了快速的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于環(huán)境探測，科學(xué)研究，娛樂等領(lǐng)域，國內(nèi)外都做了大量的研究，并且取得了較好的成果。但是，對比分析了國內(nèi)外的研究，球形機器人驅(qū)動主要分為內(nèi)驅(qū)動和外驅(qū)動。對于內(nèi)驅(qū)動的球形機器人，目前國內(nèi)外通常做得比較小，北京郵電大學(xué)的BYQ系列，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的球形機器人，北航的BHQ等，通常直徑在320mm~600mm，大小不等，主要用于簡單的環(huán)境探測，因此對應(yīng)的控制系統(tǒng)采用單一的單片機，DSP或是ARM類控制單元。外驅(qū)動的球形機器人，大多是充氣型或是結(jié)構(gòu)簡單的框架結(jié)構(gòu)，依靠風(fēng)力驅(qū)動，內(nèi)部結(jié)構(gòu)配置探測環(huán)境數(shù)據(jù)的器件，控制部分很少，自主性比較差，不能按照預(yù)定的軌跡運動。

對于用于環(huán)境探測的球形機器人，要能克服越障困難，陷入凹凸不平的縫隙中的各種困難，并且能根據(jù)環(huán)境的參數(shù)進行調(diào)整，具有自主性。這些要求制約了尺寸偏小的球形機器人和外驅(qū)動球形機器人的應(yīng)用。為了能適用于惡劣環(huán)境的探測，研制了一個直徑為1米的大尺寸球形機器人。球形機器人通過驅(qū)動電機和轉(zhuǎn)向電機，帶動擺桿和配置塊運動，改變機器人的質(zhì)心位置，產(chǎn)生偏心力矩，驅(qū)動機器人運動，實現(xiàn)直線運動和轉(zhuǎn)向運動。為了實現(xiàn)這種自主的運動，針對大尺寸的球形機器人，設(shè)計發(fā)明了一套大尺寸球形機器人的控制系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

????本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有的技術(shù)存在的問題，為大尺寸球形機器人提供一種能實現(xiàn)直線運動和轉(zhuǎn)向運動的大尺寸球形機器人控制系統(tǒng)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種大尺寸球形機器人控制系統(tǒng)，包括上位機部分和球形機器人部分。所述上位機部分包括計算機，單片機和無線通信模塊，負責(zé)系統(tǒng)管理、人機接口、任務(wù)規(guī)劃和動作指令生成等功能。所述球形機器人部分的包括主控制器，單片機和姿態(tài)傳感器，避障傳感器，伺服電機控制器，無線通信模塊，24V鋰電池，5V鋰電池,24V繼電器，5V繼電器。所述控制器連接伺服電機控制器、單片機、姿態(tài)傳感器、避障傳感器和5V繼電器，所述24V鋰電池經(jīng)24V繼電器和伺服電機控制器連接伺服電機，所述單片機連接24V繼電器、無線通信模塊、5V鋰電池和5V繼電器；

上位機部分無線通信模塊包括接收和發(fā)射兩塊射頻芯片。

球形機器人部分無線通信模塊包括接收和發(fā)射兩塊射頻芯片。

所述球形機器人部分的主控制器集成在一塊開發(fā)板上。

大尺寸球形機器人的控制系統(tǒng)，計算機操作通過單片機和無線通信模塊向球形機器人發(fā)送指令，機器人的無線通信模塊接收指令，單片機根據(jù)指令與主控制器通信，主控制器，控制繼電器、伺服電機控制器動作，并根據(jù)姿態(tài)傳感器和避障傳感器反饋調(diào)整機器人運動，實現(xiàn)機器人直線和轉(zhuǎn)向運動；主控制器通過單片機向計算機發(fā)送機器人的狀態(tài)信息。

上位機部分的單片機，型號為STM32，帶有SPI接口，采用串口轉(zhuǎn)USB芯片，通過USB連接計算機。用于控制無線通信的接收和發(fā)送。

所述上位機部分的兩塊射頻芯片，型號為nRF24L01，與單片機連接。用于發(fā)射和接受計算機和主控制器的信號

上位機部分與球形機器人部分是通過無線傳輸通信的方式連接。

所述球形機器人部分的主控制器型號是S3C6410處理器，主頻率為?667MHz?，運行于?Linux2.6平臺。安裝于開發(fā)板上。用于計算機器人的各種姿態(tài)信息和控制機器人的各種動作，執(zhí)行控制算法，發(fā)送狀態(tài)信息等。?

球形機器人的開發(fā)板，是安裝于球形機器人的內(nèi)框的控制盒內(nèi)。用于加快開發(fā)速度。

球形機器人部分的單片機，型號為STM32。通過USB接口與主控制連接，安裝于球形機器人的內(nèi)框控制盒內(nèi)。主要發(fā)揮其外設(shè)齊全且編程簡單的優(yōu)勢，并為主控制器分擔(dān)一些任務(wù)。

所述球形機器人部分的兩塊射頻芯片，與單片機連接，接收計算機的信息指令和發(fā)射球形機器人的信息。

球形機器人部分的姿態(tài)傳感器，，內(nèi)部包含三軸陀螺儀，三軸加速度以及三軸磁場傳感器，用于測量球形機器人的姿態(tài)數(shù)據(jù)。通過USB接口，與主控器連接，其安裝于球形機器人的側(cè)板上。