一种具有地面适应能力的蛇形机器人 【技术领域】
本发明涉及机器人研究和工程领域，具体是一种具有地面适应能力的蛇形机器人。
技术背景
生物蛇有很多能力来适应新的环境，通过改变运动方式立即响应一个新的环境是蛇的一种能力，例如，蛇在不同的地面上(如硬地、沙地、软土等)，会采用不同的运动方式。已有的蛇形机器人虽然有多种运动方式，但只能按固定的方式运动，不能在不同的地面上自动变换运动方式。这使蛇形机器人的应用受到限制。
【发明内容】
为了克服上述蛇形机器人运动方式不能自动变换的不足，本发明的目的是提供一种新的、具有地面适应能力的蛇形机器人。
为了实现上述目的，本发明地技术方案是：采用蛇头和多个相同的单自由度的关节模块，两个相邻模块按相差90度同方向连接起来，构成能进行三维运动的蛇形机器人；在蛇头部分处设有主控单元及地面特性检测装置，每个关节模块上设执行单元，执行单元接收主控单元的控制信号，执行单元之间通过CAN总线连接，组成分布式控制系统；
其中：所述地面特性检测装置安装蛇头外壳内，由压力传感器、压杆、触头、壳体部件组成，压力传感器安装在壳体内部的顶部和两侧，触头安在压杆的底部，具有下窄上宽的形状，压杆活动安装在壳体17内部；
所述执行单元由智能转动单元和单片机组成，单片机通过CAN总线接口接收主控单元信号，其输出信号控制智能转动单元，智能转动单元控制关节模块运动，智能转动单元的电气接口通过三芯接插件与该执行单元的单片机相连；所述单片机安装在固定板侧面；
所述主控单元通过CAN总线与各个分散的执行单元电连接，由单片机、地面特性检测电路和CAN总线接口部分组成，压力传感器输出信号与第一～三运算放大器连接构成地面特性检测电路，地面特性检测电路的输出至单片机的AD转换器，所述单片机再将控制信号通过CAN总线接口送至执行单元的单片机的输入端接口电路；压力传感器分别安装在地面特性检测装置顶部、左侧、右侧；
主控单元的单片机中存储的控制流程是在蛇形机器人开始运动时，先采集压力传感器信号，根据信号判断地面特性，然后采用与地面相对应的运动方式运动；具体为：初始化后进行传感器输出信号采集，然后判断是否是硬地面，是硬地面则进行蜿延运动，计算各关节角度值，传送各关节角度值，否则判断是否是沙地，是沙地则进行侧向运动，计算各关节角度值，传送各关节角度值，否则判断是否是软土地，是软土地则进行伸缩运动，计算各关节角度值，传送各关节角度值，否则返回传感器输出信号采集。
所述地面特性检测装置能分辨出多种不同的地面(硬地面、软土、沙地等)，根据地面特性检测装置的检测结果，在硬地面上蛇形机器人采用蜿蜒运动方式移动，在软土上，蛇形机器人采用伸缩运动方式移动，在沙地上，蛇形机器人采用侧向运动方式移动。
本发明具有如下有益效果：
本发明适应能力高。由于蛇头上安装地面特性检测装置，与关节模块的执行单元、蛇头中安装的主控单元及程序控制相配合，使蛇形机器人能分辨出多种不同的地面(硬地面、软土、沙地等)，能在多种不同的地面(硬地面、软土、沙地等)自动变换步态运动，以适应不同的地面。本发明采用的单自由度的关节模块都可互换，使用灵活。
【附图说明】
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明单自由度的关节模块结构示意图。
图3为本发明两个模块按相差90度方向连接示意图。
图4为本发明整个系统电路框图。
图5-1为本发明执行单元的电路框图。
图5-2为本发明执行单元的电路原理图。
图6为本发明蛇头上的主控单元的电路原理图。
图7-1为本发明地面特性检测装置安装示意图。
图7-2为本发明地面特性检测装置结构示意图。
图8为本发明主控单元系统程序流程图。
【具体实施方式】
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明整体结构如图1所示，其中1为蛇头，2为关节模块，3为地面特性检测装置；单自由度的关节模块通过螺丝可以将两个模块按相相差90度同方向连接起来，如图3所示，每个单自由度的关节模块2具有智能转动单元、活动板、连接板，所述关节模块通过活动板、连接板依次相连，如图2所示，所述每个关节模块包括连接板21、固定板22、智能转动单元23、转轴24、活动板25、仿蛇皮材料的底面27，所述底面27安装在活动板25的底部，活动板25为ㄩ形，开口朝一侧，水平放置，其位于上、下方的两侧壁通过转轴24与伺服控制器23活动连接，活动板25可随转轴转动，智能转动单元23与固定板22安装在一起，固定板22为ㄩ形，开口朝向与活动板25开口朝向相反，水平放置，底部与连接板21固连，本实施例由16个关节模块组成一个蛇形机器人，行走路线可为S形等；转轴24为关节模块的关节；26为垫片。
如图5-1、5-2所示，每个关节模块2设有一个执行单元，执行单元由智能转动单元23(采用JR4721型号的R/C伺服器)和单片机U1(采用MB90F549芯片)组成，单片机U1通过CAN总线接口U2(采用82C250芯片)接收主控单元信号，其输出信号控制智能转动单元，再由智能转动单元23控制关节模块运动，智能转动单元23电气接口为三根线(控制信号、电源、地)，通过三芯接插件与该执行单元的单片机U1相连；单片机U1安装在固定板22侧面。
蛇头外壳11内装有地面特性检测装置3，用来检测地面特性，安装方式如图7-1所示，结构如图7-2所示，由压力传感器13、压杆14、触头15、壳体17部件组成，压力传感器13安装在壳体17内部的顶部和两侧，触头15安在压杆14的底部，具有下窄上宽的形状，压杆14安装在壳体17内部，压杆14可以上下运动，与顶部的压力传感器13接触，测量地面的正压力，同时也可以左右移动，与两侧的压力传感器接触，测量侧向摩擦力。16为底面。
本实施例蛇形机器人由16个关节模块组成，通过控制每个关节模块的相对转动角度来实现相应的运动。其运动由在蛇头部分中设有的主控单元控制，主控单元通过CAN总线将各个分散的执行单元连接起来，构成如图4所示的蛇形机器人控制系统，蛇头1上的主控单元如图6所示，由单片机U1、地面特性检测电路和CAN总线接口部分组成，压力传感器(分别在壳体17的顶部、左侧、右侧)输出信号与第一～三运算放大器U3～U5(采用AD623芯片)连接构成地面特性检测电路，其输出至单片机U1的AD转换器，所述单片机U1再将控制信号通过CAN总线接口送至执行单元的单片机U1的输入端的接口电路。
蛇形机器人开始运动时，先采集力传感器信号，根据信号判断地面特性，然后采用与地面相对应的运动方式运动，主控单元由单片机中存储的控制程序流程如图7所示，具体为：初始化后进行传感器输出信号采集，然后判断是否是硬地面，是硬地面则进行蜿延运动，计算各关节角度值，传送各关节角度值，否则判断是否是沙地，是沙地则进行侧向运动，计算各关节角度值，传送各关节角度值，否则判断是否是软土地，是软土地则进行伸缩运动，计算各关节角度值，传送各关节角度值，否则返回传感器输出信号采集。
所述平面蜿蜒运动是通过控制关节模块水平轴的关节保持直线，垂直轴的关节呈正弦变化产生；采用的算法公式为：
θi(s)=-2α0sin(Knπn)·sin(2KnπLs+2Knπni)+K1l;]]>
其中：α0是运动的初始弯角，Kn是体内传播波的个数，L是蛇形机器人的体长，s是蛇形机器人尾部沿蛇形曲线轴线方向的虚位移，l是每一模块的长度，i代表任意一个关节模块，K1是曲率。
所述侧向运动是控制关节模块的垂直轴(yaw轴)的关节和水平轴(pitch轴)的关节都呈正弦变化(水平设置的转轴24为水平轴，垂直设置的转轴24为垂直轴；下同)，两个曲线之间有一个相位差δφ；采用的算法公式为：
θi(s)=-2αθ0sin(Knπnθ)·sin(2KnπLθs+2Knπnθi)+K1lφi(s)=-2αφ0sin(Knπnφ)·sin(2KnπLφs+2Knπnφi+δφ)+K1l]]>
其中：α0是运动的初始弯角，Kn是体内传播波的个数，nθ为垂直平面运动的模块数，nφ为水平平面运动的模块数，Lθ是垂直运动模块总长，Lφ水平运动模块总长，s是关节模块尾部沿蛇形曲线轴线方向的虚位移，l是每一关节模块的长度，i代表任意一个关节模块，δ为两个关节模块运动曲线的相位差，K1是曲率。
所述伸缩运动方式可以通过控制它的垂直轴(yaw轴)的关节保持直线，而水平轴(pitch轴)的关节呈正弦变化实现。它在垂直面内运动，适合穿越狭小的管道。
φi(s)=-2α0sin(Knπn)·sin(2KnπLs+2Knπni)+K1l]]>
其中：α0是运动的初始弯角，Kn是体内传播波的个数，L是蛇形机器人的体长，s是蛇形机器人尾部沿蛇形曲线轴线方向的虚位移，l是每一模块的长度，i代表任意一个关节模块，K1是曲率。
本发明的特点是，能在不同的地面上自动采用最佳运动方式运动，提高了蛇形机器人的适应能力。