本发明属于机器人领域和工程仿生领域，具体涉及一种具有人-机-环境共融特征的仿鸵鸟机器人控制系统。
背景技术
随着应用领域的不断拓宽，机器人其面临的环境日益复杂多变。因此，机器人不仅需要提高环境适应能力来提高其环境适应能力，同时还需要提高人机交互能力来提高其可操作性。现有的机器人大多是针对平整、软硬程度单一的硬地面设计的，如日本本田公司的机器人asimo。机器人足端形貌一般为规则的单一整体，如美国波士顿动力公司bigdog机器人足端为单一圆柱体。此外，多数机器人缺乏人机交互界面，往往只能实现单一的运行模式。
双足仿生机器人由于具有人类的外形特征，更容易适应人类生活环境，可以代替人类执行特定的任务，如美国agilityrobotics公司的cassie，是未来与人类友好共处的先进机器人的重要代表，具有广阔的应用前景。
鸵鸟是地球上现存奔跑速度最快的双足动物，长期生活在沙漠和陆地，其飞行器官已经退化，能以60km/h的速度奔跑超过30min以上，冲刺速度可以达到70km/h，而百米飞人博尔特最快也仅能达到约38km/h。
鸵鸟足端经过长期进化，只剩下第ⅲ、ⅳ趾，第ⅲ趾为主要支撑趾，第ⅳ趾为辅助支撑趾。其足底特殊的曲面形貌能够有效地适应沙地环境，具有固流限沙的作用，能够有效提高足端的牵引力。
针对目前存在的问题，本发明设计了能够实现人-机-环境共融仿鸵鸟控制系统。通过足底压力采集系统和摄像头监控系统能够实现对环境变化的反馈，提高其环境适应能力。通过多模式控制系统、状态显示系统，可以实现对机器人实时状态的掌控和及时的调整，提高其可操作性。同时，本发明结合了鸵鸟足底特殊的曲面形貌和二趾动作机理，能够有效提高结构稳定性和运动速度。
技术实现要素：
本发明提供一种具有人-机-环境共融特征的仿鸵鸟机器人控制系统。
本发明包括有stm32控制中心、摄像头监控系统、足底压力采集系统、状态显示系统、远程pc或者手机端、stc12c5a60s2运动控制系统和舵机执行系统，远程pc或者手机端通过wifi信号与stm32控制中心连接，摄像头监控系统通过i2c总线与stm32控制中心双向连接，足底压力采集系统通过adc接口与stm32控制中心连接，stm32控制中心通过i/o口与状态显示系统连接，stm32控制中心通过usart串口与stc12c5a60s2运动控制系统连接，stc12c5a60s2运动控制系统通过通过pwm信号与舵机执行系统连接，摄像头监控系统与远程pc或者手机端之间通过物联网连接。
所述的足底压力采集系统包括第一薄膜压力传感器、第二薄膜压力传感器和第五薄膜压力传感器、第六薄膜压力传感器、第三薄膜压力传感器、第七薄膜压力传感器、第四薄膜压力传感器、第八薄膜压力传感器；第一薄膜压力传感器、第二薄膜压力传感器和第五薄膜压力传感器和第六薄膜压力传感器分别用来测量对应足底内、外测压差，用来判定仿鸵鸟机器人运动的稳定性；第三薄膜压力传感器和第七薄膜压力传感器位于足底曲面的凹陷处，用于判断机器人所处环境的松软状况进而对机器人运行速度和第四趾的位置做出调整，地面越松软，足端下陷越严重，传感器压力值越大。第四薄膜压力传感器和第八薄膜压力传感器位于足端后跟处，用来判断足底是否触地。
本发明的工作过程
本发明具有三种控制模式，分别是离线模式、主动模式和调试模式，可以根据操作者的要求，通过远程pc或者手机wifi信号实现自由切换。离线模式下，机器人摄像头监控系统和足底压力采集系统感知地面松软程度和周围环境的变化，由stm32控制中心实现自主判断，完成速度和姿态调整，并通过状态显示系统：蜂鸣器、led灯、远程pc或手机端实现状态监测。主动模式下，机器人能根据操作者的指令，做出速度和姿态调整，解决机器人离线模式下无法自主判断的问题。调试模式下，操作者能实现步态设计和判断程序加载。
本发明的有益效果：
本发明能够实现人-机-环境共融。通过足底压力采集系统和摄像头监控系统能够实现对环境变化的反馈，提高机器人环境适应能力。通过多控制模式和状态显示系统：蜂鸣器、led灯、远程pc或手机端，实现机器人状态的实时调控和监测，提高机器人的人机交互能力。
本发明有三种控制模式，分别是离线模式、主动模式和调试模式，可以根据机器人的运行状态和操作者的要求，通过远程pc或者手机wifi信号实现自由切换。
本发明摄像头监控系统能实时查看周围环境状态，当视野内有物体运动，监控系统进行录像，并通过物联网传送到远程pc或者手机端，实现对周围环境的远程监控。足底压力采集系统系统结合鸵鸟足端特殊曲面形貌和二趾动作机理，能够实时感知地面松软程度的变化，并且有效适应沙地环境和增大足端的牵引力。
附图说明
图1为本发明的控制系统框图。
图2为本发明的三种控制模式以及实现的功能框图。
图3为本发明的足端曲面形貌示意图。
图4为本发明的足底压力采集系统安装位置示意图。
图5为本发明的离线模式程序流程图
其中：1-右足承载趾；2-右足辅助趾；3-第一薄膜压力传感器；4-第二薄膜压力传感器；5-第三薄膜压力传感器；6-第四薄膜压力传感器；7-第五薄膜压力传感器；8-第六薄膜压力传感器；9-第七薄膜压力传感器；10-第八薄膜压力传感器；11-左足承载趾；12-左足辅助趾；13-stm32控制中心；14-摄像头监控系统；15-足底压力采集系统；16-状态显示系统；17-远程pc或者手机端17；18-stc12c5a60s2运动控制系统；19-舵机执行系统19。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括有stm32控制中心13、摄像头监控系统14、足底压力采集系统15、状态显示系统16、远程pc或者手机端17、stc12c5a60s2运动控制系统18和舵机执行系统19，远程pc或者手机端17通过wifi信号与stm32控制中心13连接，摄像头监控系统14通过i2c总线与stm32控制中心13双向连接，足底压力采集系统15通过adc接口与stm32控制中心13连接，stm32控制中心13通过i/o口与状态显示系统16连接，stm32控制中心13通过usart串口与stc12c5a60s2运动控制系统18连接，stc12c5a60s2运动控制系统18通过通过pwm信号与舵机执行系统19连接，摄像头监控系统14与远程pc或者手机端17之间通过物联网连接。
所述的状态显示系统16包括led灯和蜂鸣器。
如图4所示，所述的足底压力采集系统15包括第一薄膜压力传感器3、第二薄膜压力传感器4和第五薄膜压力传感器7、第六薄膜压力传感器8、第三薄膜压力传感器5、第七薄膜压力传感器9、第四薄膜压力传感器6、第八薄膜压力传感器10；第一薄膜压力传感器3、第二薄膜压力传感器4和第五薄膜压力传感器7和第六薄膜压力传感器8分别用来测量对应足底内、外测压差，用来判定仿鸵鸟机器人运动的稳定性；第三薄膜压力传感器5和第七薄膜压力传感器9位于足底曲面的凹陷处，用于判断机器人所处环境的松软状况进而对机器人运行速度和第四趾的位置做出调整，地面越松软，足端下陷越严重，传感器压力值越大。第四薄膜压力传感器6和第八薄膜压力传感器10位于足端后跟处，用来判断足底是否触地。图4是本发明的足底压力采集系统安装位置示意图，其中，1为右足承载趾，2为右足辅助趾，11为左足承载趾，12为左足辅助趾。
本发明具有离线模式、主动模式和调试模式三种工作模式。离线模式、主动模式和调试模式能根据操作者的要求，通过远程pc或者手机wifi信号实现自由切换。
离线模式下，机器人摄像头监控系统和足底压力采集系统感知地面松软程度和周围环境的变化，由stm32控制中心实现自主判断，并通过状态显示系统实现状态监控。
主动模式下，机器人能根据操作者的指令，做出相应的姿态调整，解决机器人离线模式下无法自主判断的问题。
调试模式下，操作者能实现步态设计和判断程序加载。
本发明的具体工作过程：
如图1所示，通电后，远程pc或手机端17，通过wifi设置stm32控制中心13的工作模式和决定控制系统是否工作。stm32控制中心13通过i2c总线设定摄像头监控系统14是否工作，并接受视野内是否有移动物体的反馈结果。同时，stm32控制中心13通过adc接口接收足底压力采集系统15采集的足底压力信号。根据监控反馈信号及足底压力信号，一方面通过i/o口控制led灯颜色和蜂鸣器、通过物联网来传递视频信号来显示机器人状态：另一方面通过串口usart，调stc12c5a60s2运动控制系统18里的动作程序，并通过pwm信号，控制舵机执行系统19的运作。
如图2所示，操作者可以根据机器人运行状态，通过远程pc或者手机端17的wifi信号实现自由切换。离线模式下，机器人由stm32控制中心13实现自主判断。主动模式下，机器人能根据操作者的指令，做出速度和姿态调整。调试模式下，操作者能实现步态设计和判断程序加载。
如图3，为本发明的足端曲面形貌，能有效适应沙地环境和增大足端的牵引力。
如图5所示，为本发明的离线模式程序流程图。通电后，stm32控制中心13发送信号使机器人恢复初始站立姿态，然后等待手机端wifi信号。根据wifi传送的信号，决定是否开启鸵鸟机器人动作当发出动作信号后，开始采集足底第一薄膜压力传感器3至第八薄膜压力传感器10的压力信号。根据足跟部位的薄膜压力传感器的值，判断足端是否触地。触地则开启电磁锁，压缩内弹簧，否则执行下一步。根据第一薄膜压力传感器3与第二薄膜压力传感器4之间的压差以及第五薄膜压力传感器7和第六薄膜压力传感器8之间的压差，根据zmp稳定判据，判定机器人的稳定状况；根据第三薄膜压力传感器5和第七薄膜压力传感器9的值，判断机器人所处环境的松软状况进而对机器人运行速度和第四趾的位置做出调整，使机器人能适应不同的环境。同时，蜂鸣器发出警报声，提醒操作人员运行环境将要超出机器人稳定调整范围，有摔倒的风险。最后判断机器人是否运行了20s，达到时间，则恢复初始站立姿态，等待wifi控制信号，否则继续运动。