微型机器人以及群机器人系统的制作方法

本发明涉及自动控制技术、计算机技术、通信技术以及机电信息领域，具体涉及一种微型机器人以及一种由多个该微型机器人组成的群机器人系统。

背景技术：

群机器人系统是多机器人系统的一类，是由大量的、简单自治的单体机器人组成，它们之间通过交互、协调和控制，“涌现”出群体宏观行为，尤其是宏观动力学的有序行为，例如耦合动力学研究。这种群机器人系统的灵感来源于蚂蚁、蜜蜂一类的生物群系统，这类昆虫在没有统一领导的情况下，也能合作执行大量复杂的任务。目前，群机器人系统已经可以实现集群机器人避障、集群机器人编队控制以及群机器人合作快速搜索、围捕、跟踪目标等。

受蚁群和蜂群启发，哈佛大学发明了由上千个微型机器人kilobot组成的机器人群组，其中每个单体机器人都设置有小型微处理器、红外传感器以及振动电机，在没有中央控制系统协调和组织的情况下，这些机器人可以进行通信、测距、定位等操作，进而可以自行协作完成指定任务，甚至还可以自行组合成另一个全新的机器人。

但是kilobot机器人还存在一些不足：(1)kilobot机器人的移动是通过电机振动实现的，移动效果不佳；(2)kilobot机器人中的通信、测距系统所占安装空间比较大；(3)kilobot机器人中的通信、测距系统不够稳定、存在缺陷，例如kilobot机器人的测距是通过平台的反射，其效果受其所处平台环境颜色的影响很大；(4)供电需求亟待解决，具体表现在kilobot机器人充电数小时，只能供数十分钟的工作耗电，而且充电和供电没法同时进行。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种微型机器人以及包含多个该微型机器人的群机器人系统。

本发明提供了一种微型机器人，具有这样的特征，包括：驱动部，用于驱动微型机器人移动；控制部，用于控制微型机器人的交互行为，包含从上至下依次设置且相互进行电连接的上电路板、中电路板、两个侧电路板和下电路板；以及供电部，用于对驱动部和控制部进行供电，包含设置中电路板的上表面的电池以及设置在下电路板的下表面的无线充电线圈，其中，驱动部包含电机、固定在电机上的主动轮、与主动轮连接的皮带以及通过皮带带动运行的车轮，上电路板用于传感与显示，包含设置在上电路板上表面的磁传感器、led灯和显示器，设置在上电路板下表面的红外线发射管和红外线接收管，以及用于控制磁传感器、led灯、显示器、红外线发射管和红外线接收管的第一控制器，中电路板用于无线通信，设置有无线收发模块和用于控制无线收发模块的第二控制器，侧电路板与电机进行电连接，用于驱动控制，下电路板用于供电控制，包含电池充电管理芯片、dc/dc转换芯片以及无线充电管理芯片。

在本发明提供的微型机器人中，还可以具有这样的特征：其中，中电路板的上表面还设置有半球形反光镜，半球形反光镜用于反射红外信号。

在本发明提供的微型机器人中，还可以具有这样的特征：其中，第一控制器为8bit微型控制器，第二控制器为32bit微型控制器。

在本发明提供的微型机器人中，还可以具有这样的特征：其中，磁传感器为三轴磁传感器，测量单体机器人静态情况下的姿态角，该姿态角为俯仰角、翻滚角或朝向角。

在本发明提供的微型机器人中，还可以具有这样的特征：其中，led灯为红绿蓝三色led灯，根据亮灯颜色指示单体机器人的当前状态，显示器为液晶显示器，用于显示与当前状态对应的参数。

在本发明提供的微型机器人中，还可以具有这样的特征：其中，无线收发模块为wifi收发模块或蓝牙收发模块，与智能终端通信连接。

在本发明提供的微型机器人中，还可以具有这样的特征：其中，上电路板和中电路板之间通过导电棒进行电连接，导电棒为金属导电材料、合金导电材料、复合导电材料中任意一种。

在本发明提供的微型机器人中，还可以具有这样的特征：其中，中电路板和侧电路板之间通过插接方式进行电连接，侧电路板和下电路板之间通过插接方式进行电连接，侧电路板和下电路板分别设置有多个金手指，中电路板和侧电路板分别设置有与多个金手指相匹配的多个插槽，插接方式为多个金手指对应插入多个插槽。

在本发明提供的微型机器人中，还可以具有这样的特征：其中，单体机器人的尺寸为40mm×40mm×66mm。

本发明提供了一种群机器人系统，具有这样的特征，包括：多个结构相同的机器人单体，以及试验平台，用于多个机器人单体进行试验活动以及充电，试验平台的下表面设置有无线充电发射线圈阵列，其中，机器人单体为上述的微型机器人。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的群机器人系统，包括多个结构相同的微型机器人单体以及设置有无线充电发射线圈阵列的试验平台，每个微型机器人单体包含驱动部、控制部以及供电部，由于驱动部具有车轮和电机，因此，通过电机驱动车轮可以实现微型机器人的移动；由于控制部从上至下依次设置有用于传感的上电路板、用于无线通信的中电路板、用于驱动控制的两个侧电路板和用于供电控制的下电路板，结构合理，因此，本发明在实现复杂的交互行为的同时有效地利用了微型机器人的空间结构；由于微型机器人中设有有线充电和无线充电两种方式能保证其供电稳定，而且采用无线充电时，微型机器人不必静止、仍然能继续活动，因此，本发明的不仅实现了机器人的稳定供电，而且采用还可以保证充电和供电同时进行，不影响机器人的试验活动。

由此可见，本发明的微型机器人及其群机器人系统具有移动便捷、结构精巧、充电稳定的特点，因此，能更好地适用于群机器人的试验活动。

附图说明

图1是本发明的实施例中群机器人系统的示意图；

图2是本发明的实施例中微型机器人的示意图(一)；

图3是本发明的实施例中微型机器人的示意图(二)；

图4是本发明的实施例中侧电路板的示意图；以及

图5是本发明的实施例中微型机器人的电气连接图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的微型机器人及其群机器人系统作具体阐述。

图1是本发明的实施例中群机器人系统的示意图。

如图1所示，本发明的群机器人系统200包括多个结构相同的微型机器人100单体以及试验平台300。

每个微型机器人100具有唯一的id识别信息。试验平台300用于多个微型机器人100进行试验活动以及充电。试验平台300的下表面设置有无线充电发射线圈阵列301，用于感应以及发射功率。

以下对本实施例中的微型机器人100做详细的阐述：

图2是本发明的实施例中微型机器人的示意图(一)；以及图3是本发明的实施例中微型机器人的示意图(二)。其中，图2中右图为a-a截面的仰视图。

如图2～3所示，微型机器人100的尺寸长×宽×高为40mm×40mm×66mm。微型机器人100包括：驱动部10、控制部20以及供电部30。

驱动部10用于驱动微型机器人100移动。驱动部10具有两组，每组均具有电机11、主动轮12、皮带13、车轮14和车轴15。主动轮12通过电机轴固定在电机11，电机11驱动主动轮12运转。皮带13连接主动轮12和车轮14，主动轮12带动皮带13运转。车轮14通过皮带13带动运行。车轴15用于连接车轮。

控制部20用于控制微型机器人100的交互行为，包含从上至下依次设置且相互之间进行电连接的上电路板21、中电路板22、两个侧电路板23和下电路板24。

上电路板21用于传感与显示。上电路板21包含设置在上表面的磁传感器21a、led灯21b和显示器21c；设置在下表面的红外线发射管21d和红外线接收管21e；以及第一控制器(图中未示)。

磁传感器21a采用三轴磁传感器，测量微型机器人100静态情况下的姿态角，该姿态角为俯仰角、翻滚角或朝向角。在本实施例中，采用三轴磁传感器测量微型机器人100的朝向角。

led灯21b采用红绿蓝三色led灯，根据亮灯颜色指示单体机器人的当前状态。红绿蓝三色可以混合成很多颜色，不同颜色表示不同状态，例如红色表示微型机器人100出现错误，绿色表示正常运行，橙色代表电力不足，蓝色表示需要其他微型机器人100配合，青色代表脱离群体等。

显示器21c采用液晶显示器用于显示与当前状态对应的参数。例如，当电量不足时，显示剩余电量的百分比等。

第一控制器采用8bit微型控制器，用于控制磁传感器21a、led灯21b、显示器21c、红外线发射管21d和两个红外线接收管21e。

中电路板22用于无线通信，设置有无线收发模块22a、第二控制器(图中未示)和半球形反光镜22b。

无线收发模块22a为wifi收发模块或蓝牙收发模块，与智能终端通信连接。通过无线通信可以将该微型机器人100的id识别信息、当前定位信息、以及其他相应的数据上传至服务器，同时也可以下载相关的控制程序。

第二控制器采用32bit微型控制器用于控制无线收发模块22a。

半球形反光镜22b设置在中电路板22的上表面，用于反射红外信号，以增加红外通信距离。

上电路板21和中电路板22之间通过导电棒25进行电连接。导电棒25为金属导电材料、合金导电材料、复合导电材料中任意一种。在本实施例中，采用4根铜棒作为导电棒25，分别为电源正极棒、电源地极棒、串行发送(tx)棒、串行接收(rx)棒。

图4是本发明的实施例中侧电路板的示意图。

如图所示，侧电路板23上设置有电机法兰孔23a、电机螺栓孔23b、车轴孔23c、金手指23d和金手指插槽23e。电机法兰孔23a用于定位电机，电机螺栓孔23b用于安装并固定电机。车轴孔23c供车轴15穿过。金手指23d通过中电路板22上的金手指插槽(图中未示)相配合，实现侧电路板23与中电路板22进行电连接。金手指插槽23e通过下电路板24上的金手指(图中未示)，实现侧电路板23与下电路板24进行电连接。

侧电路板23的底部位置23h处覆有铜，当两个侧电路板23分别接触外部电源的正极并接地时，可以通过有线的方式给微型机器人100充电。

下电路板24用于供电控制，包含电池充电管理芯片、dc/dc转换芯片以及无线充电管理芯片。

供电部30用于对驱动部10和控制部20进行供电。供电部30包含设置中电路板22的上表面的电池31以及设置在下电路板24的下表面且与无线充电发射线圈阵列301相匹配的无线充电线圈。在本实施例中电池31为3.7v的方形聚合物锂离子电池。

图5是本发明的实施例中微型机器人的电气连接图。

本发明的微型机器人100及其群机器人系统200的使用过程如下：

如图5所示，在微型机器人100中，8bit微控制器的主要功能是通过三轴磁传感器检测机器人姿态，控制液晶显示显示具体参数，驱动三色led灯显示状态，调制一个红外发射器与两个红外发射器来通讯及相对定位其他微型机器人，其工作原理类似人类双耳辨别声音差异来进行定位。32bit微控制器作为主控制器可以通过esp8266无线wifi收发模块接收上层服务器信息，也可以把自身参数上传服务器；驱动电机；利用串行通讯tx，rx与传感控制器通信。下电路板主要用于电源管理工作，其具有有线充电和无线充电两种充电模式。通过dc\dc稳定系统电压供给。

如图1和图5所示，群机器人系统200可以通过红外线(图1中箭头所示)近场通信来传送各自的标识id，并同时测量定位数据发送方的相对位置，其原理为根据两红外接收器不同的接收强度，通过三角测距法计算得到发送者的相对位置；其内部数据以及运行脚本可以通过wifi模块上传和下载；运行试验台下方布置无线充电发射线圈阵列301，时刻为运行中的群机器人100补充电力。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的群机器人系统，包括多个结构相同的微型机器人单体以及设置有无线充电发射线圈阵列的试验平台，每个微型机器人单体包含驱动部、控制部以及供电部，由于驱动部具有车轮和电机，因此，通过电机驱动车轮可以实现微型机器人的移动；由于控制部从上至下依次设置有用于传感的上电路板、用于无线通信的中电路板、用于驱动控制的两个侧电路板和用于供电控制的下电路板，结构合理，因此，本实施例在实现复杂的交互行为的同时有效地利用了微型机器人的空间结构；由于微型机器人中设有有线充电和无线充电两种方式能保证其供电稳定，而且采用无线充电时，微型机器人不必静止、仍然能继续活动，因此，本实施例的不仅实现了机器人的稳定供电，而且采用还可以保证充电和供电同时进行，不影响机器人的试验活动。

由此可见，本实施例的微型机器人及其群机器人系统具有移动便捷、结构精巧、充电稳定的特点，因此，能更好地适用于群机器人的试验活动。

另外，在中电路板的上表面还设置有半球形反光镜，半球形反光镜用于反射红外信号。这样的设置有利于增加红外通信距离，保证微型机器人之间的传感测距能稳定运行，解决了现有技术中机器人之间通信、测距不稳定的问题。

另外，设置有wifi模块，可便于上传和下载相应的数据，便于用户对群机器人系统的试验程序进行调试与修改。

另外，本实施例中的群机器人系统结构设计合理保证了机器人性能，而且具有成本低的特点，此外，还由于制造材料均为最常见的材料、装配过程便捷，因此适用于批量生产。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。