模块化的灾害救援机器人的制作方法
专利名称：模块化的灾害救援机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人，具体地说涉及一种可以应用在灾害救援中的模块化机器 人。
背景技术：
近年来我国及世界范围内地震、火灾、洪水等自然灾害频发。尤其在今年5月12 号发生的8. 0级汶川大地震中有69207遇难。抗震救灾过程中许多救援行动，因为救援现 场情况复杂而搁浅。其中大多由于救援人员无法进入狭小危险的废墟中为幸存者提供有效 的帮助。将机器人技术、营救行动技术、灾难学等多学科知识有机融合，研制与开发用于搜 寻和营救的多功能灾难救援机器人，是机器人学研究中一个富有挑战性的新领域，更是新 时代背景下急需解决的新难题。于是，国内外的许多高校和研究所在救援机器人、自主救援无人机和地面移动特 种作业机器人等救援机器人技术方面开展了研究。然而现有救援、侦测设备又种类复杂，并 无一个整体系统将各种设备结合在一起实现，实现模块化的多用途应用，如将各种设备取 长补短，以技术方式将其整合为统一的、具备互换性的任务系统，必将大大加强灾害救援能 力与力度。同时，国外一些较为成熟的救援机器人造价昂贵，单价均在数十万美元以上，不 适合大量装备，及灾害发生时大规模使用，难以适应中国国情。为适应多种空间环境与任务需求，机器人需要具备各种地形的适应能力和各种功 能组件的兼容性与互换性。现有灾害机器人的研究可分为单一机械本体，分布式控制两大 方向。单一机械本体的多用途救援机器人机械体系固定，底盘模式单一，负载能力强。此 方式发展较早，较为成熟，多为针对特殊的场合设计，由于固定的底盘模式，无法适应多种 环境与不同任务功能的快速切换。而多机器人系统可实现机械外形的自组与重构。此种机器人多由若干个外形相 同、功能各异的子机器人构成，并根据不同的环境进行组装，以适应不同需求。但是由于自 身结构特点，负载能力较小。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用在灾害救援中，具有单一本体式且具有强负载能力 又兼备多机器人的灵活互换性的机器人。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案本发明包括六边形的主体模块以及位于主体模块上的机械臂，主体模块与移动机 构相连接；上述的主体模块包括利用总线技术进行相互通信的识别单元、运动控制单元、通 信单元和总控单元，其中，识别单元识别移动机构的移动方式，运动控制单元根据该移动方 式建立运动学模型并驱动移动机构运动；机械臂的本体是一个具有五个自由度的机器人操 作臂，在操作臂上设有舵机和手部夹持机构，上述的舵机与总控单元相连接。
上述的移动机构包括轮式底盘模块以及与其相连接的四个轮模块，每个轮模块均 与一个电机相连接；上述的运动控制单元包括与轮模块相连接的电机及其速度传感器，电 机的输入端与电机驱动器相连接，电机驱动器的输入端连接PWM信号发生器，PWM信号发生 器的输入端连接PID控制器，PID控制器的输入端连接乘法器，所述的乘法器以速度传感器 采样的当前速度值和历史速度值作为输入信号。上述的移动机构包括履腿底盘模块以及与其相连接的四个履腿模块，四个履腿模 块对称分布。运动控制单元将轮式底盘模块和履腿底盘模块均等效为两履带运动方式建立运 动学模型。上述的移动机构包括全向轮底盘模块以及在全向轮底盘模块周向均勻分布设置 的三个90°瑞典轮。运动控制单元根据全向轮底盘模块建立运动学模型，它包括建立全局参考框架和 局部参考框架。将机械臂各关节的电位器的阻值变化经过AD转换后传给总控单元，总控单元将 其转换成相应的角度值后，传给机械臂上各关节的舵机。上述主体模块的实体架构采用光敏树脂材料，且其柱梁截面内嵌。在主体模块上设有至少一个导轨，导轨与任务模块相连接；上述的导轨是指主体 模块与任务模块的插接口。上述的任务模块为影音传送模块、生命体征探测模块、空间环境测量模块、空间位 置定位模块、医疗救护模块中的任意一种或几种组合。采用上述技术方案的本发明，采用“积木式”的模块化机械连接方案，运用独创的 机械自适应双轨道导轨以完成“即插即用”功能，以主体模块为平台实现一物多用，可根据 环境以及任务的种类快速组装多种任务模块，用最快的时间实现所需要的综合救援功能， 既具有单一本体式机器人的强负载能力又兼备多机器人系统的灵活互换性。另外，它采用 统一规格的航空插口进行线路整合，控制系统使用嵌入式微控制器实现分布式控制。系统 有机地将现有成熟技术整合，电子和程序设计采用开放式方案，因此产品更利于后续开发 及更新换代。本系统中主体模块的机械框架采用3D激光快速成型技术，使用Somos ProtoTool 20L光敏树脂材料，将数字化三维模型经由3D激光快速成型生成为实体。制造过程快捷、环 保，最大程度利用CAD与CAM的技术优势，增强机械结构性能、节约成本。经过有限元结构 计算分析，发现主体框架横梁存在应力集中点，支柱耐压能力差等缺陷。为克服此缺陷，设 计采用柱梁截面内嵌微结构技术，有效减轻重量，同时增强结构的力学性能。机器人系统采用分布式控制，采用一主机-多从机结构。其中总控单元作为主机 完成上位机通信、总线仲裁、任务调度、路径规划；运动控制单元等作为子控制器完成电机 PID闭环、外部事件相应、周围环境传感等任务。且主机与子控制器间通过高速总线连接。 采用改进型UART通信协议，由主控制器进行总线仲裁，并通过广播进行设备握手并进行数 据交换。由于仅使用两线制总线，设备间连接线数量显著减少，通过规定线制的航空插口， 快速热插拔配合机械连接实现模块化的设计。另外，本发明中自行设计出的机械臂及其操纵方式，将无线视频传输技术与多自由度示教仪相结合，提供操作者第一视角的任务视野，并可将操作者的手臂动作经由示教 设备直接控制机械臂的运动。
图1为本发明实施例1中轮式移动机构的结构图；图2为本发明主体模块的框架外形图；图3为本发明实施例1中机器人的整体结构图；图4为本发明中主体模块的电气结构框图；图5为本发明实施例1中运动控制单元的原理框图；图6为本发明实施例1中PID控制框图；图7为本发明实施例1中建立的运动学模型；图8为本发明实施例1运动学模型中计算行驶阻力的原理图；图9为本发明中机械臂的结构简图；图10为本发明中机械臂与手部夹持机构的结构示意图；图11为本发明整体的电气工作原理图；图12为本发明中主体模块的主循环流程图；图13为本发明中主体模块的工作进程图；图14为本发明实施例3中机器人的整体结构图；图15为本发明实施例3中机器人的伸展态运动姿态图；图16为本发明实施例3中机器人的单翼搭接态运动姿态图；图17为本发明实施例3中机器人的抬身态运动姿态图；图18为本发明实施例4中机器人的整体结构图；图19为本发明实施例4中建立的全局参考框架运动学模型图；图20为本发明实施例4中加上局部参考框架的运动学模型图；图21为本发明实施例6中机器人的整体结构图；图22为本发明实施例7中任务模块的工作流程图。
具体实施例方式实施例1如图1、图3所示，本实施例包括六边形的主体模块1以及位于主体模块1上的机 械臂4，主体模块1通过航空插头与移动机构3相连接，在本实施例中，移动机构3采用轮 式移动机构。其中，主体模块1为各移动机构3提供动力及总控，像心脏与大脑一样，保证 整体的正常运行。并且航空插头连接后，主体模块1会自动识别移动机构3的移动底盘方 式，从而应用相应的移动程序，达到“即插即用”的效果。这种模块化设计，可以根据不同的 救援环境改变移动机构，选择适应该环境的移动机构，从而可以最大程度上发挥救援机器 人的功效，有效的提高其利用效率。如图2所示，在本发明中，主体模块1采用六边形作为本体核心模块框架外形。首 先，六边形空间利用率高。从蜂房中采用六边形作为基础形态可知，本体模块1采用六边形 外框架可以充分增大内部空间，同时与外界插接时有效减少空间占用；其次，六边形结构稳固，力学性能好，这一点从晶体中六边形结构较为稳固就可以看出。在实际设计中，采用有 限元分析软件COSMOS Works进行结构设计分析，优化设计出最为合适的六边形外框架，使 得其强度、刚度、抗压能力优异，同时重量轻、造价合理，满足设计要求。如图4所示，从内部电气控制上来讲，主体模块1包括利用总线技术进行相互通信 的识别单元、运动控制单元、通信单元和总控单元，其中，识别单元识别移动机构3的移动 方式，运动控制单元根据该移动方式建立运动学模型并驱动移动机构3运动；总控单元对 整体系统实施监控；通信单元提供通信协议，负责系统内部各个功能单元之间的通信和系 统与外部指令设备的通信工作。在本实施例中，移动机构3采用轮式移动机构。如图1所示，移动机构3包括轮式 底盘模块5以及与其相连接的四个轮模块6，每个轮模块6均与一个电机12相连接。其中 轮式底盘模块5采用差动驱动，它们对四个电机12进行独立驱动，此种驱动方式不但可以 提供强劲的驱动能力，也拥有强大的越障和爬坡能力，特别适合室外的应用。在采用轮式移动机构的基础上，本实施例的运动控制单元如图5所示，该控制采 用的是闭环伺服控制，可以保证电机比较准确地运行，它包括与轮模块6相连接的电机12 及其速度传感器，电机的输入端与电机驱动器相连接，电机驱动器的输入端连接PWM信号 发生器，PWM信号发生器的输入端连接PID控制器，PID控制器的输入端连接乘法器，上述的 乘法器以速度传感器采样的当前速度值η(t)和历史速度值Iitl(t)作为输入信号。一侧轮子的等速控制采用的是PID控制器，即将偏差的比例P、积分I和微分D通 过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制。模拟系统中PID算法的表达式为P{t)=K\e{t) + ^\e{t)dt + TD^-_ 1Iat J⑴式(1)中P(t)为调节器的输出；e(t)为调节器的偏差信号，等于测量值与给定 值之差；κρ为调节器的比例系数Ji为调节器的积分时间；Td为调节器的微分时间。计算机控制是一种采样控制，只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量，所以必 须先对上式进行离散化处理，积分项可用求和表达式表示，微分项可用增量表达式表示\"oe{t)dt = X e(i)M =Tfj e(i)/=0 /=0dejt) ~ e(k) - e{k - 1) _ e(h) - e{k - 1) dtAt 一T将上面二式代入(1)式可得到用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程
权利要求
1.一种模块化的灾害救援机器人，其特征在于它包括六边形的主体模块(1)以及位 于主体模块⑴上的机械臂，主体模块⑴与移动机构⑶相连接；所述的主体模块⑴ 包括利用总线技术进行相互通信的识别单元、运动控制单元、通信单元和总控单元，其中， 识别单元识别移动机构(3)的移动方式，运动控制单元根据该移动方式建立运动学模型并 驱动移动机构(3)运动；所述机械臂(4)的本体是一个具有五个自由度的机器人操作臂，在 操作臂上设有舵机和手部夹持机构(13)，所述的舵机与总控单元相连接。
2.根据权利要求1所述模块化的灾害救援机器人，其特征在于所述的移动机构(3) 包括轮式底盘模块( 以及与其相连接的四个轮模块(6)，每个轮模块(6)均与一个电机相 连接；所述的运动控制单元包括与轮模块(6)相连接的电机及其速度传感器，电机的输入 端与电机驱动器相连接，电机驱动器的输入端连接PWM信号发生器，PWM信号发生器的输入 端连接PID控制器，PID控制器的输入端连接乘法器，所述的乘法器以速度传感器采样的当 前速度值和历史速度值作为输入信号。
3.根据权利要求1所述模块化的灾害救援机器人，其特征在于所述的移动机构(3) 包括履腿底盘模块(7)以及与其相连接的四个履腿模块(8)，四个履腿模块( 对称分布。
4.根据权利要求2或3所述模块化的灾害救援机器人，其特征在于运动控制单元将 轮式底盘模块和履腿底盘模块均等效为两履带运动方式建立运动学模型。
5.根据权利要求1所述模块化的灾害救援机器人，其特征在于所述的移动机构(3) 包括全向轮底盘模块⑶)以及在全向轮底盘模块⑶)周向均勻分布设置的三个90°瑞典轮 (10)。
6.根据权利要求5所述模块化的灾害救援机器人，其特征在于运动控制单元根据全 向轮底盘模块建立运动学模型，它包括建立全局参考框架和局部参考框架。
7.根据权利要求1所述模块化的灾害救援机器人，其特征在于将机械臂(4)各关节 的电位器的阻值变化经过AD转换后传给总控单元，总控单元将其转换成相应的角度值后， 传给机械臂(4)上各关节的舵机。
8.根据权利要求1所述模块化的灾害救援机器人，其特征在于所述主体模块(1)的 实体架构采用光敏树脂材料，且其柱梁截面内嵌。
9.根据权利要求1 8任一所述模块化的灾害救援机器人，其特征在于在主体模块 (1)上设有至少一个导轨(11)，导轨(11)与任务模块⑵相连接；所述的导轨(11)是指主 体模块(1)与任务模块O)的插接口。
10.根据权利要求8所述模块化的灾害救援机器人，其特征在于所述的任务模块(2) 为影音传送模块、生命体征探测模块、空间环境测量模块、空间位置定位模块、医疗救护模 块中的任意一种或几种组合。
全文摘要
本发明公开了一种模块化的灾害救援机器人，它包括六边形的主体模块以及位于主体模块上的机械臂，主体模块与移动机构相连接；主体模块包括利用总线技术进行相互通信的识别单元、运动控制单元、通信单元和总控单元，识别单元识别移动机构的移动方式，运动控制单元根据该移动方式建立运动学模型并驱动移动机构运动；机械臂的本体是一个具有五个自由度的机器人操作臂，在操作臂上设有舵机和手部夹持机构，舵机与总控单元相连接。本发明采用“积木式”的模块化机械连接方案，运用机械自适应双轨道导轨以完成“即插即用”功能，以主体模块为平台实现一物多用，可根据环境以及任务的种类快速组装多种任务模块。
文档编号A62B99/00GK102039589SQ20091017247
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月16日 优先权日2009年10月16日
发明者张凯, 张晨峰, 李俊, 李路, 王清川 申请人:李路
技术领域：
本发明涉及一种机器人，具体地说涉及一种可以应用在灾害救援中的模块化机器 人。
背景技术：
近年来我国及世界范围内地震、火灾、洪水等自然灾害频发。尤其在今年5月12 号发生的8. 0级汶川大地震中有69207遇难。抗震救灾过程中许多救援行动，因为救援现 场情况复杂而搁浅。其中大多由于救援人员无法进入狭小危险的废墟中为幸存者提供有效 的帮助。将机器人技术、营救行动技术、灾难学等多学科知识有机融合，研制与开发用于搜 寻和营救的多功能灾难救援机器人，是机器人学研究中一个富有挑战性的新领域，更是新 时代背景下急需解决的新难题。于是，国内外的许多高校和研究所在救援机器人、自主救援无人机和地面移动特 种作业机器人等救援机器人技术方面开展了研究。然而现有救援、侦测设备又种类复杂，并 无一个整体系统将各种设备结合在一起实现，实现模块化的多用途应用，如将各种设备取 长补短，以技术方式将其整合为统一的、具备互换性的任务系统，必将大大加强灾害救援能 力与力度。同时，国外一些较为成熟的救援机器人造价昂贵，单价均在数十万美元以上，不 适合大量装备，及灾害发生时大规模使用，难以适应中国国情。为适应多种空间环境与任务需求，机器人需要具备各种地形的适应能力和各种功 能组件的兼容性与互换性。现有灾害机器人的研究可分为单一机械本体，分布式控制两大 方向。单一机械本体的多用途救援机器人机械体系固定，底盘模式单一，负载能力强。此 方式发展较早，较为成熟，多为针对特殊的场合设计，由于固定的底盘模式，无法适应多种 环境与不同任务功能的快速切换。而多机器人系统可实现机械外形的自组与重构。此种机器人多由若干个外形相 同、功能各异的子机器人构成，并根据不同的环境进行组装，以适应不同需求。但是由于自 身结构特点，负载能力较小。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用在灾害救援中，具有单一本体式且具有强负载能力 又兼备多机器人的灵活互换性的机器人。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案本发明包括六边形的主体模块以及位于主体模块上的机械臂，主体模块与移动机 构相连接；上述的主体模块包括利用总线技术进行相互通信的识别单元、运动控制单元、通 信单元和总控单元，其中，识别单元识别移动机构的移动方式，运动控制单元根据该移动方 式建立运动学模型并驱动移动机构运动；机械臂的本体是一个具有五个自由度的机器人操 作臂，在操作臂上设有舵机和手部夹持机构，上述的舵机与总控单元相连接。
上述的移动机构包括轮式底盘模块以及与其相连接的四个轮模块，每个轮模块均 与一个电机相连接；上述的运动控制单元包括与轮模块相连接的电机及其速度传感器，电 机的输入端与电机驱动器相连接，电机驱动器的输入端连接PWM信号发生器，PWM信号发生 器的输入端连接PID控制器，PID控制器的输入端连接乘法器，所述的乘法器以速度传感器 采样的当前速度值和历史速度值作为输入信号。上述的移动机构包括履腿底盘模块以及与其相连接的四个履腿模块，四个履腿模 块对称分布。运动控制单元将轮式底盘模块和履腿底盘模块均等效为两履带运动方式建立运 动学模型。上述的移动机构包括全向轮底盘模块以及在全向轮底盘模块周向均勻分布设置 的三个90°瑞典轮。运动控制单元根据全向轮底盘模块建立运动学模型，它包括建立全局参考框架和 局部参考框架。将机械臂各关节的电位器的阻值变化经过AD转换后传给总控单元，总控单元将 其转换成相应的角度值后，传给机械臂上各关节的舵机。上述主体模块的实体架构采用光敏树脂材料，且其柱梁截面内嵌。在主体模块上设有至少一个导轨，导轨与任务模块相连接；上述的导轨是指主体 模块与任务模块的插接口。上述的任务模块为影音传送模块、生命体征探测模块、空间环境测量模块、空间位 置定位模块、医疗救护模块中的任意一种或几种组合。采用上述技术方案的本发明，采用“积木式”的模块化机械连接方案，运用独创的 机械自适应双轨道导轨以完成“即插即用”功能，以主体模块为平台实现一物多用，可根据 环境以及任务的种类快速组装多种任务模块，用最快的时间实现所需要的综合救援功能， 既具有单一本体式机器人的强负载能力又兼备多机器人系统的灵活互换性。另外，它采用 统一规格的航空插口进行线路整合，控制系统使用嵌入式微控制器实现分布式控制。系统 有机地将现有成熟技术整合，电子和程序设计采用开放式方案，因此产品更利于后续开发 及更新换代。本系统中主体模块的机械框架采用3D激光快速成型技术，使用Somos ProtoTool 20L光敏树脂材料，将数字化三维模型经由3D激光快速成型生成为实体。制造过程快捷、环 保，最大程度利用CAD与CAM的技术优势，增强机械结构性能、节约成本。经过有限元结构 计算分析，发现主体框架横梁存在应力集中点，支柱耐压能力差等缺陷。为克服此缺陷，设 计采用柱梁截面内嵌微结构技术，有效减轻重量，同时增强结构的力学性能。机器人系统采用分布式控制，采用一主机-多从机结构。其中总控单元作为主机 完成上位机通信、总线仲裁、任务调度、路径规划；运动控制单元等作为子控制器完成电机 PID闭环、外部事件相应、周围环境传感等任务。且主机与子控制器间通过高速总线连接。 采用改进型UART通信协议，由主控制器进行总线仲裁，并通过广播进行设备握手并进行数 据交换。由于仅使用两线制总线，设备间连接线数量显著减少，通过规定线制的航空插口， 快速热插拔配合机械连接实现模块化的设计。另外，本发明中自行设计出的机械臂及其操纵方式，将无线视频传输技术与多自由度示教仪相结合，提供操作者第一视角的任务视野，并可将操作者的手臂动作经由示教 设备直接控制机械臂的运动。
图1为本发明实施例1中轮式移动机构的结构图；图2为本发明主体模块的框架外形图；图3为本发明实施例1中机器人的整体结构图；图4为本发明中主体模块的电气结构框图；图5为本发明实施例1中运动控制单元的原理框图；图6为本发明实施例1中PID控制框图；图7为本发明实施例1中建立的运动学模型；图8为本发明实施例1运动学模型中计算行驶阻力的原理图；图9为本发明中机械臂的结构简图；图10为本发明中机械臂与手部夹持机构的结构示意图；图11为本发明整体的电气工作原理图；图12为本发明中主体模块的主循环流程图；图13为本发明中主体模块的工作进程图；图14为本发明实施例3中机器人的整体结构图；图15为本发明实施例3中机器人的伸展态运动姿态图；图16为本发明实施例3中机器人的单翼搭接态运动姿态图；图17为本发明实施例3中机器人的抬身态运动姿态图；图18为本发明实施例4中机器人的整体结构图；图19为本发明实施例4中建立的全局参考框架运动学模型图；图20为本发明实施例4中加上局部参考框架的运动学模型图；图21为本发明实施例6中机器人的整体结构图；图22为本发明实施例7中任务模块的工作流程图。
具体实施例方式实施例1如图1、图3所示，本实施例包括六边形的主体模块1以及位于主体模块1上的机 械臂4，主体模块1通过航空插头与移动机构3相连接，在本实施例中，移动机构3采用轮 式移动机构。其中，主体模块1为各移动机构3提供动力及总控，像心脏与大脑一样，保证 整体的正常运行。并且航空插头连接后，主体模块1会自动识别移动机构3的移动底盘方 式，从而应用相应的移动程序，达到“即插即用”的效果。这种模块化设计，可以根据不同的 救援环境改变移动机构，选择适应该环境的移动机构，从而可以最大程度上发挥救援机器 人的功效，有效的提高其利用效率。如图2所示，在本发明中，主体模块1采用六边形作为本体核心模块框架外形。首 先，六边形空间利用率高。从蜂房中采用六边形作为基础形态可知，本体模块1采用六边形 外框架可以充分增大内部空间，同时与外界插接时有效减少空间占用；其次，六边形结构稳固，力学性能好，这一点从晶体中六边形结构较为稳固就可以看出。在实际设计中，采用有 限元分析软件COSMOS Works进行结构设计分析，优化设计出最为合适的六边形外框架，使 得其强度、刚度、抗压能力优异，同时重量轻、造价合理，满足设计要求。如图4所示，从内部电气控制上来讲，主体模块1包括利用总线技术进行相互通信 的识别单元、运动控制单元、通信单元和总控单元，其中，识别单元识别移动机构3的移动 方式，运动控制单元根据该移动方式建立运动学模型并驱动移动机构3运动；总控单元对 整体系统实施监控；通信单元提供通信协议，负责系统内部各个功能单元之间的通信和系 统与外部指令设备的通信工作。在本实施例中，移动机构3采用轮式移动机构。如图1所示，移动机构3包括轮式 底盘模块5以及与其相连接的四个轮模块6，每个轮模块6均与一个电机12相连接。其中 轮式底盘模块5采用差动驱动，它们对四个电机12进行独立驱动，此种驱动方式不但可以 提供强劲的驱动能力，也拥有强大的越障和爬坡能力，特别适合室外的应用。在采用轮式移动机构的基础上，本实施例的运动控制单元如图5所示，该控制采 用的是闭环伺服控制，可以保证电机比较准确地运行，它包括与轮模块6相连接的电机12 及其速度传感器，电机的输入端与电机驱动器相连接，电机驱动器的输入端连接PWM信号 发生器，PWM信号发生器的输入端连接PID控制器，PID控制器的输入端连接乘法器，上述的 乘法器以速度传感器采样的当前速度值η(t)和历史速度值Iitl(t)作为输入信号。一侧轮子的等速控制采用的是PID控制器，即将偏差的比例P、积分I和微分D通 过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制。模拟系统中PID算法的表达式为P{t)=K\e{t) + ^\e{t)dt + TD^-_ 1Iat J⑴式(1)中P(t)为调节器的输出；e(t)为调节器的偏差信号，等于测量值与给定 值之差；κρ为调节器的比例系数Ji为调节器的积分时间；Td为调节器的微分时间。计算机控制是一种采样控制，只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量，所以必 须先对上式进行离散化处理，积分项可用求和表达式表示，微分项可用增量表达式表示\"oe{t)dt = X e(i)M =Tfj e(i)/=0 /=0dejt) ~ e(k) - e{k - 1) _ e(h) - e{k - 1) dtAt 一T将上面二式代入(1)式可得到用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程
权利要求
1.一种模块化的灾害救援机器人，其特征在于它包括六边形的主体模块(1)以及位 于主体模块⑴上的机械臂，主体模块⑴与移动机构⑶相连接；所述的主体模块⑴ 包括利用总线技术进行相互通信的识别单元、运动控制单元、通信单元和总控单元，其中， 识别单元识别移动机构(3)的移动方式，运动控制单元根据该移动方式建立运动学模型并 驱动移动机构(3)运动；所述机械臂(4)的本体是一个具有五个自由度的机器人操作臂，在 操作臂上设有舵机和手部夹持机构(13)，所述的舵机与总控单元相连接。
2.根据权利要求1所述模块化的灾害救援机器人，其特征在于所述的移动机构(3) 包括轮式底盘模块( 以及与其相连接的四个轮模块(6)，每个轮模块(6)均与一个电机相 连接；所述的运动控制单元包括与轮模块(6)相连接的电机及其速度传感器，电机的输入 端与电机驱动器相连接，电机驱动器的输入端连接PWM信号发生器，PWM信号发生器的输入 端连接PID控制器，PID控制器的输入端连接乘法器，所述的乘法器以速度传感器采样的当 前速度值和历史速度值作为输入信号。
3.根据权利要求1所述模块化的灾害救援机器人，其特征在于所述的移动机构(3) 包括履腿底盘模块(7)以及与其相连接的四个履腿模块(8)，四个履腿模块( 对称分布。
4.根据权利要求2或3所述模块化的灾害救援机器人，其特征在于运动控制单元将 轮式底盘模块和履腿底盘模块均等效为两履带运动方式建立运动学模型。
5.根据权利要求1所述模块化的灾害救援机器人，其特征在于所述的移动机构(3) 包括全向轮底盘模块⑶)以及在全向轮底盘模块⑶)周向均勻分布设置的三个90°瑞典轮 (10)。
6.根据权利要求5所述模块化的灾害救援机器人，其特征在于运动控制单元根据全 向轮底盘模块建立运动学模型，它包括建立全局参考框架和局部参考框架。
7.根据权利要求1所述模块化的灾害救援机器人，其特征在于将机械臂(4)各关节 的电位器的阻值变化经过AD转换后传给总控单元，总控单元将其转换成相应的角度值后， 传给机械臂(4)上各关节的舵机。
8.根据权利要求1所述模块化的灾害救援机器人，其特征在于所述主体模块(1)的 实体架构采用光敏树脂材料，且其柱梁截面内嵌。
9.根据权利要求1 8任一所述模块化的灾害救援机器人，其特征在于在主体模块 (1)上设有至少一个导轨(11)，导轨(11)与任务模块⑵相连接；所述的导轨(11)是指主 体模块(1)与任务模块O)的插接口。
10.根据权利要求8所述模块化的灾害救援机器人，其特征在于所述的任务模块(2) 为影音传送模块、生命体征探测模块、空间环境测量模块、空间位置定位模块、医疗救护模 块中的任意一种或几种组合。
全文摘要
本发明公开了一种模块化的灾害救援机器人，它包括六边形的主体模块以及位于主体模块上的机械臂，主体模块与移动机构相连接；主体模块包括利用总线技术进行相互通信的识别单元、运动控制单元、通信单元和总控单元，识别单元识别移动机构的移动方式，运动控制单元根据该移动方式建立运动学模型并驱动移动机构运动；机械臂的本体是一个具有五个自由度的机器人操作臂，在操作臂上设有舵机和手部夹持机构，舵机与总控单元相连接。本发明采用“积木式”的模块化机械连接方案，运用机械自适应双轨道导轨以完成“即插即用”功能，以主体模块为平台实现一物多用，可根据环境以及任务的种类快速组装多种任务模块。
文档编号A62B99/00GK102039589SQ20091017247
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月16日 优先权日2009年10月16日
发明者张凯, 张晨峰, 李俊, 李路, 王清川 申请人:李路
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