一种两栖微型四足机器人转向控制方法与流程

本发明属于机器人领域，涉及一种微型机器人的控制方法，更具体地说，涉及一种两栖用微型四足机器人的转向控制方法。

背景技术：

随着人类对海洋资源的开发利用和海洋科学相关研究的深化与发展，海洋与陆地交界的过渡地带成为近年来科学研究、环境监控、调查分析及军事侦察等方面应用和关注的重点区域之一。水陆两栖机器人作为一种能够在陆地、水中及水陆过渡地带开展各种作业任务的有效技术手段，正吸引着全世界越来越多国家科技人员的研究和探索。对于两栖微型机器人，其不仅能够完成两栖机器人能够实现的水中、陆地两种环境下的工作，而且由于其体积微小，隐蔽性高，且能够穿越微型空间，能够完成特定的检测与侦查任务。

目前的两栖微型机器人的主要存在以下问题：(1)陆地和水中分离的驱动和执行机构，使得机器人的效率极其低下；(2)对不同陆地和水中的运动，需要采用不同的执行机构，造成机器人体积过大，机构复杂，进而使得隐蔽性差；(3)需要利用多个动力源来提供动力，增大了机器人重量，同时造成装置体积过大；(4)机构的构造为刚性结构，柔顺性差，同时也加大了噪音，降低了隐蔽性；(5)机器人的控制复杂，对于微型机器人的使用存在限制。

针对上述问题，本公司设计出了一种两栖微型四足机器人，其技术方案如下：

如图1—图7所示，一种两栖微型四足机器人，包括本体1、动力机构2、划臂机构a3、划臂机构b4、划臂机构c5、划臂机构d6、摆尾机构7、摆尾动力机构8、电源模块9、控制模块10、通信传感模块11、浮沉调节器12，所述的动力机构2设置在本体1上，所述的划臂机构a3、划臂机构b4、划臂机构c5、划臂机构d6分别设置在本体1的两侧，且对称布置，所述的摆尾机构7设置在本体1的末端，所述的摆尾动力机构8设置在本体1上靠近摆尾机构7的一端，所述的电源模块9、控制模块10、通信传感模块11、浮沉调节器12设置在本体1上。所述的动力机构2由腔体21、左振动盘22、电磁调节杆23、右振动盘24、电机25、驱动单元a26、驱动单元b27、驱动单元c28、驱动单元d29组成，所述的腔体21设置有左振动盘22和右振动盘24，所述的左振动盘22通过电磁调节杆23与右振动盘24相连，所述的右振动盘24与电机25相连，所述的电机固定在腔体21上，所述的驱动单元a26和驱动单元b27分别设置在左振动盘22的上侧和下侧，所述的驱动单元c28、驱动单元d29分别设置在右振动盘24的上侧和下侧；所述的驱动单元a26由活动膜210、复位弹簧211、压力腔212、空心管213、控制阀214组成，所述的活动膜210固定在腔体21内壁上，并与腔体21内壁组成压力腔212，所述的压力腔212内设置复位弹簧211，复位弹簧211的两端分别与腔体21内壁和活动膜210相连，所述的空心管213、控制阀214均设置在腔体21外壁上，并与压力腔212连通；所述的划臂机构a3由摆动臂31、驱动缸32、柔性铰链33组成，所述的摆动臂31通过柔性铰链33与本体1相连，所述的驱动缸32的一端与摆动臂31相连，另一端与本体1相连。

所述的摆尾机构7由摆尾连杆71、上摆动缸72、下摆动缸73、摆尾叶片74组成，所述的摆尾连杆71通过柔性铰链与本体1相连，所述的上摆动缸72、下摆动缸73对称布置，且两者的一端与摆尾连杆71相连，两者的另一端与本体1相连，所述的摆尾叶片74设置在摆尾连杆71的末端。所述的摆尾动力机构8由摆动用腔体81、摆动用振动盘82、摆动用电机83、摆动用驱动单元a84、摆动用驱动单元b85组成，所述的摆动用腔体81内设置有摆动用振动盘82，所述的摆动用振动盘82与摆动用电机83相连，所述的摆动用驱动单元a84、摆动用驱动单元b85分别对称设置在摆动用振动盘82的上下两侧，所述的摆动用驱动单元a84由摆动用活动膜86、摆动用复位弹簧87、摆动用压力腔88、摆动用空心管89、摆动用控制阀810组成，所述的摆动用活动膜86设置在摆动用腔体81内腔，并与内腔组成摆动用压力腔88，所述的摆动用压力腔88内设置有摆动用复位弹簧87，所述的摆动用空心管89、摆动用控制阀810设置在摆动用腔体81外侧，其均与摆动用压力腔88连通，所述的摆动用驱动单元b85与摆动用驱动单元a84的结构相同，且两者的摆动用空心管89分别与上摆动缸72、下摆动缸73相连。

所述的驱动单元b27、驱动单元c28、驱动单元d29与驱动单元a26的结构相同；所述的划臂机构b4、划臂机构c5、划臂机构d6与划臂机构a3的结构相同，所述的驱动单元a26、驱动单元b27、驱动单元c28、驱动单元d29中的空心管213分别与划臂机构a3、划臂机构b4、划臂机构c5、划臂机构d6中的任意一个驱动缸32相连。所述的浮沉调节器12由调节器壳体121、空气舱122、弹性膜123、储水舱124、微型水泵125组成，所述的弹性膜123设置在调节器壳体121内壁，并将浮沉调节器12内腔分隔成空气舱122和储水舱124，所述的微型水泵125固定在调节器壳体121上，并与储水舱124连通。所述的浮沉调节器12数量为2个，分别布置在本体1的前端和后端。所述的左振动盘22、右振动盘24、摆动用振动盘82的转动轴均采用偏心设置。

该方案通过仿生学结构设计，将机器人设计为四足及尾部的结构形式，并可以根据具体的环境选择不同的运动模式，采用全新的动力源设计，利用单一的电机来提供微型机器人四足的运动控制，利用全新的动力体系和全新的运动关节来实现两栖运动。该方案结构柔顺性好、噪音低、控制简单、工作模式多样化。

该方案的实现依赖于其控制方式，因此其控制方法成为实现其预定功能的关键因素，为实现该机器人在陆地运动时的控制，需要设计其具体的控制方法，但目前还未出现针对该机器人具体的陆地运动控制方法。

技术实现要素：

1.本发明要解决的问题

针对上述问题，本发明提供了一种两栖微型四足机器人转向控制方法，包括前足转向控制方法、后足转向控制方法、协同转向控制方法、尾部静态转向控制方法、尾部摆动转向控制方法和综合转向控制方法。本发明为两栖微型四足机器人在不同场景的不同需求下提供了具体的控制方法，所提供的多种机器人转向控制方法，设计新颖，简单易行，控制可靠。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种两栖微型四足机器人转向控制方法，包括前足转向控制方法、后足转向控制方法、协同转向控制方法、尾部静态转向控制方法、尾部摆动转向控制方法和综合转向控制方法。

所述的前足转向控制方法的控制过程如下：

(1)打开通信传感模块，接收控制中心控制信号，并将控制信号输入至控制模块；

(2)控制模块开始工作，并通过控制信号控制驱动单元a和驱动单元b中的控制阀，利用电磁力改变控制阀的开口大小；

(3)根据机器人转向幅度的控制需求，利用驱动单元a和驱动单元b中的控制阀改变驱动单元a和驱动单元b中的压力腔内气体量，实现对机器人的转向角度进行在线调节，控制阀调节驱动单元a和驱动单元b中的压力腔内气体的体积差为：

其中，δv为控制阀调节驱动单元a和驱动单元b中的压力腔内气体的体积差，π为圆周率，d为驱动缸的活塞直径，l为机器人前足与本体的连接处到后足与本体的连接处之间的距离，b为机器人左前足与本体的连接处到右前足与本体的连接处之间的距离，θ为机器人转向的角度值；

(4)若机器人左转，δv取正值，若机器人右转，δv取负值；

(5)通信传感模块将转向后的信号传递至控制中心。

所述的后足转向控制方法的控制过程如下：

(1)打开通信传感模块，接收控制中心控制信号，并将控制信号输入至控制模块；

(2)控制模块开始工作，并通过控制信号控制驱动单元c和驱动单元d中的控制阀，利用电磁力改变控制阀的开口大小；

(3)根据机器人转向幅度的控制需求，利用驱动单元c和驱动单元d中的控制阀改变驱动单元c和驱动单元d中的压力腔内气体量，实现对机器人的转向角度进行在线调节，控制阀调节驱动单元c和驱动单元d中的压力腔内气体的体积差为：

其中，δv为控制阀调节驱动单元c和驱动单元d中的压力腔内气体的体积差，π为圆周率，d为驱动缸的活塞直径，l为机器人前足与本体的连接处到后足与本体的连接处之间的距离，b为机器人左前足与本体的连接处到右前足与本体的连接处之间的距离，θ为机器人转向的角度值；

(4)若机器人左转，δv取负值，若机器人右转，δv取正值；

(5)通信传感模块将转向后的信号传递至控制中心。

所述的协同转向控制方法的控制过程如下：

(1)打开通信传感模块，接收控制中心控制信号，并将控制信号输入至控制模块；

(2)控制模块开始工作，通过控制信号控制驱动单元a和驱动单元b中的控制阀，利用电磁力改变控制阀的开口大小；同时通过控制信号控制驱动单元c和驱动单元d中的控制阀，并改变控制阀的开口大小；

(3)根据机器人转向幅度的控制需求，利用驱动单元a和驱动单元b中的控制阀改变驱动单元a和驱动单元b中的压力腔内气体量，利用驱动单元c和驱动单元d中的控制阀改变驱动单元c和驱动单元d中的压力腔内气体量，驱动单元a和驱动单元b中的压力腔内气体量差值为δv，驱动单元c和驱动单元d中的压力腔内气体量差值δv，δv和δv数值相同，正负符号相反，且为

其中，δv为驱动单元a和驱动单元b中的压力腔内气体量差值，δv为驱动单元c和驱动单元d中的压力腔内气体量差值，π为圆周率，d为驱动缸的活塞直径，l为机器人前足与本体的连接处到后足与本体的连接处之间的距离，b为机器人左前足与本体的连接处到右前足与本体的连接处之间的距离，θ为机器人转向的角度值；

(4)若机器人左转，δv取正值，δv为取负值，若机器人右转，δv取负值，δv为取正值；

(5)通信传感模块将转向后的信号传递至控制中心。

所述的尾部静态转向控制方法的控制过程如下：

(1)打开通信传感模块，接收控制中心控制信号，并将控制信号输入至控制模块；

(2)控制模块开始工作，通过控制信号控制摆动用电机，摆动用电机开始旋转并带动摆动用振动盘运动，摆动用电机的初始角度为振动盘的偏心连接点与其几何中心点的连线处于水平状态时的角度，摆动用电机转动的角度为：

其中，δα为摆动用电机转动的角度增量，r为振动盘的直径，r为振动盘的偏心距，h为振动盘在摆动用电机轴线方向上的长度，a为上摆动缸中的活塞杆与本体的连接处到下摆动缸中的活塞杆与本体的连接处的距离，c为上摆动缸或下摆动缸连同其中的活塞杆的总长度，d上摆动缸或下摆动缸的直径，θ为摆尾连杆与本体的初始夹角，δθ为摆尾连杆与本体的夹角的变化量；

(3)摆动用电机保持该转动角度不变，使得压力腔内气压保持恒定，进而上摆动缸和下摆动缸在气压的不变的情况下处于锁止状态，维持摆尾连杆处于特定角度；

(4)通信传感模块将转向后的信号传递至控制中心。

所述的尾部摆动转向控制方法的控制过程如下：

(1)打开通信传感模块，接收控制中心控制信号，并将控制信号输入至控制模块；

(2)控制模块开始工作，通过控制信号控制摆动用驱动单元a和摆动用驱动单元b中的摆动用控制阀，利用电磁力改变摆动用控制阀的开口大小；

(3)根据机器人转向幅度的控制需求，利用摆动用驱动单元a和摆动用驱动单元b中的摆动用控制阀改变摆动用驱动单元a和摆动用驱动单元b中的摆动用压力腔内气体量，实现对机器人的尾部摆动角度的控制，摆动用驱动单元a和摆动用驱动单元b中的摆动用压力腔内气体量体积差为：

其中，δv为摆动用驱动单元a和摆动用驱动单元b中的摆动用压力腔内气体量体积差，π为圆周率，d上摆动缸或下摆动缸的直径，a为上摆动缸中的活塞杆与本体的连接处到下摆动缸中的活塞杆与本体的连接处的距离，c为上摆动缸或下摆动缸连同其中的活塞杆的总长度，θ为摆尾连杆与本体的初始夹角，δθ为摆尾连杆与本体的夹角的变化量；

(4)控制模块通过控制信号控制摆动用电机，摆动用电机开始旋转并带动摆动用振动盘运动，从而带动压力腔内气压开始往复变化；

(5)上摆动缸和下摆动缸在气压的变动下，带动摆尾连杆运动；

(6)通信传感模块将转向后的信号传递至控制中心。

所述的综合转向控制方法为同时应用前足转向控制方法和尾部静态转向控制方法，或同时应用前足转向控制方法和尾部摆动转向控制方法，或同时应用后足转向控制方法和尾部静态转向控制方法，或同时应用后足转向控制方法和尾部摆动转向控制方法，或同时应用协同转向控制方法和尾部静态转向控制方法，或同时应用协同转向控制方法和尾部摆动转向控制方法。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明采用仿生学设计，将机器人设计为四足及尾部的结构形式，可以利用其四足的步幅调节及尾部的运动变化，完成机器人的转向控制，从而实现多种模式下的高效、快速转向，并提高了稳定性。

(2)本发明提供的前足转向和后足转向控制方法，能够根据机器人的转向需求，利用运动过程中步幅差来实现缓慢稳定的转向，一定时间后机器人完成转向，并达到预定的运动方向，转向稳定可靠。

(3)本发明提供的尾部静态转向利用尾部产生阻力来完成转向，将转向的动力从四足中分离出来，单独利用尾部进行转向，转向更为直接，转向效率高，控制更为便捷；而尾部摆动转向，在利用尾部产生推力的同时，利用左右的推力差来完成对机器人转向的控制，其转向速度低于静态转向，但能源利用率高于静态转向，适合在非紧急转向场合下利用，能够大大提高能源利用率；尾部静态转向和尾部摆动转向尤其适用于机器人在水中游动时的方向控制，能够充分利用水动力来完成转向，其转向的能量损失远低于陆地转向的情况。

(4)本发明提供的协同转向和综合转向，其摒弃利用单一方式进行转向控制，采用多个方式进行联动转向，大大提高了转向速度，在四足及尾部的联动作用下，能够快速地完成机器人转向，尤其适用于紧急转向场合下的应用。

(5)本发明提供的机器人转向控制方法，不仅能够对机器人转向的速度进行调节，而且可以对机器人的转向幅度进行控制，控制方式具有多样化和新颖性，能够帮助机器人高效、稳定地完成转向控制。

(6)本发明创新性地将机器人的转向控制融合到机器人动力源设计中，仅通过对动力源的控制，可以实现转向的速度和幅度的控制，简化了机器人结构和控制方式。

(7)本发明所提供的多种机器人转向控制方法，设计新颖，简单易行，控制可靠。

附图说明

图1为本发明所需控制的机器人的结构示意图；

图2为图1中划臂机构a3的结构图；

图3为图1中动力机构2的结构图；

图4为图3中驱动单元a26的结构图；

图5为图1中摆尾机构7的结构图；

图6为图1中摆尾动力机构8的结构图；

图7为图1中浮沉调节器12的结构图。

附图中：1—本体，2—动力机构，3—划臂机构a，4—划臂机构b，5—划臂机构c，6—划臂机构d，7—摆尾机构，8—摆尾动力机构，9—电源模块，10—控制模块，11—通信传感模块，12—浮沉调节器，21—腔体，22—左振动盘，23—电磁调节杆，24—右振动盘，25—电机，26—驱动单元a，27—驱动单元b，28—驱动单元c，29—驱动单元d，210—活动膜，211—复位弹簧，212—压力腔，213—空心管，214—控制阀，31—摆动臂，32—驱动缸，33—柔性铰链，71—摆尾连杆，72—上摆动缸，73—下摆动缸，74—摆尾叶片，81—摆动用腔体，82—摆动用振动盘，83—摆动用电机，84—摆动用驱动单元a，85—摆动用驱动单元b，86—摆动用活动膜，87—摆动用复位弹簧，88—摆动用压力腔，89—摆动用空心管，810—摆动用控制阀，121—调节器壳体，122—空气舱，123—弹性膜，124—储水舱，125—微型水泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

一种两栖微型四足机器人转向控制方法，包括前足转向控制方法、后足转向控制方法、协同转向控制方法、尾部静态转向控制方法、尾部摆动转向控制方法和综合转向控制方法。

所述的前足转向控制方法的控制过程如下：

(1)打开通信传感模块11，接收控制中心控制信号，并将控制信号输入至控制模块10；

(2)控制模块10开始工作，并通过控制信号控制驱动单元a26和驱动单元b27中的控制阀214，利用电磁力改变控制阀214的开口大小；

(3)根据机器人转向幅度的控制需求，利用驱动单元a26和驱动单元b27中的控制阀214改变驱动单元a26和驱动单元b27中的压力腔212内气体量，实现对机器人的转向角度进行在线调节，控制阀214调节驱动单元a26和驱动单元b27中的压力腔212内气体的体积差为：

其中，δv为控制阀214调节驱动单元a26和驱动单元b27中的压力腔212内气体的体积差，π为圆周率，d为驱动缸32的活塞直径，l为机器人前足与本体1的连接处到后足与本体1的连接处之间的距离，b为机器人左前足与本体1的连接处到右前足与本体1的连接处之间的距离，θ为机器人转向的角度值；

(4)若机器人左转，δv取正值，若机器人右转，δv取负值；

(5)通信传感模块11将转向后的信号传递至控制中心。

所述的后足转向控制方法的控制过程如下：

(1)打开通信传感模块11，接收控制中心控制信号，并将控制信号输入至控制模块10；

(2)控制模块10开始工作，并通过控制信号控制驱动单元c28和驱动单元d29中的控制阀214，利用电磁力改变控制阀214的开口大小；

(3)根据机器人转向幅度的控制需求，利用驱动单元c28和驱动单元d29中的控制阀214改变驱动单元c28和驱动单元d29中的压力腔212内气体量，实现对机器人的转向角度进行在线调节，控制阀214调节驱动单元c28和驱动单元d29中的压力腔212内气体的体积差为：

其中，δv为控制阀214调节驱动单元c28和驱动单元d29中的压力腔212内气体的体积差，π为圆周率，d为驱动缸32的活塞直径，l为机器人前足与本体1的连接处到后足与本体1的连接处之间的距离，b为机器人左前足与本体1的连接处到右前足与本体1的连接处之间的距离，θ为机器人转向的角度值；

(4)若机器人左转，δv取负值，若机器人右转，δv取正值；

(5)通信传感模块11将转向后的信号传递至控制中心。

所述的协同转向控制方法的控制过程如下：

(1)打开通信传感模块11，接收控制中心控制信号，并将控制信号输入至控制模块10；

(2)控制模块10开始工作，通过控制信号控制驱动单元a26和驱动单元b27中的控制阀214，利用电磁力改变控制阀214的开口大小；同时通过控制信号控制驱动单元c28和驱动单元d29中的控制阀214，并改变控制阀214的开口大小；

(3)根据机器人转向幅度的控制需求，利用驱动单元a26和驱动单元b27中的控制阀214改变驱动单元a26和驱动单元b27中的压力腔212内气体量，利用驱动单元c28和驱动单元d29中的控制阀214改变驱动单元c28和驱动单元d29中的压力腔212内气体量，驱动单元a26和驱动单元b27中的压力腔212内气体量差值为δv1，驱动单元c28和驱动单元d29中的压力腔212内气体量差值δv2，δv1和δv2数值相同，正负符号相反，且为

其中，δv1为驱动单元a26和驱动单元b27中的压力腔212内气体量差值，δv2为驱动单元c28和驱动单元d29中的压力腔212内气体量差值，π为圆周率，d为驱动缸32的活塞直径，l为机器人前足与本体1的连接处到后足与本体1的连接处之间的距离，b为机器人左前足与本体1的连接处到右前足与本体1的连接处之间的距离，θ为机器人转向的角度值；

(4)若机器人左转，δv1取正值，δv2为取负值，若机器人右转，δv1取负值，δv2为取正值；

(5)通信传感模块11将转向后的信号传递至控制中心。

所述的尾部静态转向控制方法的控制过程如下：

(1)打开通信传感模块11，接收控制中心控制信号，并将控制信号输入至控制模块10；

(2)控制模块10开始工作，通过控制信号控制摆动用电机83，摆动用电机83开始旋转并带动摆动用振动盘82运动，摆动用电机83的初始角度为振动盘82的偏心连接点与其几何中心点的连线处于水平状态时的角度，摆动用电机83转动的角度为：

其中，δα为摆动用电机83转动的角度增量，r为振动盘82的直径，r为振动盘82的偏心距，h为振动盘82在摆动用电机83轴线方向上的长度，a为上摆动缸72中的活塞杆与本体1的连接处到下摆动缸73中的活塞杆与本体1的连接处的距离，c为上摆动缸72或下摆动缸73连同其中的活塞杆的总长度，d上摆动缸72或下摆动缸73的直径，θ为摆尾连杆71与本体1的初始夹角，δθ为摆尾连杆71与本体1的夹角的变化量；

(3)摆动用电机83保持该转动角度不变，使得压力腔88内气压保持恒定，进而上摆动缸72和下摆动缸73在气压的不变的情况下处于锁止状态，维持摆尾连杆71处于特定角度；

(4)通信传感模块11将转向后的信号传递至控制中心。

所述的尾部摆动转向控制方法的控制过程如下：

(1)打开通信传感模块11，接收控制中心控制信号，并将控制信号输入至控制模块10；

(2)控制模块10开始工作，通过控制信号控制摆动用驱动单元a84和摆动用驱动单元b85中的摆动用控制阀810，利用电磁力改变摆动用控制阀810的开口大小；

(3)根据机器人转向幅度的控制需求，利用摆动用驱动单元a84和摆动用驱动单元b85中的摆动用控制阀810改变摆动用驱动单元a84和摆动用驱动单元b85中的摆动用压力腔88内气体量，实现对机器人的尾部摆动角度的控制，摆动用驱动单元a84和摆动用驱动单元b85中的摆动用压力腔88内气体量体积差为：

其中，δv为摆动用驱动单元a84和摆动用驱动单元b85中的摆动用压力腔88内气体量体积差，π为圆周率，d上摆动缸72或下摆动缸73的直径，a为上摆动缸72中的活塞杆与本体1的连接处到下摆动缸73中的活塞杆与本体1的连接处的距离，c为上摆动缸72或下摆动缸73连同其中的活塞杆的总长度，θ为摆尾连杆71与本体1的初始夹角，δθ为摆尾连杆71与本体1的夹角的变化量；

(4)控制模块10通过控制信号控制摆动用电机83，摆动用电机83开始旋转并带动摆动用振动盘82运动，从而带动压力腔88内气压开始往复变化；

(5)上摆动缸72和下摆动缸73在气压的变动下，带动摆尾连杆71运动；

(6)通信传感模块11将转向后的信号传递至控制中心。

所述的综合转向控制方法为同时应用前足转向控制方法和尾部静态转向控制方法，或同时应用前足转向控制方法和尾部摆动转向控制方法，或同时应用后足转向控制方法和尾部静态转向控制方法，或同时应用后足转向控制方法和尾部摆动转向控制方法，或同时应用协同转向控制方法和尾部静态转向控制方法，或同时应用协同转向控制方法和尾部摆动转向控制方法。