本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種水陸兩棲全地形移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，它包括上位機(jī)、主控制器、視覺系統(tǒng)、力覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)生成系統(tǒng)。上位機(jī)的以太網(wǎng)接口與主控制器的以太網(wǎng)接口以網(wǎng)線連接；主控制器的PXI總線接口分別與視覺系統(tǒng)的PXI總線接口、力覺系統(tǒng)的PXI總線接口、運(yùn)動(dòng)生成系統(tǒng)的PXI總線接口以PXI總線連接；視覺系統(tǒng)安裝于兩棲機(jī)器人機(jī)身的前部，力覺系統(tǒng)安裝于兩棲機(jī)器人機(jī)身與行走機(jī)構(gòu)的連接處，運(yùn)動(dòng)生成系統(tǒng)中的浮力控制器固結(jié)于兩棲機(jī)器人機(jī)身上平面中，運(yùn)動(dòng)生成系統(tǒng)中的三個(gè)電機(jī)分別聯(lián)接于兩棲機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的外輪、太陽齒輪和中心齒輪的驅(qū)動(dòng)軸。水陸兩棲全地形移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩棲機(jī)器人連續(xù)、高效的全地形移動(dòng)能力。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于機(jī)器人
，具體涉及一種水陸兩棲全地形移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
在重大自然災(zāi)害發(fā)生后，于最短的時(shí)間內(nèi)(少于48小時(shí))在廢墟中搜尋幸存者，給予必要的醫(yī)療救助，并盡快救出被困者是災(zāi)后救援工作的緊迫任務(wù)。地震-海嘯、洪水等重大自然災(zāi)害肆掠過后的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境極其惡劣，一方面由于建筑物倒塌、公路扭曲變形等原因，在陸地上形成了復(fù)雜的障礙地形，另一方面，由于海水倒灌，形成大量的泥濘、稀軟兩棲地形；另外，未完全退去的洪水等形成大片的水下環(huán)境。要在如此惡劣的環(huán)境中進(jìn)行搜救，機(jī)器人必須具有兩棲環(huán)境下的全地形機(jī)動(dòng)能力。水陸兩棲全地形移動(dòng)機(jī)器人采用一套運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)即能實(shí)現(xiàn)豐富的運(yùn)動(dòng)形式，能夠在包括水下、沙地、泥濘和巖石陸地等復(fù)雜的兩棲地形中自主運(yùn)動(dòng)。因此，它能夠在自然災(zāi)害發(fā)生后的惡劣環(huán)境中進(jìn)行搜救。機(jī)器人豐富的運(yùn)動(dòng)步態(tài)是兩棲全地形機(jī)動(dòng)能力實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。其中，每一種運(yùn)動(dòng)步態(tài)都有其適應(yīng)的地形和越障極限，當(dāng)超過該極限時(shí)，單一步態(tài)則無法克服障礙而失去機(jī)動(dòng)性。因此，機(jī)器人必須通過控制來實(shí)現(xiàn)基于障礙交互的混合步態(tài)，從而突破單步態(tài)的限制，獲得更大的范圍的機(jī)動(dòng)性。為此，本專利技術(shù)專利提出了一種水陸兩棲全地形移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，用于具有多運(yùn)動(dòng)步態(tài)的水陸兩棲機(jī)器人混合步態(tài)的實(shí)現(xiàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于克服已有兩棲機(jī)器人控制系統(tǒng)的不足之處，提供一種水陸兩棲全地形移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，通過環(huán)境-障礙交互及輪式、腿式、輪腿融合式和槳式運(yùn)動(dòng)步態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)兩棲機(jī)器人連續(xù)、高效的全地形移動(dòng)能力。為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)的技術(shù)思路為: 控制系統(tǒng)由上位機(jī)、主控制器、視覺系統(tǒng)、力覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)生成系統(tǒng)組成。主控制器通過以太網(wǎng)獲得上位機(jī)操作指令，并通過PXI總線讀取視覺系統(tǒng)、力覺系統(tǒng)采集得到的機(jī)器視覺信息和力覺信息。運(yùn)行于主控制器之上的控制算法基于視覺和力覺信息對(duì)兩棲機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行識(shí)別，規(guī)劃出與之相適應(yīng)的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，并據(jù)此計(jì)算出機(jī)器人的多模塊運(yùn)動(dòng)軌跡，并通過PXI總線將模塊運(yùn)動(dòng)軌跡信息傳遞給運(yùn)動(dòng)生成系統(tǒng)。為了保證機(jī)器人控制的實(shí)時(shí)性，主控制器中的控制算法均運(yùn)行于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)之上； 視覺系統(tǒng)由圖像采集卡和高性能攝像頭組成，圖像采集卡獲取攝像頭的圖像信息并進(jìn)行處理后將可用的機(jī)器視覺信息通過PXI總線傳遞給主控制器； 力覺系統(tǒng)由六維力傳感器和力傳感器數(shù)據(jù)采集卡組成，力傳感器數(shù)據(jù)采集卡獲取傳感器的力和力矩信息后，通過PXI總線將其傳遞給主控制器；運(yùn)動(dòng)生成系統(tǒng)包括CAN總線控制器、浮力控制器和多個(gè)單模塊控制單元；CAN控制器通過PXI總線獲取各單模塊的運(yùn)動(dòng)以及浮力指令，然后通過CAN總線將指令分發(fā)給目標(biāo)控制器；其中，浮力系統(tǒng)控制器根據(jù)收到的浮力產(chǎn)生兩棲機(jī)器人所需的浮力；單模塊控制單元包括三個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器和三個(gè)電機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)CAN總線發(fā)送的運(yùn)動(dòng)指令閉環(huán)控制對(duì)應(yīng)電機(jī)的輸入電壓及電流，使之產(chǎn)生預(yù)定的運(yùn)動(dòng)及力矩。根據(jù)上述思路，本專利技術(shù)采取如下技術(shù)方案: 水陸兩棲全地形移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括上位機(jī)、主控制器、視覺系統(tǒng)、力覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)生成系統(tǒng)。其特征在于:所述上位機(jī)的以太網(wǎng)接口與主控制器的以太網(wǎng)接口以網(wǎng)線連接。主控制器的PXI總線接口分別與視覺系統(tǒng)的PXI總線接口、力覺系統(tǒng)的PXI總線接口、運(yùn)動(dòng)生成系統(tǒng)的PXI總線接口以PXI總線連接。所述的視覺系統(tǒng)安裝于兩棲機(jī)器人機(jī)身的前部，力覺系統(tǒng)安裝于兩棲機(jī)器人機(jī)身與行走機(jī)構(gòu)的連接處，運(yùn)動(dòng)生成系統(tǒng)中的浮力控制器固結(jié)于兩棲機(jī)器人機(jī)身的上平面中，運(yùn)動(dòng)生成系統(tǒng)中的電機(jī)分別安裝于兩棲機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的外輪、太陽齒輪、中心齒輪的驅(qū)動(dòng)軸上。上位機(jī)將用戶指令寫入主控制器，主控制器根據(jù)視覺系統(tǒng)和力覺系統(tǒng)采集的機(jī)器人外界運(yùn)行環(huán)境信息控制運(yùn)動(dòng)生成系統(tǒng)執(zhí)行用戶指令。所述的上位機(jī)采用通用工控機(jī)；上述主控制器采用NI PX1-8108實(shí)時(shí)嵌入式控制器；上述視覺系統(tǒng)是一個(gè)圖像采集卡連接一個(gè)高性能攝像頭；所述力覺系統(tǒng)是一個(gè)力傳感器數(shù)據(jù)采集卡連接一個(gè)六維力傳感器。所述的圖像采集卡采用NI PXIe-1435接收器；高性能攝像頭采用NI 1774智能攝像頭；上述的力傳感器采集卡采用NI PX1-6123多通道模擬采集卡；上述的力傳感器采用ATI DELTA (S1-330-30)六維力傳感器。所述的運(yùn)動(dòng)生成系統(tǒng)包括一個(gè)CAN總線控制器、所述浮力控制器和多個(gè)單模塊控制單元。所述CAN總線控制器采用NI PXI 8531CAN總線接口卡。CAN總線控制器的PXI總線接口連接于PXI總線上。CAN總線控制器的CAN_H、CAN_L輸出端與浮力控制器和單模塊控制單元的CAN_H、CAN_L輸出端以雙絞電纜連接； 所述浮力控制器由一個(gè)浮力控制微處理器、一個(gè)微型氣泵、一個(gè)電磁閥、一個(gè)密封氣缸和一個(gè)氣囊組成。所述微型氣泵和電磁閥固結(jié)于密封氣缸內(nèi)部。微型氣泵的氣體輸出端通過軟橡膠氣管與氣囊的通氣口一連接，微型氣泵的氣體輸入端懸空。電磁閥的通氣閥口通過軟橡膠氣管與氣囊的通氣口 二連接。微型氣泵和電磁閥的電氣輸入接口與浮力控制微處理器電連接。上述浮力控制微處理器采用STM32型ARM微處理器，微型氣泵采用DSA-1-24型直流微型氣泵，電磁閥采用VDM IOBA型電磁閥。所述單模塊控制單元包括外輪運(yùn)動(dòng)控制模塊、中心輪運(yùn)動(dòng)控制模塊和太陽輪運(yùn)動(dòng)控制模塊。外輪運(yùn)動(dòng)控制模塊、中心輪運(yùn)動(dòng)控制模塊和太陽輪運(yùn)動(dòng)控制模塊的硬件結(jié)構(gòu)完全相同，由運(yùn)動(dòng)控制器和電機(jī)組成。所述運(yùn)動(dòng)控制器由微控制器、全橋驅(qū)動(dòng)電路、霍爾電流傳感器和光電編碼器組成。霍爾電流傳感器的兩個(gè)輸入端串接于電機(jī)的兩個(gè)輸入端，光電編碼器的輸出軸與電機(jī)輸出軸固結(jié)。微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端與霍爾電流傳感器的輸出端連接。微處理器的計(jì)數(shù)器的輸入端與光電編碼器的輸出端連接。微處理器中的PWM發(fā)生器的輸出端與全橋驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連接。所述微處理器采用STM32型ARM微處理器；所述全橋驅(qū)動(dòng)電路采用LMS18200驅(qū)動(dòng)-H-* I I心/T ο本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比較，顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著技術(shù)進(jìn)步: (1)本專利技術(shù)所提出的兩棲機(jī)器人控制系統(tǒng)采用了基于機(jī)器視覺和力覺的障礙交互方式，從而使兩棲機(jī)器人能自主分辨所處介質(zhì)環(huán)境及地形； (2)當(dāng)兩棲機(jī)器人分辨出介質(zhì)環(huán)境及地形后，主控制器能夠規(guī)劃出適合所處環(huán)境的混合運(yùn)動(dòng)步態(tài)，來突破單步態(tài)的限制，從而獲得更大范圍的機(jī)動(dòng)性； (3)當(dāng)兩棲機(jī)器人在運(yùn)行環(huán)境中光強(qiáng)不足時(shí)，主控制器通過力覺系統(tǒng)能夠根據(jù)地形的接觸力學(xué)特征重構(gòu)出環(huán)境的力學(xué)圖像，保證兩棲機(jī)器人在光學(xué)攝像頭失效的情況下實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)性的混合運(yùn)動(dòng)步態(tài)； (4)本專利技術(shù)中的運(yùn)動(dòng)生成系統(tǒng)具有模塊化特征，方便兩棲機(jī)器人為了功能需求而增添運(yùn)動(dòng)模塊數(shù)量； (5)本專利技術(shù)可以用于水陸兩棲機(jī)器人的控制，也可以用于其他運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制。附圖說明圖1為本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例水陸兩棲機(jī)器人結(jié)構(gòu)不意 圖2為一個(gè)實(shí)施例的兩棲環(huán)境下全地形機(jī)動(dòng)性示意 圖3為水陸兩棲全地形移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框 圖4為水陸兩棲全地形移動(dòng)機(jī)器人控制程序流程 圖5為浮力控制器的結(jié)構(gòu)框 圖6為浮力控制器的氣路連接圖 圖7為運(yùn)動(dòng)控制器的結(jié)構(gòu)框圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。實(shí)施例一: 參見圖3，本水陸兩棲全地形移動(dòng)機(jī)器人控制系本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種水陸兩棲全地形移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng),包括上位機(jī)(3)、主控制器(4)、視覺系統(tǒng)(5)、力覺系統(tǒng)(6)和運(yùn)動(dòng)生成系統(tǒng)(7),其特征在于：所述上位機(jī)(3)?的以太網(wǎng)接口與主控制器(4)的以太網(wǎng)接口以網(wǎng)線連接；所述主控制器(4)的PXI總線接口分別與視覺系統(tǒng)(5)的PXI總線接口、力覺系統(tǒng)(6)的PXI總線接口、運(yùn)動(dòng)生成系統(tǒng)(7)的PXI總線接口以PXI總線連接；所述視覺系統(tǒng)(5)安裝于兩棲機(jī)器人機(jī)身（120）的前部，所述力覺系統(tǒng)(6)安裝于兩棲機(jī)器人機(jī)身(120)與行走機(jī)構(gòu)(100)的連接處，運(yùn)動(dòng)生成系統(tǒng)(7)中的浮力控制器(71)固結(jié)于兩棲機(jī)器人機(jī)身(120)上平面中，所述運(yùn)動(dòng)生成系統(tǒng)(7)中的三個(gè)電機(jī)分別聯(lián)接于兩棲機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)(100)的外輪(101)、太陽齒輪(1041)和中心齒輪(1042)的驅(qū)動(dòng)軸。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：蒲華燕，馬書根，孫翊，王濤，高同躍，李敏，龔振邦，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：上海大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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