專利名稱：人造肌肉和仿真機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于，機(jī)電一體化的自動(dòng)化元件和仿生機(jī)器。它涉及到，仿真“肌肉”和機(jī)器人的肢體控制系統(tǒng)，還有仿真視覺系統(tǒng)。它可以模仿生物體肢體的各種活動(dòng)和平衡狀態(tài)。
現(xiàn)有機(jī)器人的肢體運(yùn)動(dòng)，是依靠控制電機(jī)或氣壓、液壓系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。仿真型機(jī)器人多采用步進(jìn)電機(jī)加變速器來完成。如發(fā)明專利0181903.3，這種結(jié)構(gòu)使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)遲緩，不靈活，控制平衡的能力交差。人類的視覺系統(tǒng)是為肢體運(yùn)動(dòng)提供重要信息的器官，沒有視覺系統(tǒng)，仿真機(jī)器人肢體運(yùn)動(dòng)，很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。在視覺系統(tǒng)中，測(cè)距功能與肢體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系最為重要?，F(xiàn)有仿真機(jī)器人的視覺系統(tǒng)還不完善，如發(fā)明專利03 124756.3中提供的《仿人多自由度立體雙目視覺裝置》它沒有測(cè)距、調(diào)焦的功能。
本發(fā)明的目的是為仿生機(jī)器提供一種“人造肌肉”，和肢體控制系統(tǒng)，還有視覺測(cè)距系統(tǒng)。利用肢體控制系統(tǒng)和人造肌肉，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)、靜平衡的自動(dòng)化控制。使仿真機(jī)器人活動(dòng)自如，能模仿人類的各種動(dòng)作。視覺測(cè)距系統(tǒng)，能夠引導(dǎo)機(jī)器人肢體運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的第一是提供一種“人造肌肉”。
1、用《薄片線線圈》(申請(qǐng)?zhí)?004100007204)，做《永磁式簡(jiǎn)易步進(jìn)電機(jī)》(申請(qǐng)?zhí)?2100723.3)的線圈，用改進(jìn)后的《智能步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路》(申請(qǐng)?zhí)?3128790.5)作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，它們組成“人造肌肉”。
“人造肌肉”是由步進(jìn)電機(jī)和數(shù)字電路組成，它的狀態(tài)隨時(shí)可以在數(shù)字電路中讀出，并可以提供給更高一級(jí)的控制器。這一點(diǎn)如同動(dòng)物肌肉中的本體感受器——“肌梭”的功能相同，它能隨時(shí)提供肌肉拉伸狀態(tài)。
2、改進(jìn)后的電壓控制電路是用電壓比較器比較電機(jī)線管與D/A轉(zhuǎn)換器輸出端的電壓，比較的結(jié)果，用來控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向，計(jì)數(shù)器的輸出分兩路低位信號(hào)送入D/A轉(zhuǎn)換器，組成電壓控制電路；高位信號(hào)送入譯碼器，譯碼后送入多路控制電路和最大阻力限制監(jiān)控電路。
改進(jìn)后的電壓控制電路，是由電壓比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù)器、譯碼器組成。電機(jī)遇到阻力后，線圈內(nèi)產(chǎn)生的電壓變化，通過電壓比較器、計(jì)數(shù)器、D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電壓自動(dòng)控制和最低耗能。通過對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的改進(jìn)，使“人造肌肉”具有本體感受器——腱梭的功能。
3、增加一個(gè)喚醒電路在電機(jī)線管上抽出一個(gè)電極，連接在電壓比較器上，把電壓比較器的參考電壓設(shè)為零，使其成為過零檢測(cè)器，輸出端用來控制電源開關(guān)。
它的作用是在“人造肌肉”斷電休息時(shí)，電機(jī)中永磁體動(dòng)子在線管內(nèi)如果被外力推動(dòng)，必定會(huì)使線管切割磁力線，產(chǎn)生感生電流，用電極把這個(gè)電流引出，送入由電壓比較器制成的過零檢測(cè)器，電壓比較器的輸出端，連接電源的控制端，用于喚醒“人造肌肉”。該電路在“人造肌肉”斷電是有效。這一部分電路的主要目的是為保證電機(jī)中動(dòng)子的位置與電路中的數(shù)字一致。
至此“人造肌肉”就具備了生物體內(nèi)，骨骼肌的全部運(yùn)動(dòng)功能。
下面將“人造肌肉”與生物體內(nèi)骨骼肌的功能作一比較。生物體的骨骼肌是帶動(dòng)骨骼運(yùn)動(dòng)的肌肉，在骨骼肌內(nèi)有一種器官，叫做本體感受器，它們分別叫做肌梭和腱梭。肌梭是一種長(zhǎng)度感受器，對(duì)肌肉所處的伸縮狀態(tài)信息提供反饋。腱梭是一種張力感受器，能提供與肌肉本身的靜止張力和張力改變有關(guān)的信息。它們相互作用的關(guān)系是當(dāng)肌肉受到牽拉時(shí)，首先興奮肌梭，引起反射活動(dòng)，導(dǎo)致受牽拉的肌肉收縮以對(duì)抗?fàn)坷?，?dāng)牽拉的力量進(jìn)一步加大時(shí)，則可興奮腱梭，抑制該肌肉收縮，以避免被牽拉的肌肉損傷。在“人造肌肉”中，電機(jī)的動(dòng)子在受到外力牽拉時(shí)，通過電壓控制電路，提高電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓，對(duì)抗外力的牽拉。如果外力繼續(xù)增大，電壓控制電路中的譯碼器，會(huì)打開多路控制開關(guān)電路、以及最大阻力限制監(jiān)控電路，對(duì)抗更大的外力。最大阻力限制監(jiān)控電路，可以設(shè)定“人造肌肉”或一組電機(jī)所能抵御的最大外力，超過時(shí)，“人造肌肉”反向運(yùn)動(dòng)，或采取其他的方法，來避免過大的外力損傷電機(jī)，這一部分電路的功能如同腱梭。本發(fā)明利用《永磁式簡(jiǎn)易不進(jìn)電機(jī)》和《薄片線線圈》的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過對(duì)《智能步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路》改進(jìn)，使“人造肌肉”具有了生物體內(nèi)骨骼肌的功能。
第二是提供仿真機(jī)器人的控制系統(tǒng)。
4、控制系統(tǒng)用來處理視覺、嗅覺、聽覺等與肢體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的信息，以及根據(jù)“人造肌肉”中，最大阻力限制監(jiān)控電路提供的，方位和力度信息，在存儲(chǔ)器中提取各種肢體狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)程序代碼，通過平衡控制系統(tǒng)、電壓同步控制系統(tǒng)，控制機(jī)器人的動(dòng)靜平衡和肢體的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。
“人造肌肉”內(nèi)的控制器，它包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中的全部?jī)?nèi)容，它的作用是執(zhí)行運(yùn)動(dòng)指令；為保持“人造肌肉”原來的運(yùn)動(dòng)或平衡狀態(tài)抵御外力；向上一級(jí)控制器，提供受力的大小和方向等信息。
5、平衡控制系統(tǒng)由比較器與驅(qū)動(dòng)程序組成，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)應(yīng)的兩塊“人造肌肉”之間，(它們的關(guān)系是當(dāng)一塊肌肉伸展時(shí)，另一塊肌肉必須收縮。)設(shè)置一個(gè)數(shù)字比較器，連接在電壓控制電路中，用來比較計(jì)數(shù)器輸出端的數(shù)字大小，當(dāng)兩塊“人造肌肉”受到的力大小或方向不等時(shí)，比較器向控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，控制系統(tǒng)根據(jù)信息來自的位置，取出相應(yīng)的程序，控制機(jī)器人的平衡。
平衡控制系統(tǒng)，通過比較器，監(jiān)視兩塊“人造肌肉”用力大小的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩塊“人造肌肉”受力的大小不等，就向控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，通過控制系統(tǒng)提供的相應(yīng)的程序來控制平衡，程序的內(nèi)容是驅(qū)動(dòng)“人造肌肉”迎著受力方向運(yùn)動(dòng)，直到比較器不再發(fā)出信號(hào)。
6、電壓同步控制系統(tǒng)用一塊“人造肌肉”的計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)輸入端的數(shù)字信號(hào)，通過控制系統(tǒng)，控制另一塊“人造肌肉”的計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)輸入端，使其同步變幻，但數(shù)據(jù)可以有差別，兩塊“人造肌肉”一個(gè)主一個(gè)從，從遂主變。
這一部分是靠程序控制和接口實(shí)現(xiàn)的。主要用在機(jī)器人抓取物品時(shí)，手臂肌肉與手指肌肉的之間的力度的關(guān)系。在機(jī)器人抓取物品時(shí)，控制手臂運(yùn)動(dòng)的“人造肌肉”是主，控制手指運(yùn)動(dòng)的“人造肌肉”是從。物品越重提起手臂時(shí)用的力越大，手臂用的力增大，控制手指運(yùn)動(dòng)的“人造肌肉”用的力也隨之增大。這個(gè)電路可以使抓鉛球時(shí)脫手和抓碎雞蛋的事不會(huì)發(fā)生。
第三視覺系統(tǒng)。
7、軸承固定在機(jī)器人的頭上或身上，物鏡架固定在滑竿上，與軸連接，且可以橫向轉(zhuǎn)動(dòng)，攝像頭固定架，可以在滑竿上滑動(dòng)，“人造肌肉”用一個(gè)軸固定在滑竿上，它用伸縮控制兩個(gè)滑竿之間的角度，(同時(shí)也控制了兩個(gè)攝像頭的夾角)隨著“人造肌肉”的運(yùn)動(dòng)，通過彈簧和繩索調(diào)節(jié)攝像頭固定架與物鏡架的距離，在使用時(shí)，當(dāng)兩個(gè)攝像頭看到的某一個(gè)物品重合時(shí)，通過計(jì)算就可以得到該物體的距離，使調(diào)焦與測(cè)距同時(shí)完成，垂直運(yùn)動(dòng)的“人造肌肉”固定在中間的滑竿與水平運(yùn)動(dòng)“人造肌肉”之間。
視覺系統(tǒng)是用“人造肌肉”，控制兩個(gè)攝像頭后面延長(zhǎng)桿，之間的距離，通過兩個(gè)攝像頭的夾角，計(jì)算出物體與攝像頭之間的距離。也就是當(dāng)兩個(gè)攝像頭，把一個(gè)物體，同時(shí)放在兩個(gè)畫面的同一位置時(shí)，就可以從“人造肌肉”的數(shù)字電路中，經(jīng)換算讀出物體的距離，控制該系統(tǒng)上下左右轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)“人造肌肉”，可以增加視覺系統(tǒng)的視角，可以提供目標(biāo)物的方位。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)通過《薄片線線圈》、《永磁式簡(jiǎn)易步進(jìn)電機(jī)》、《智能步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路》的結(jié)合，通過對(duì)《智能步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路》的改進(jìn)，使“人造肌肉”具有了，生物體內(nèi)骨骼肌的全部運(yùn)動(dòng)功能。簡(jiǎn)易步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單運(yùn)行速度快，它沒有齒輪、沒有軸、沒有摩擦、數(shù)字電路控制。它與現(xiàn)在的電子技術(shù)結(jié)合，具有控制系統(tǒng)速度快、運(yùn)行速度快、反應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。它不僅可以使機(jī)器人活動(dòng)自如，它還可以使機(jī)器人的靈活性、反應(yīng)速度超越人類?！叭嗽旒∪狻庇猛緩V泛，它可以代替用于兩點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)的部分機(jī)械，比如油壓液壓等。視覺系統(tǒng)利用“人造肌肉”與兩個(gè)攝像頭的連接，實(shí)現(xiàn)了測(cè)距調(diào)焦的功能，由此還可以演化出測(cè)速、測(cè)位和測(cè)物體間距等功能，而且不僅只用在機(jī)器人上。肢體控制系統(tǒng)利用上述兩種器材的優(yōu)點(diǎn)，加上一些輔助電路和操作程序，實(shí)現(xiàn)了肢體動(dòng)靜平衡的自動(dòng)化控制，它即化減了機(jī)器人控制系統(tǒng)又提高機(jī)器人的控制能力。
下面結(jié)合附圖
對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的介紹。
圖一是組成“人造肌肉”的步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路的方塊圖。
“人造肌肉”是由控制電路、開關(guān)電路、電壓控制電路、電機(jī)的線管、電機(jī)的動(dòng)子、多路控制電路、最大阻力限制監(jiān)控電路、和喚醒電路組成。
控制器由電源(1)、變頻器(2)、計(jì)數(shù)器(3)、譯碼器(4)、比較器(5)和提供相關(guān)的功能接口組成。變頻器(2)控制“人造肌肉”的運(yùn)動(dòng)速度。目標(biāo)位輸入端(15)輸入的數(shù)字信號(hào)，與計(jì)數(shù)器(3)輸出的數(shù)字，經(jīng)比較器(5)比較，比較結(jié)果(14)，送入計(jì)數(shù)方向控制端(13)，控制“人造肌肉”的運(yùn)行方向。(12)是計(jì)數(shù)的片選開關(guān)。顯示器(16)，分別顯示“人造肌肉”的目標(biāo)位和現(xiàn)在的位置。譯碼器(4)的輸出端連接開關(guān)電路。
開關(guān)電路與電機(jī)線圈開關(guān)電路是由開關(guān)管組成，譯碼器(4)輸出的電信號(hào)，控制兩個(gè)開關(guān)管，分別給電機(jī)線圈(6)接通驅(qū)動(dòng)電壓的正負(fù)極，它們的間距，與電機(jī)的動(dòng)子(24)的長(zhǎng)度相似。電機(jī)的動(dòng)子(24)隨譯碼器(4)輸出的電信號(hào)的變化而運(yùn)動(dòng)。
電壓控制電路是由電壓比較器(7)、D/A轉(zhuǎn)換器(10)、計(jì)數(shù)器(8)、譯碼器(9)組成。電壓比較器(7)比較線圈(6)與D/A轉(zhuǎn)換器(10)的輸出端電壓，比較的結(jié)果，用來控制計(jì)數(shù)器(8)的計(jì)數(shù)方向，計(jì)數(shù)器(8)輸出端的低位送入D/A轉(zhuǎn)換器(10)，組成電壓自動(dòng)控制電路，實(shí)現(xiàn)“人造肌肉”的耗能隨外力大小變化的目的。
電壓比較器(7)是由兩個(gè)電壓比較器，分別用來監(jiān)控線圈(6)電壓的上下變化，監(jiān)控電壓下限的一組電壓比較器，輸入端外接一個(gè)電阻，使兩個(gè)電壓比較器的基準(zhǔn)電壓有一定的差別，輸出端連接一個(gè)反向器，當(dāng)電壓超過上限或下限電壓時(shí)，電壓比較器(7)輸出相應(yīng)的信號(hào)，就可以控制計(jì)數(shù)器(8)的計(jì)數(shù)方向。
多路控制電路和最大阻力限制監(jiān)控電路多路控制電路是由門電路和二極管組成，電壓控制電路中計(jì)數(shù)器(8)的高位送入譯碼器(9)，譯碼后送入多路控制電路和最大阻力限制監(jiān)控電路。
多路控制電路是由與門電路和二極管組成，它們的關(guān)系是當(dāng)某一位導(dǎo)通時(shí)，在它以下的底位全部導(dǎo)通，在它以上的高位全部截止。(21)是該電路的功能選擇端，(20)是多路控制輸出端，用來控制其他電機(jī)聯(lián)動(dòng)。也就是在一塊“人造肌肉”中，用一個(gè)控制電路控制多個(gè)電機(jī)，這樣可以是擴(kuò)大“人造肌肉”的力度范圍，使“人造肌肉”以最低的耗能完成指令。這既可以節(jié)約能源，又可以保持“人造肌肉”的靈敏性，使“人造肌肉”在執(zhí)行指令的過程中，對(duì)隨時(shí)發(fā)生的外力影響做出反應(yīng)。
最大阻力限制監(jiān)控電路是由與門電路組成，(19)是功能選擇端，(22)是輸出端，可以根據(jù)“人造肌肉”的承受能力選擇(19)中的某一極，當(dāng)“人造肌肉”的負(fù)荷達(dá)到這一極時(shí)，(20)輸出信號(hào)。該輸出是“人造肌肉”的求救信號(hào)輸出端，與控制系統(tǒng)連接，作用是控制系統(tǒng)聲明自己是哪一塊“人造肌肉”、申請(qǐng)啟動(dòng)什么程序。該電路在使用時(shí)，可以在每一個(gè)輸入端，分別設(shè)置申請(qǐng)的內(nèi)容，使“人造肌肉”在不同的受力環(huán)境下，發(fā)出不同的信息，好采取相應(yīng)的措施。
喚醒電路是在電機(jī)線管(6)上抽出一個(gè)電極(23)，連接在電壓比較器(11)上，把電壓比較器(11)的參考電壓設(shè)為零，使其成為過零檢測(cè)器，輸出端是(17)。它的作用是在“人造肌肉”斷電休息時(shí)，電機(jī)的永磁動(dòng)子(24)如果被外力推動(dòng)，必定會(huì)使線管切割磁力線，產(chǎn)生感生電流，用電極(23)將這個(gè)電流引出，送入電壓比較器(11)，電壓比較器的輸出端(17)，連接電源(8)的控制端(24)，用于喚醒“人造肌肉”。
平衡控制系統(tǒng)它設(shè)在兩塊“人造肌肉”的電壓控制電路之間，連接在兩個(gè)計(jì)數(shù)器(8)的輸出端(25)上，比較的結(jié)果，送入第一級(jí)控制器，啟動(dòng)平衡控制程序。第一級(jí)控制器根據(jù)得到的信息，打開計(jì)數(shù)器，選擇好方向，開始計(jì)數(shù)，使兩塊“人造肌肉”迎著受力方向運(yùn)動(dòng)，受到壓力的一方伸張，受到拉力的一方收縮，當(dāng)兩塊“人造肌肉”受到的力，大小方向相等時(shí)，比較器不再發(fā)出信號(hào)，該程序結(jié)束。
電壓同步控制系統(tǒng)用來模仿生物體中，肌肉間力的聯(lián)動(dòng)關(guān)系。當(dāng)機(jī)器人執(zhí)行這一特定任務(wù)時(shí)，計(jì)數(shù)器(8)的數(shù)據(jù)輸入端(18)，通過第一級(jí)控制器與另一塊“人造肌肉”數(shù)據(jù)輸入端(18)數(shù)據(jù)同步變幻，但數(shù)據(jù)可以有差別，兩塊“人造肌肉”一個(gè)主一個(gè)從，從遂主變。這一部分是靠程序控制和接口(18)實(shí)現(xiàn)的。主要用在機(jī)器人抓取物品時(shí)，手臂肌肉與手指肌肉的關(guān)系。
圖二是視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
軸承(30)固定在機(jī)器人的頭上或身上，物鏡架(27)固定在滑竿上(36)，與軸連接(35)，且可以橫向轉(zhuǎn)動(dòng)，攝像頭固定架(28)，可以在滑竿(36)上滑動(dòng)，“人造肌肉”(29)用一個(gè)軸固定在滑竿(36)上，它用伸縮控制兩個(gè)滑竿之間的角度，(同時(shí)也控制了兩個(gè)攝像頭的夾角)隨著“人造肌肉”的運(yùn)動(dòng)，通過彈簧和繩索調(diào)節(jié)攝像頭固定架與物鏡架的距離，在使用時(shí)，當(dāng)兩個(gè)攝像頭看到的某一個(gè)物品重合時(shí)，通過計(jì)算就可以得到該物體的距離，使調(diào)焦與測(cè)距同時(shí)完成，垂直使用的“人造肌肉”(33)固定在中間的滑竿(32)與水平運(yùn)動(dòng)的“人造肌肉”(34)之間，它們的伸縮增加視覺系統(tǒng)視野范圍。
實(shí)施例一下面以行走為例，介紹“人造肌肉”及仿真機(jī)器人的控制系統(tǒng)，控制肢體運(yùn)動(dòng)的過程。
仿真機(jī)器人的視覺系統(tǒng)，提供目標(biāo)物距離，經(jīng)過控制系統(tǒng)判斷，目標(biāo)物是否在伸手觸及的范圍之內(nèi)是，伸手完成任務(wù)。否，向相關(guān)的“人造肌肉”發(fā)出執(zhí)行行走的指令程序。(行走可以分為上坡走、下坡走、走平路、走不平路、上下臺(tái)階等等。)這一部分程序的內(nèi)容是用數(shù)字表示的，它們是分時(shí)數(shù)字信號(hào)。就是在不同時(shí)間段，不同“人造肌肉”的目標(biāo)位。它有控制“肌肉”之間協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的作用?！叭嗽旒∪狻笔盏侥繕?biāo)位后，先經(jīng)過全同比較器，與現(xiàn)在的位置比較，決定“人造肌肉”運(yùn)動(dòng)方向，然后，以控制系統(tǒng)提供的頻率，帶動(dòng)肢體運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)每發(fā)出一個(gè)數(shù)字指令，“人造肌肉”就完成一個(gè)動(dòng)作，控制系統(tǒng)按程序?qū)ο嚓P(guān)“人造肌肉”間斷發(fā)出循環(huán)指令，機(jī)器人開始行走。直到視覺系統(tǒng)測(cè)得的物距，在伸手觸及的范圍之內(nèi)時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出站立或其他的命令，開始其他的工作。如果在這一過程中，遇到阻力不能完成，就通過最大阻力限制監(jiān)控電路，像第一級(jí)控制器發(fā)出求救信息，尋求解決方案。
實(shí)施例二下面以機(jī)器人的腿和腳為列，介紹肢體運(yùn)動(dòng)全能仿真機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)下，保持平衡的原理。
仿真機(jī)器人在站立時(shí)，根據(jù)站立程序，腿和腳上每一塊“人造肌肉”的位置，都是一個(gè)固定的數(shù)字。各部位“人造肌肉”受力均勻，身體的重量集中在骨骼上，“人造肌肉”以最低耗能保持這一姿態(tài)。當(dāng)受到的外力較小時(shí)，最先感覺到受力不均勻的是“腳”，腳下面的“人造肌肉”被拉動(dòng)，“人造肌肉”電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)和多路控制電路啟動(dòng)，抵抗外力。外力加大，腿部“肌肉”被牽拉，這部分的電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)和多路控制電路啟動(dòng)。當(dāng)外力達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，通過最大阻力限制監(jiān)控電路，向控制系統(tǒng)發(fā)出信息，啟動(dòng)平衡控制系統(tǒng)，使身體相反方向傾斜。當(dāng)外力大到某一臨界點(diǎn)時(shí)，“人造肌肉”通過在最大阻力限制監(jiān)控電路中設(shè)置的信息，向第一級(jí)控制器發(fā)出求救信號(hào)，同時(shí)報(bào)告傾倒的方向。視覺系統(tǒng)提供傾倒的速度，以及傾倒的方向是否有物體可以用手臂或腳支撐?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)上述信息，啟動(dòng)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)程序。如向傾倒的方向伸出手臂等等，來控制平衡。
仿真機(jī)器人在行走過程中，控制平衡的方法和站立時(shí)差不多控制系統(tǒng)根據(jù)腳部受力的位置，和視覺系統(tǒng)的指引，確定下一步出腳的方向。當(dāng)某一步，腳下受力不均勻時(shí)，先啟動(dòng)“肌肉”的電壓控制系統(tǒng)，抵抗外力，當(dāng)一側(cè)受力的程度達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，“肌肉”通過最大阻力限制監(jiān)控電路，把受力的方向信息反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)調(diào)整下一步的出腳方向。這樣就做到了，機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中自動(dòng)控制平衡的目的。
實(shí)施例三在人類活動(dòng)中，還有一種平衡狀態(tài)，就是持重物平衡。這種重力一般來自上身，主要由腰部的扭動(dòng)達(dá)到身體平衡。
在機(jī)器人身上達(dá)到這種平衡的方法也是如此。當(dāng)重力使身體兩側(cè)，控制“脊柱”活動(dòng)的“人造肌肉”受力不均勻時(shí)，受到壓力大的“人造肌肉”自動(dòng)調(diào)節(jié)，抵抗外力。如果外力繼續(xù)加大身體將失去平衡，通過對(duì)最大阻力限制監(jiān)控電路的設(shè)置，向控制系統(tǒng)發(fā)出求救信號(hào)，控制系統(tǒng)發(fā)出程序，使兩塊“肌肉”迎著受力的方向運(yùn)動(dòng)，這時(shí)身體開始向一側(cè)傾斜，當(dāng)兩邊“肌肉”受力相等時(shí)，身體達(dá)到平衡，最大阻力限制監(jiān)控電路不在發(fā)出信號(hào)，程序終止。這種平衡也可以發(fā)生在腿部，或兩腿之間。
實(shí)施例四用手完成某一項(xiàng)工作，他的運(yùn)動(dòng)過程包括手臂的運(yùn)動(dòng)、手腕的轉(zhuǎn)的和手指的運(yùn)動(dòng)。手臂的運(yùn)動(dòng)，可以控制手與身體之間的距離。手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)，控制手掌的朝向。用手指的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抓、拿、捏，等各種目的。
仿真機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)，是由數(shù)字電路控制的，手與身體的相對(duì)位置，可以由視覺系統(tǒng)提供的數(shù)字坐標(biāo)指引。例如視覺系統(tǒng)測(cè)到某物體在正前方偏左十五度，仰角十度，距離400毫米的地方，控制系統(tǒng)把距離直接轉(zhuǎn)變成手臂的“人造肌肉”伸縮狀態(tài)的數(shù)字指令代碼，兩個(gè)角度信息，也同樣轉(zhuǎn)變成相關(guān)“人造肌肉”的數(shù)字指令代碼，機(jī)器人根據(jù)這些數(shù)字指令代碼驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)，不需要在編制程序。機(jī)器人利用視覺系統(tǒng)，根據(jù)物體的大小，支配手指采取抓、拿、捏，等動(dòng)作程序。在抓取物品時(shí)，為防止物品脫手，通過電壓同步控制系統(tǒng)，執(zhí)行抓取程序。首先，手臂在抓取物品時(shí)，“人造肌肉”以最低耗能驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)，手指用的力要大于手臂所用的力；也就是，當(dāng)手臂用的力是可以提起一克重物時(shí)，手指的抓力就要大于一克，如果所物品的重量超過一克，手臂則不能提起重物，手臂的運(yùn)動(dòng)受阻。驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的“人造肌肉”，在執(zhí)行指令時(shí)受阻，這時(shí)電壓控制系統(tǒng)啟動(dòng)，提高驅(qū)動(dòng)電壓或通過多路控制電路，開啟其它電機(jī)助力，(如果這塊“人造肌肉”是由多電機(jī)組成)，同時(shí)通過電壓同步控制電路。使控制手指運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電壓，與控制手臂的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓同步調(diào)節(jié)，并且保持抓取物品用的力，要大于手臂提升物體時(shí)所用的力。這就可以解決機(jī)器人抓碎雞蛋、抓不起鉛球的類似問題。放下物品時(shí)，同理，當(dāng)手臂失去負(fù)荷時(shí)，手指方可張開。
實(shí)施例四視覺系統(tǒng)有僅能為機(jī)器人提供視覺信息，利用它的仿真特性和數(shù)控的優(yōu)點(diǎn)也可以用在測(cè)量物距以及物與物的間距等方面。在測(cè)量某物體的距離時(shí)，先在存儲(chǔ)器中提取該物體的邊框特征，然后利用“人造肌肉”驅(qū)動(dòng)對(duì)焦測(cè)距部分，在廣闊的視野范圍內(nèi)搜尋，利用控制焦距的“人造肌肉”，在進(jìn)深之間搜尋，找到目標(biāo)后，(找到目標(biāo)的定義是圖像清楚、兩個(gè)攝像頭中的目標(biāo)物在畫面的同一位置上重疊。)利用“人造肌肉”上計(jì)數(shù)器的輸出端顯示的兩個(gè)滑竿之間的距離，通過兩個(gè)攝像頭的夾角，計(jì)算出物體與攝像頭之間的距離。利用上述方法再測(cè)出另一個(gè)物體的距離，利用他們的夾角可以推算出兩物體之間的距離。也可以利用該方法測(cè)量計(jì)算出物體的運(yùn)行速度。利用對(duì)焦測(cè)距功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)近的物體都可以進(jìn)行觀測(cè)。該系統(tǒng)既可以監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)的物體，也可以在運(yùn)動(dòng)中監(jiān)測(cè)物體。如果圖像識(shí)別軟件好的話，利用它代替人的眼睛實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)駕駛。
在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)中，肢體各部位的運(yùn)動(dòng)是可以同時(shí)進(jìn)行的。因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)發(fā)出的指令是目標(biāo)位的數(shù)字代碼，在執(zhí)行的過程中“人造肌肉”自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)監(jiān)控，控制系統(tǒng)在這一段時(shí)間，可以發(fā)出其它指令，指揮其他“人造肌肉”的運(yùn)動(dòng)，這就使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，和靈活性，以及對(duì)身體的調(diào)節(jié)能力大大提高。程序的編寫也比較簡(jiǎn)單，只是以一定的時(shí)間間隔，向不同的“人造肌肉”發(fā)出目標(biāo)位的數(shù)字代碼指令或運(yùn)動(dòng)方向指令。每一塊肌肉都有相應(yīng)的接口與控制系統(tǒng)連接，控制系統(tǒng)可以直接把目標(biāo)位的數(shù)字代碼，分配到相應(yīng)的“人造肌肉”上，這使機(jī)器人更靈活?！叭嗽旒∪狻钡倪\(yùn)動(dòng)速度也由控制系統(tǒng)提供的頻率來決定。
“人造肌肉”有智能化的特征，可以在自動(dòng)化機(jī)械、醫(yī)療器械、人造器官、兒童玩具等方面廣泛應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.人造肌肉和仿真機(jī)器人，它包括機(jī)器人的“骨骼”、“肌肉”、視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其特征是用《薄片線線圈》，做《永磁式簡(jiǎn)易步進(jìn)電機(jī)》的線管，用改進(jìn)后的《智能步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路》作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，它們組成“人造肌肉”。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人造肌肉和仿真機(jī)器人，其特征是改進(jìn)后的電壓控制電路，是用電壓比較器比較電機(jī)線圈與D/A轉(zhuǎn)換器輸出端的電壓，比較的結(jié)果，用來控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向，計(jì)數(shù)器的輸出分兩路低位信號(hào)送入D/A轉(zhuǎn)換器，組成電壓控制電路；高位信號(hào)送入譯碼器，譯碼后送入多路控制電路和最大阻力限制監(jiān)控電路
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人造肌肉和仿真機(jī)器人，其特征是在電機(jī)線圈上抽出一個(gè)電極，連接在電壓比較器上，把電壓比較器的參考電壓設(shè)為零，使其成為過零檢測(cè)器，輸出端用來控制電源開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人造肌肉和仿真機(jī)器人，其特征是控制系統(tǒng)用來處理視覺、嗅覺、聽覺等與肢體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的信息，以及根據(jù)“人造肌肉”中，最大阻力限制監(jiān)控電路提供的，方位和力度信息，在存儲(chǔ)器中提取各種肢體狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)程序代碼，通過平衡控制系統(tǒng)、電壓同步控制系統(tǒng)，控制機(jī)器人的動(dòng)靜平衡和肢體的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、4所述的人造肌肉和仿真機(jī)器人，其特征是平衡控制系統(tǒng)是由比較器與驅(qū)動(dòng)程序組成，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)應(yīng)的兩塊“人造肌肉”之間，設(shè)置一個(gè)數(shù)字比較器，連接在電壓控制電路中，用來比較計(jì)數(shù)器輸出端的數(shù)字大小，當(dāng)兩塊“人造肌肉”受到的力大小或方向不等時(shí)，比較器向控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，控制系統(tǒng)根據(jù)信息來自的位置，取出相應(yīng)的程序，控制機(jī)器人的平衡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、4所述的人造肌肉和仿真機(jī)器人，其特征是通過控制系統(tǒng)，用一塊“人造肌肉”的計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)輸入端，控制另一塊“人造肌肉”的數(shù)據(jù)輸入端，使其同步變幻，但數(shù)據(jù)可以有差別，兩塊“人造肌肉”一個(gè)主一個(gè)從，從遂主變。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人造肌肉和仿真機(jī)器人，其特征是軸承固定在機(jī)器人的頭上或身上，物鏡架固定在滑竿上，與軸連接，且可以橫向轉(zhuǎn)動(dòng)，攝像頭固定架，可以在滑竿上滑動(dòng)，“人造肌肉”用一個(gè)軸固定在滑竿上，它用伸縮控制兩個(gè)滑竿之間的角度，(同時(shí)也控制了兩個(gè)攝像頭的夾角)隨著“人造肌肉”的運(yùn)動(dòng)，通過彈簧和繩索調(diào)節(jié)攝像頭固定架與物鏡架的距離，在使用時(shí)，當(dāng)兩個(gè)攝像頭看到的某一個(gè)物品重合時(shí)，通過計(jì)算就可以得到該物體的距離，使調(diào)焦與測(cè)距同時(shí)完成，垂直運(yùn)動(dòng)的“人造肌肉”固定在中間的滑竿與水平運(yùn)動(dòng)“人造肌肉”之間。
全文摘要
人造肌肉和仿真機(jī)器人。本發(fā)明屬于，仿生機(jī)器。用于模仿生物體肢體的各種運(yùn)動(dòng)和平衡狀態(tài)。其中涉及到，仿真“肌肉”和肢體控制系統(tǒng)，還有仿真視覺系統(tǒng)。通過對(duì)《智能步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路》的改進(jìn)，使“人造肌肉”具有了，生物體內(nèi)骨骼肌的全部功能，用它制作機(jī)器人，可以使機(jī)器人活動(dòng)自如，這種機(jī)器人的靈活、反應(yīng)速度快。為機(jī)器人設(shè)計(jì)的視覺系統(tǒng)，有測(cè)距功能，還可以實(shí)現(xiàn)測(cè)速、測(cè)位和測(cè)物體間距等功能，而且不僅只用在機(jī)器人上。肢體控制系統(tǒng)利用上述兩種器材的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了肢體動(dòng)、靜平衡的自動(dòng)化控制。
文檔編號(hào)B25J13/00GK1586830SQ20041006938
公開日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月22日
發(fā)明者張金銘 申請(qǐng)人:張金銘