专利名称：一种适用于球形机器人阵列式接触传感器系统设计的制作方法
技术领域：
本发明涉及球形机器人传感器领域，特别涉及一种利用球壳、轻触开关和处理器模块等构成的一种适用于球形机器人阵列式接触传感器系统设计，用于实时检测球形机器人的接触点。
背景技术：
球形机器人是近年来新兴的机器人研究领域，它是一种特种机器人。此类机器人与其他种类机器人相比，球形机器人与地面之间是点接触，运动和转向灵活方便，具有全方位运动和零转弯半径的特点，在工业、民用、国防以及空间探索等领域具有广泛的应用前景。在民用方面，现在各种智能家电正逐步进入普通家庭之中，球形机器人外形新颖，运动方式灵活，抗倾倒，不会钩挂到其他物体，很适合在家庭这种特殊而且复杂的环境下工作。 可以作为电子管家来对数字家电进行控制，也可以作为电子宠物供人们娱乐(例如可以搭载MP3播放器等娱乐设备)，是未来家庭中一个非常得力的好帮手。机器人系统需要各种传感器来获得外界工作环境，这些传感器系统包括视觉、接近觉、触觉、力和力矩传感器等。视觉传感器目前研究的比较多，其具有获取的信息量大，比较精确等特点，可以通过外部环境的变化来获取自身位置。触觉是机器人获取环境信息的一种仅次于视觉的重要知觉形式，是机器人实现与环境直接作用的必需媒介。与视觉不同， 接触本身有很强的敏感能力，可直接测量对象和环境的多种性质特征，因此它不仅仅只是视觉的一种补充。接触觉是机器人触觉的表现形式，它是机器人与对象接触面上的力感觉。机器人接触传感器主要有检测和识别功能，检测功能包括对操作对象的状态、机械手与操作对象的接触状态、操作对象的物理性质进行检测。机器人接触觉能达到的某些功能，具有其它感觉难以替代的特点。与机器人视觉相比，接触传感器系统简单，成本也比较便宜，而且在黑暗、肮脏、泥泞等各种恶劣环境中有着视觉传感器不可替代的优势。随机科技的发展，触觉在机器人领域中被广泛地应用。如目前发展较迅速的各种服务机器人，可配备给机器人柔性的敏感皮肤，更好地为人类服务，如家庭用的看护、保姆等各种机器人，实现良好的人机互动功能。由于球形机器人机械结构比较特殊，其传感器都装置在球壳内部，所以接触传感器在球形机器人并没有真正的使用。为此，本发明设计一种适用于球形机器人阵列式接触传感器系统，球形机器人可以利用该系统在比较恶劣的环境下感知外部环境、障碍物以及获取自身的触点信息等，实现快速的避障和完成特殊的运动要求。
发明内容
本发明利用球形机器人本身特点设计了一种用于实时检测球形机器人接触点的阵列式接触传感器系统，球形机器人可以利用该系统获得接触点信息，从而更好地进行自身控制以达到避障、平稳的运动和斜坡悬停等特殊的运动要求。
—种适用球形机器人阵列接触传感器系统主要包括作为传感器元件的轻触开关，球形机器人球壳，触点信息采集模块，数据处理和控制模块，串口通信模块。本发明中，所述的球形机器人球壳设计为利用球面四元三角网络等面积划分并且在每个三角模块单元中心设计6*6的通孔，用来放置传感器元件(轻触开关)形成传感器阵列；触点信息采集模块由键盘扫描芯片CH4M及外围电路组成，用于实时检测开关状态， 并对闭合开关状态信息进行保存及发出中断信号；数据处理和控制模块用于对所采集状态信息进行处理，包括键值和行列编码的转换、行列编码和经纬度的转换，并对数据进行容错处理，通过对主控机的命令进行解析然后进行相应的回复和执行过程；串口通信模块用来与球形机器人的主控机之间进行通信，这些信息包括命令、触点位置信息(经纬度)、错误状态等。工作时触点信息采集模块一直检测传感元器件阵列的状态，保存闭合开关的键值并发出中断信号；数据处理和控制模块接收到中断信号后读取传感器元件的键值，进行错误判断和处理后，完成键值、行列编码和经纬度之间的转换，并通过串口通信模块发送触点的经纬度位置信息到球形机器人的主控机。本发明提供一种检测球形机器人接触点的传感器系统，能够比较精确、方便地检测到接触点信息，并对其进行数据处理，转换为经纬度坐标传送给球形机器人，为球形机器人运动控制提供信息，以便实现球形机器人简单的避障及斜坡悬停等特殊运动要求。本发明的优点有1)本发明采用轻触开关作为传感器敏感器件，使用数字量作为传感器信号，简化了电路和数据处理的复杂度，降低了传感器的制作工艺要求，并且同时大幅度降低了阵列式接触传感器系统的成本；2)本发明中采用球面四元三角网络等面积平分球壳，传感器器件均勻的分布在球壳表面，从而使数据误差在可控的范围内，精度比较高；3)本发明是针对球形机器人开发的一种阵列式接触传感器系统，使球形机器人可以实时地检测到接触点信息，从而改变驱动结构来快速避障和进行特殊的运动，并且本系统对信号的处理速度快、实时性好，具有很高的系统稳定性。
图1是本发明的外观的立体结构图。图2是本发明的主控板原理框图。图3是本发明球壳等面积平分效果图。图4是本发明一路信息采集模块电路设计图。图5是本发明的工作流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步的说明。图1为本发明所述的一种适用于球形机器人接触传感器系统立体结构图，图2为本发明主控电路板的原理框图。该系统包括球形机器人球壳1，作为传感器元件的轻触开关2，触点信息采集模块3，数据处理和控制模块4，串口通信模块5。信息采集模块3通过对安装在球形机器人球壳上的轻触开关阵列进行扫描，获取触点信息并发送到数据处理和控制模块4，经容错处理和坐标转换后通过串口通信模块5发送到球形机器人主控器。球形机器人球壳1被设计为利用球面四元三角网络等面积划分，并且在每个三角模块单元中心设计6*6的通孔用来放置轻触开关。轻触开关2作为传感器系统敏感元件， 安装在球形机器人球壳的通孔内，传递球形机器人的接触点位置。触点信息采集模块3由8片键盘扫描芯片CH4M组成，当数据处理和控制模块4 对其进行初始化和发送扫描命令后，开始扫描开关阵列。此模块安装在球壳上，与数据处理和控制模块4通过模拟的I2C总线进行通信，发送轻触开关键值和接受扫描命令等。数据处理和控制模块4由MCU芯片STM32F103和一些简单的外围电路组成，此芯片的主频可以达到70MH，并且具有中断响应快、IO端口比较多、稳定等特点，极大地提高了接触传感器系统的性能和响应速度。此模块进行数据的坐标转换、对触点信息采集模块3 的控制和负责与球形机器人通信等。串口通信模块5由通用串口芯片MAX3232组成，数据处理和控制模块4与球形机器人主控器通过此模块相连，实现与球形机器人主控器之间的通信。图3为利用球面四元三角网络等面积平分球壳后的效果图。图4为本发明的信息采集模块电路图中的一路。为了更稳定的进行通信，CH454的 SCL、SDA、1附#管脚接有上拉电阻，并且为了降低功耗和限制电流保护芯片，在DIG0-DIG7 管脚中并联接有业电阻。DIG0-DIG7和SEG0-SEG7与阵列式传感器相接。参照图5，本发明的工作流程是初始化完成之后，信息采集模块扫描阵列式接触传感器。当有开关闭合时，采集此开关的键值，并向数据处理和控制模块发送中断；数据处理和控制模块接收到中断后发送读取数据命令，然后进行容错处理或键值、行列编码和经纬度间的转换，行列编码和经纬度的转换公式为
权利要求
1.一种适用于球形机器人阵列式接触传感器系统，其特征在于包括阵列式传感器球壳、信息采集模块、数据处理和控制模块，串口传输模块等。该系统通过实时扫描轻触开关阵列，采集并保存球形机器人的接触点状态，再由数据处理和控制模块对其进行处理，经串口发送到球形机器人主控器。
2.权利要求1所述的一种适用于球形机器人阵列式接触传感器系统，其特征在于所述的阵列式传感器球壳被设计为利用球面四元三角网络等面积划分，并在每个网络单元中心设计一个6*6大小的通孔，在球壳表面形成8个8*8的轻触开关阵列。
3.权利要求1所述的一种适用于球形机器人阵列式接触传感器系统，其特征在于所述的信息采集模块由8块键盘扫描芯片CH4M组成，该芯片的列输出管脚接有业电阻，可以实时地扫描整个球壳的状态并记录闭合的轻触开关的键值。
4.权利要求1所述的一种适用于球形机器人阵列式接触传感器系统，其特征在于所述的数据处理和控制模块由微处理芯片STM32F103组成，进行键值、行列编码、经纬度坐标之间的转换，控制信息的采集和串口的传输等。经纬度由公式
全文摘要
本发明设计了一种适用于球形机器人的阵列式接触传感器系统，该系统包括阵列式传感器球壳、信息采集模块、数据处理和控制模块、串口传输模块。利用球面四元三角网络等面积划分球壳，并在每个网络单元中心设计一个6*6通孔来形成轻触开关阵列；信息采集模块通过实时扫描开关阵列采集保存球形机器人的接触点状态，并发出中断信号；数据处理和控制模块在接收到中断信号后，读取触点状态信息，并进行容错处理和坐标转换等；串口传输(跟前面一致好点吧)模块用来接收球形机器人发送的命令和向球形机器人发送接触点的经纬度和错误状态信息等。本发明可以比较准确、方便的测量球形机器人的接触点信息，实时地反馈接触点的状态信息，以便更好地对球形机器人的运动进行控制。
文档编号G05D1/02GK102393745SQ20111038757
公开日2012年3月28日 申请日期2011年11月29日 优先权日2011年11月29日
发明者叶平, 孙汉旭, 张林浩, 贾庆轩 申请人:北京邮电大学