一种具有自主避障功能的草地爬行机器人的制作方法

本发明涉及一种草地爬行机器人，特别是涉及一种具有自主避障功能的草地爬行机器人。

背景技术：

目前草地爬行机器人所处的环境大多数为有不同坡度以及地面落差的草地环境，并且草地环境还存在各种岩石障碍物和野生动物等，因此需要机器人具备较高的机动性、良好的减震性能、快速的反应能力以及能应对草地环境突发情况的能力。目前爬行机器人主要的移动方式有轮式、腿式和履带式，其中轮式机器人效率最高，但草地坡度太陡容易打滑，适应性较差，腿式机器人在草地环境不但移动效率最差，而且腿部容易陷入草地的泥沼中失去动力，履带式机器人在草地环境下具有良好的爬坡能力，但效率比较低，机身灵活性较差；另外草地爬行机器人缺乏减震系统，在有落差的草地环境中机身无法吸收来自地面的冲击能量，极其容易损坏电路设备，造成短路；而缺乏自主避障能力将极大的降低爬行机器人的灵活度，使其在草地环境中工作效率低下，无法有效完成给定的任务。本发明针对上述爬行机器人的三类问题公布了一种具有自主避障功能的草地爬行机器人，所述草地爬行机器人能在草地环境下自主避障，能够在具有坡度以及凹凸不平的草地环境下爬行，并且机身能保持稳定状态。

本发明公布了一种具有自主避障功能的草地爬行机器人，本发明轮部的轮子采用斜齿结构，能够弥补轮式机器人在草地环境适应性差以及在草地陡坡环境下轮部打滑的不足，机器人减震系统中采用空气悬挂能实时保持机身平稳，并且机身左右两侧装有超声波传感器，使机器人能够自主躲避来自机身侧面的障碍。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的爬行机器人在草地环境中不具备自主躲避障碍物、轮部抓地力低和缺乏减震的问题，从而提供了一种具有自主避障功能的草地爬行机器人。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：所述草地爬行机器人包括轮部、传动系统、减震系统、转向系统、机身和控制系统，所述轮部包含左前轮、右前轮、左后轮和右后轮，传动系统包含步进电机、传动轴、万向联轴器和减速器，减震系统包含前轮减震系统和后轮减震系统，转向系统包含舵机、舵机杆和连杆，控制系统以主控芯片stm32f429igt为主，并与步进电机驱动tb6600、舵机、左超声波传感器和右超声波传感器控制连接，机身水平设置且控制系统安装在机身上。

本发明控制过程如下：

本发明左超声波传感器探测距离20cm-400cm，右超声波传感器探测距离20cm-400cm，测量精度3mm，当机身左侧有障碍物时，左超声波传感器通过trig引脚发射最少10us的高电平信号并且自动发送8个40khz的方波，左超声波传感器接收返回的信号，并通过echo引脚输出一个高电平给主控芯片stm32f429igt的pa7引脚，主控芯片stm32f429igt通过接收来自左超声波传感器的echo引脚高电平时间，计算出机身与障碍物的距离。当机身距离与障碍物距离小于设定的阈值50cm时，主控芯片stm32f429igt通过pa4引脚给舵机43的sig引脚发送信号，控制舵机43向右转动45度，舵机43向右转动带动舵机杆42向右转动，舵机杆42向右转动带动连杆41向右移动，连杆41向右移动带动左前轮12和右前轮11同时向右转动，完成转向动作，并且主控芯片stm32f429igt驱动步进电机驱动tb6600，使步进电机驱动tb6600控制步进电机提高转速，让草地爬行机器人快速离开障碍区。

本发明具有以下有益效果：所述草地爬行机器人包括轮部、传动系统、减震系统、转向系统、机身和控制系统。本发明轮部的轮子采用斜齿结构具有爬坡能力强，减震系统中采用空气悬挂能实时保持机身平稳，并且机身左右两侧装有超声波传感器，使机器人能够自主躲避来自机身侧面的障碍。

附图说明

图1为本发明的整体结构主视图，图2是图1的俯视图，图3是本发明的整体结构示意图，图4是主控芯片stm32f429igt的原理图，图5是步进电机驱动tb6600的原理图，图6是超声波传感器hc-sr04的原理图，图7是舵机ldx-227的原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述一种具有自主避障功能的草地爬行机器人包括轮部1、传动系统2、减震系统3、转向系统4、机身5和控制系统6，所述轮部1包含左前轮12、右前轮11、左后轮14和右后轮13，传动系统2包含步进电机2-1、减速器i2-2、传动轴i2-3、万向联轴器i2-4、传动轴ii2-5、减速器ii2-6、传动轴iii2-7、万向联轴器ii2-8、传动轴iv2-9、传动轴v2-10、万向联轴器iii2-11和传动轴vi2-12，减震系统3包含前轮减震系统31和后轮减震系统32，转向系统4包含舵机43、舵机杆42和连杆41，控制系统6以主控芯片stm32f429igt为主，并与步进电机驱动tb6600、舵机43、左超声波传感器和右超声波传感器控制连接，机身5水平设置且控制系统6安装在机身5上。

本实施方式中步进电机2-1为现有技术，生产厂家为东方马达株式会社，型号为pk256-02a。

本实施方式中万向联轴器i2-4为现有技术，生产厂家为toolmate公司，型号为h783623。

本实施方式中万向联轴器ii2-8为现有技术，生产厂家为toolmate公司，型号为h783623。

本实施方式中万向联轴器iii2-11为现有技术，生产厂家为toolmate公司，型号为h783623。

本实施方式中舵机43为现有技术，生产厂家为乐幻索尔公司，型号为ldx-227。

本实施方式中控制系统6的步进电机驱动芯片为现有技术，生产厂家为telesky公司，型号为tb6600。

本实施方式中控制系统6的主控芯片为现有技术，生产厂家为正点原子公司，型号为stm32f429igt。

本实施方式中控制系统6的左超声波传感器为现有技术，生产厂家为telesky公司，型号为hc-sr04。

本实施方式中控制系统6的右超声波传感器为现有技术，生产厂家为telesky公司，型号为hc-sr04。

具体实施方式二：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述轮部1包含左前轮12、右前轮11、左后轮14和右后轮13，所述左前轮12包括左前轮i12a、左前轮ii12b、左前轮iii12c、左前三角轮系支撑架12d和左前l型支架12e，其中左前轮i12a、左前轮ii12b和左前轮iii12c通过销轴固定在左前三角轮系支撑架12d末端，左前三角轮系支撑架12d与左前l型支架12e固定连接，左前l型支架12e与机身5固定连接；

所述右前轮11包括右前轮i11a、右前轮ii11b、右前轮iii11c、右前三角轮系支撑架11d和右前l型支架11e，其中右前轮i11a、右前轮ii11b和右前轮iii11c通过销轴固定在右前三角轮系支撑架11d末端，右前三角轮系支撑架11d与右前l型支架11e固定连接，右前l型支架11e与机身5固定连接；

所述左后轮14包括左后轮i14a、左后轮ii14b、左后轮iii14c、左后三角轮系支撑架14d和左后l型支架14e，其中左后轮i14a、左后轮ii14b和左后轮iii14c通过销轴固定在左后三角轮系支撑架14d末端，左后三角轮系支撑架14d与左后l型支架14e固定连接，左后l型支架14e与机身5固定连接；

所述右后轮13包括右后轮i13a、右后轮ii13b、右后轮iii13c、右后三角轮系支撑架13d和右后l型支架13e，其中右后轮i13a、右后轮ii13b和右后轮iii13c通过销轴固定在右后三角轮系支撑架13d末端，右后三角轮系支撑架13d与右后l型支架13e固定连接，右后l型支架13e与机身5固定连接，其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述传动系统2包含步进电机2-1、减速器i2-2、传动轴i2-3、万向联轴器i2-4、传动轴ii2-5、减速器ii2-6、传动轴iii2-7、万向联轴器ii2-8、传动轴iv2-9、传动轴v2-10、万向联轴器iii2-11和传动轴vi2-12，步进电机2-1与减速器i2-2固定连接，减速器i2-2与传动轴i2-3固定连接，传动轴i2-3通过万向联轴器i2-4与传动轴ii2-5固定连接，传动轴ii2-5与减速器ii2-6固定连接，减速器ii2-6与传动轴iii2-7固定连接，传动轴iii2-7通过万向联轴器ii2-8与传动轴iv2-9固定连接，传动轴iv2-9穿过右后l型支架13e与右后三角轮系支撑架13d转动连接，减速器ii2-6与传动轴v2-10固定连接，传动轴v2-10通过万向联轴器iii2-11与传动轴vi2-12固定连接，其它与具体实施方式一相同。

本实施方式中步进电机2-1为现有技术，生产厂家为东方马达株式会社，型号为pk256-02a。

本实施方式中万向联轴器i2-4为现有技术，生产厂家为toolmate公司，型号为h783623。

本实施方式中万向联轴器ii2-8为现有技术，生产厂家为toolmate公司，型号为h783623。

本实施方式中万向联轴器iii2-11为现有技术，生产厂家为toolmate公司，型号为h783623。

具体实施方式四：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述减震系统3包含前轮减震系统31和后轮减震系统32，前轮减震系统31包含前减震支架31a、左前空气悬挂31c和右前空气悬挂31b，后轮减震系统32包含后减震支架32a、左后空气悬挂32c和右后空气悬挂32b，前减震支架31a分别与左前空气悬挂31c和右前空气悬挂31b固定连接，左前空气悬挂31c与左前l型支架12e固定连接，右前空气悬挂31b与右前l型支架11e固定连接，后减震支架32a分别与左后空气悬挂32c和右后空气悬挂32b固定连接，左后空气悬挂32c与左后l型支架14e固定连接，右后空气悬挂32b与右后l型支架13e固定连接，其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述转向系统4包含舵机43、舵机杆42和连杆41，舵机43与舵机杆42固定连接，舵机杆42与连杆41固定连接，连杆41分别与右前l型支架11e和左前l型支架12e固定连接，其它与具体实施方式一相同。

本实施方式中舵机43为现有技术，生产厂家为乐幻索尔公司，型号为ldx-227。

具体实施方式六：结合图4-图7说明本实施方式，本实施方式所述控制系统6以主控芯片stm32f429igt为主，与步进电机驱动tb6600、舵机43、左超声波传感器和右超声波传感器控制连接，主控芯片stm32f429igt的pa2、pa3引脚分别与左超声波传感器的trig和echo引脚控制连接，主控芯片stm32f429igt的pa6、pa7引脚分别与右超声波传感器的trig和echo引脚控制连接，主控芯片stm32f429igt的pa8、pa9引脚分别与步进电机驱动tb6600的dir-和pul-引脚控制连接，步进电机驱动tb6600的a+、a-、b+和b-引脚分别与步进电机21的motor1+、motor1-、motor2+和motor2-引脚控制连接，主控芯片stm32f429igt的pa4引脚与舵机43的sig引脚控制接连，其它与具体实施方式一相同。

本实施方式中步进电机2-1为现有技术，生产厂家为东方马达株式会社，型号为pk256-02a。

本实施方式中舵机43为现有技术，生产厂家为乐幻索尔公司，型号为ldx-227。

本实施方式中控制系统6的步进电机驱动芯片为现有技术，生产厂家为telesky公司，型号为tb6600。

本实施方式中控制系统6的主控芯片为现有技术，生产厂家为正点原子公司，型号为stm32f429igt。

本实施方式中控制系统6的左超声波传感器为现有技术，生产厂家为telesky公司，型号为hc-sr04。

本实施方式中控制系统6的右超声波传感器为现有技术，生产厂家为telesky公司，型号为hc-sr04。

工作原理

本发明控制过程：当爬行机器人爬坡时，主控芯片stm32f429igt驱动步进电机驱动tb6600，主控芯片stm32f429igt通过pa8引脚给步进电机驱动tb6600的pul-引脚发送脉冲信号，主控芯片stm32f429igt通过pa9引脚给步进电机驱动tb6600的dir-引脚发送方向信号，步进电机驱动tb6600控制步进电机21正转，步进电机21正转带动减速器i2-2正转，减速器i2-2带动传动轴i2-3正转，传动轴i2-3通过万向联轴器i2-4带动传动轴ii2-5正转，传动轴ii2-5带动减速器ii2-6正转，减速器ii2-6同时带动传动轴iii2-7和传动轴v2-10正转，传动轴iii2-7通过万向联轴器ii2-8带动传动轴iv2-9正转，传动轴iv2-9带动右后轮13向前转动，同时传动轴v2-10通过万向联轴器iii2-11带动传动轴vi2-12正转，传动轴vi2-12带动左后轮14向前转动，完成爬坡动作；

当爬行机器人从高处落地时，机身收到来自地面的冲击力使减震系统3中的左前空气悬挂31c、右前空气悬挂31b、左后空气悬挂32c和右后空气悬挂32b同时压缩吸收冲击力，待机身平稳恢复后，减震系统3中的左前空气悬挂31c、右前空气悬挂31b、左后空气悬挂32c和右后空气悬挂32b同时伸长释放冲击力，使机身电路设备避免收到来自地面的冲击力造成电路设备的损坏；

当爬行机器人左侧障碍物与机身的距离小于设定的阈值50cm时，机身左侧的左超声波传感器检测到后将信号发送给主控芯片stm32f429igt，主控芯片stm32f429igt通过pa4引脚给舵机43的sig引脚发送信号，控制舵机43向右转动45度，舵机43向右转动带动舵机杆42向右转动，舵机杆42向右转动带动连杆41向右移动，连杆41向右移动带动左前轮12和右前轮11同时向右转动，完成转向动作，并且主控芯片stm32f429igt驱动步进电机驱动tb6600，使步进电机驱动tb6600控制步进电机提高转速，让草地爬行机器人快速离开障碍区。