一种足端轨迹可变的组装式多足机器人和控制方法
阅读说明：本技术 一种足端轨迹可变的组装式多足机器人和控制方法 (Assembled multi-legged robot with variable foot end track and control method ) 是由 向平宇 王越 陈词 陆豪健 熊蓉 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：发明公开了一种足端轨迹可变的组装式多足机器人和控制方法,该机器人由若干个机器人单体通过磁性球接合而成,机器人由经PID算法控制的直流电机驱动,经由可调整的平面四连杆机构将直流电机的转动转化为摆动,在机器人的足端形成一个封闭曲线,使机器人向前运动,运动过程中电机的旋转位置与速度由旋转角度电位器采集给控制器,球型的磁性连接赋予了机器人一定的柔性,也使得机器人能够进行延申拓展,在中间单体受损时仍能正常向前运动,本发明提供的组装式多足机器人和控制方法实现简单,且提高了机器人的鲁棒性和可操作性。(The invention discloses an assembled multi-legged robot with variable foot end tracks and a control method, wherein the robot is formed by jointing a plurality of robot monomers through magnetic balls, the robot is driven by a direct current motor controlled by a PID algorithm, the rotation of the direct current motor is converted into swing through an adjustable plane four-bar mechanism, a closed curve is formed at the foot end of the robot, the robot moves forwards, the rotating position and the speed of the motor are collected to a controller by a rotating angle potentiometer in the moving process, the spherical magnetic connection endows the robot with certain flexibility, the robot can be extended and expanded, and the robot can still normally move forwards when a middle monomer is damaged.)
技术领域
本发明涉及机器人应用平台，属于机器人控制领域，特别涉及一种足端轨迹可变的组装式多足机器人和控制方法。
背景技术
自然界中，各类生物为适应复杂多变的生存环境，进化出令人惊叹的本领与特征。这些优良的生物性能给人类创造与设计提供各种灵感。通过学习、模仿某些生物的特性及功能，可以提高人类对自然的适应和改造能力。因此，近年来，仿生机器人的研究引起了广泛的关注，其中从蜈蚣身上汲取灵感的多足软体机器人也逐渐成为一项热点。现阶段看来，足式机器人的环境适应能力比轮式和履带式机器人强，能够适应不同的复杂的地形条件，而多足机器人相比于传统四足机器人对复杂地形条件有着更强的适应性，多节的身躯给予了多足机器人更高的灵活性，其身体结构可以随着地形而进行一定程度上的弯曲调整，从整体上为机器人提供了更可靠的稳定性。
比例积分微分控制，简称PID控制，是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制和机器人控制，至今仍有90％左右的控制回路具有PID结构。简单的说，根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。另一方面，平面四连杆机构是一种基础的机械结构，在杆长条件的限制范围内，调整各个杆子的相对长度，能将四杆机构区分为若干个变种，其中曲柄摇杆机构由于其能将转动运动转化为摆动，应用范围最广。
目前的大多机器人被设计为不可拆装、结构固定、不可调整的结构，功能结构单一，灵活性不高，且一旦有一个部件损坏，整个系统就会受到影响而停止工作，鲁棒性较差。
发明内容
本发明针对多足仿生机器人控制不便，鲁棒性较差，用户改造拓展自由度低的现状，提出了一种足端轨迹可变的组装式多足机器人和控制方法，该机器人结合PID控制和平面四连杆机构，在保持稳定性的前提下，能够实现对机器人的运动结构进行设计改进，通过不同的组装方式，可以得到参数不同的平行四杆机构，使得机器人的足端曲线得到调整，实现机器人不同的行进方式。除此之外，本发明将机器人设计为单独的可组装的单体，用磁性球进行各个单体之间的连接，方便用户组装拓展，同时在单体机器人受损时，其邻接的两个单体机器人能将受损单体撑起，在无人干预的情况下仍能向前运动。
为了达到本发明的目的，本发明采取如下技术方案：
本发明的其中一个目的在于提供一种足端轨迹可变的组装式多足机器人，所述的多足机器人由若干个机器人单体通过磁性球接合而成；所述的机器人单体包括主体、直流电机、直流电机驱动板、机械足、旋转角度电位器、控制器和电源；
所述的直流电机嵌入安装在主体的左右两侧，由直流电机驱动板控制，每一个直流电机连接一个机械足，所述的旋转角度电位器安装在直流电机的输出轴处，用于测量电机轴的旋转角度；所述的控制器和电源安装在主体上，所述的直流电机驱动板和旋转角度电位器与控制器连接；
所述的机械足采用四连杆机构，包括曲柄、连杆和摇杆；所述摇杆的一端通过销钉安装在主体侧面上部，曲柄与直流电机的输出轴连接，位于摇杆的后下方，连杆的顶部与摇杆的另一端铰接，连杆的中部与曲柄铰接。
优选的，所述连杆所在平面位于垂直面上，与地面垂直。
优选的，所述的摇杆和连杆上设有等距排布的安装孔位，摇杆上的孔位与连杆上的孔位铰接。
优选的，所述主体上前后侧面的中心位置设有磁球限位凹槽，所述凹槽内置软磁材料。
优选的，所述的磁球限位凹槽为圆形。
优选的，所述的主体通过3D打印制成。
优选的，所述摇杆与所述销钉间隙配合。
优选的，所述直流电机的输出轴与曲柄过盈配合。
优选的，所述的控制器采用PID控制器。
本发明的第二个目的在于提供一种上述足端轨迹可变的组装式多足机器人的控制方法，包括：
控制器根据旋转角度电位器采集实时模拟电压Vc，通过角度与电压的线性关系得到实时角度信息其中Vc1表示当前t时刻控制器输入的模拟电压值；延时一个采样时间Δt后再次采集下一个时刻的角度信息其中Vc2表示t+Δt时刻控制器输入的模拟电压值；
通过差分计算获得直流电机的瞬时角速度将计算得到的瞬时角速度与预设的瞬时角速度做差作为PID控制器的输入e(t)，计算PWM信号的占空比u(t)：
其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数；将占空比u(t)作为控制信号输出至直流电机驱动板(9)，对直流电机(6)进行控制。
本发明的有益效果和益处是：
1.机器人的足端曲线由四连杆机构生成，直流电机仅提供一个旋转自由度，便能在连杆处形成一个封闭的足端曲线，该足端曲线与地面先后接触摩擦，为机器人提供前进的动力，该四连杆机构的摇杆、连杆上留有等距排布的孔洞，通过使用不同的孔洞相互配合，可以设计出参数不同的四连杆机构，同时机器人的足端曲线也得到了调整，以实现不同的机器人行进方式。
2.机器人主体前后的中心布有圆形凹槽，用于限制磁性球的位置，凹槽内置软磁材料用以吸附磁性球，不同机器人单体之间可以由磁性球与机器人主体之前的磁力自由连接，同时还拥有三个方向自由旋转的自由度，使机器人拥有一定的柔性。
3.多个单体机器人组装之后，当位于中间的单体损坏或是足部缺失，机器人整体仍能正常运行，受损单体依靠前后两个磁性球被吸附在前后两个单体机器人上，在无人干预的情况下由前后两个单体机器人承担起行进的任务。
附图说明
图1是本发明实施例示出的一种组装式多足机器人结构示意图；
图2是本发明实施例示出的一种机器人单体结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是图2的侧视图；
图5是平面四连杆机构示意图；
图6是本发明控制流程示意图；
图7是受损组装式多足机器人示意图；
图8是图7的机械结结构表现形式图；
图中：1-主体，2-摇杆，3-曲柄，4-连杆，5-旋转角度电位器，6-直流电机，7-控制器，8-电源，9-直流电机驱动板。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。
如图1所示，本发明提供了一种足端轨迹可变的组装式多足机器人，所述的多足机器人由若干个机器人单体通过磁性球接合而成，图1给出了四个机器人单体的示例。
如图2-4所示，每一个机器人单体包括主体1、直流电机6、直流电机驱动板9、机械足、旋转角度电位器5、控制器7和电源8；主体1结构可由3D打印制成。
所述的直流电机6嵌入安装在主体1的左右两侧，由直流电机驱动板9控制，每一个直流电机连接一个机械足，所述的旋转角度电位器5安装在直流电机的输出轴处，用于测量电机轴的旋转角度；所述的控制器7和电源8安装在主体上，所述的直流电机驱动板9和旋转角度电位器5与控制器连接；
所述的机械足采用平面四连杆机构，包括曲柄3、连杆4和摇杆2；所述摇杆2的一端通过销钉安装在主体1侧面上部，通过销钉实现轴向约束；曲柄3与直流电机的输出轴连接，位于摇杆2的后下方，连杆(4)的顶部与摇杆2的另一端铰接，连杆4的中部与曲柄3铰接。连杆所在平面位于垂直面上，与地面垂直。
如图5所示，摇杆4和连杆2上设有等距排布的安装孔位，摇杆上的孔位与连杆上的孔位铰接。在本发明的一项具体实施中，摇杆2与所述销钉间隙配合，能够实现摇杆以销钉为轴进行摆动。直流电机的输出轴与曲柄3过盈配合，使得电机轴刚性驱动曲柄旋转。
在本发明的一项具体实施中，控制器采用PID控制器。旋转角度电位器通过杜邦线与控制器连接，实时反馈直流电机的位置信息，控制器对角度信息进行处理，结合PID控制器，对直流电机驱动板发送信号，放置在机器人主体内部的大功率锂电池电源为控制器、直流电机、旋转角度电位器供电，机器人主体前后的中心布有圆形磁球限位凹槽，内置软磁材料，不同机器人单体之间通过磁性球连接，使之拥有三个方向旋转的自由度。
如图6所示，一种足端轨迹可变的组装式多足机器人运行时包含以下步骤：
步骤1：将机器人从内到外组装起来，并给四连杆机构选择适当的孔位安装，这里选择最末端的孔洞安装，并按需求将若干个单体(示例中选取3个，并分别标号为A、B、C)通过磁性球连接起来。
步骤2：在控制器中用烧录入事先写好的程序，将机器人开始运行，其中控制器根据旋转角度电位器采集实时模拟电压Vc，通过角度与电压的线性关系得到角度信息程序延时一个采样时间Δt之后再次采集下一个时刻直流电机的旋转角度信息 通过差分得到直流电机的瞬时角速度将该瞬时速度与设置速度做差得到PID控制器的输入e(t)，该输入经过PID控制器之后输出的数值为控制器输出PWM信号的占空比u(t)，范围为0-255，其中PID控制由如下式决定， Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。该控制能实现对机直流电机转速、机器人行进速度的无差闭环控制。本实施例中，选取Kp＝0.03，Ki＝0.03，Kd＝0.01，此时直流电机能够稳定在所设定的速度上。
机器人的足端曲线由四连杆机构生成，直流电机仅提供一个旋转自由度，便能在连杆处形成一个封闭的足端曲线，该足端曲线与地面先后接触摩擦，为机器人提供前进的动力，该四连杆机构的摇杆、连杆上留有等距排布的孔洞，因此通过使用不同的孔洞相互配合，可以设计出参数不同的四连杆机构，同时机器人的足端曲线也得到了调整，以实现不同的机器人行进方式。将机器人A左右两侧曲柄上的安装孔位向上移一格，将其连杆的安装孔位向下移动一格；将机器人B左右两侧曲柄上的安装孔位向下移动一格，将其连杆的安装孔位向下移动一格，C机器人不变，以此对足端曲线进行调整，实现机器人整体行进状态的改变。
机器人主体前后的中心布有圆形凹槽，用于限制磁性球的位置，凹槽内置软磁材料用以吸附磁性球，不同机器人单体之间可以由磁性球与机器人主体之前的磁力自由连接，同时还拥有三个方向自由旋转的自由度，使机器人拥有一定的柔性，可以在单体机器人C后再加一个单体机器人D，使其变成四结合体。
如图7-8，多个单体机器人组装之后，当位于中间的单体B损坏或是足部缺失，机器人整体仍能正常运行，当机器人中部损坏之后，受损单体B依靠前后两个磁性球被吸附在前后A、C两个单体机器人上，在无人干预的情况下由前后两个单体机器人承担起行进的任务。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在分发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。