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专利号: 2020110135462
申请人: 山东科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 手动工具;轻便机动工具;手动器械的手柄;车间设备;机械手
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种昆虫机器人运动行为监测与控制系统,其特征在于:包括数据采集和滤波模块、数据解析模块、无线通讯A通信端模块、无线通讯B通信端模块、控制信号产生模块、两块电源管理模块、主控模块、上位机显示控制单元和数据存储模块;

数据采集和滤波模块、数据解析模块、无线通讯B通信端模块、控制信号产生模块和电源管理模块通过线路依次连接;电源管理模块分别和数据采集和滤波模块、数据解析模块、无线通讯B通信端模块通过线路连接;主控模块分别和无线通讯A通信端模块、数据存储模块通过线路连接;电源管理模块分别和无线通讯A通信端模块、主控模块、数据存储模块通过线路连接;

数据采集和滤波模块、数据解析模块、无线通讯B通信端模块、控制信号产生模块和电源管理模块构成系统从机,设计在同一集成PCB板中,固定于动物背部;

主控模块、无线通讯A通信端模块、数据存储模块、另一电源管理模块构成系统主机,设计在同一集成PCB板中,与上位机显示控制单元相连接;

数据采集和滤波模块,被配置为用于采集动物机器人的运动数据并对采集的数据进行滤波;

数据解析模块,被配置为用于对数据采集和滤波模块采集到的数据进行数据解析;

无线通讯A通信端模块,被配置为用于与无线通讯B通信端模块进行无线传输,接收无线通讯B通信端模块无线发送的动物机器人运动行为数据和回执信号;

无线通讯B通信端模块,被配置为用于与无线通讯A通信端模块进行无线传输,接收无线通讯A通信端模块发来的控制指令;

控制信号产生模块,被配置为用于接收无线通讯B通信端模块传来的相应指令,并产生相应的控制波形和回执信号,控制信号产生模块能够产生四个通道的控制波形,每个通道分别连接至预先植入昆虫体内的微电极;

主控模块,被配置为用于接收上位机显示控制单元传来的指令,并将其传给无线通讯A通信端模块,接收无线通讯A通信端模块传来的动物机器人运动数据协议包和回执信号,并将其传给上位机显示控制单元,另一方面,将监控到的运动信息和控制指令存到数据存储模块;

电源管理模块,被配置为用于对整个硬件系统包括系统主机和系统从机提供稳定的电源;

上位机显示控制单元,被配置为用于对动物机器人运动行为实时监测并发送控制指令给系统主机;

数据存储模块,被配置为用于存储监测到的动物机器人运动行为信息、已发出的历史控制指令;

上位机显示控制单元能够实时监测视野外的动物机器人的包括位置、姿态信息、速度、位移轨迹在内的信息,操作人员通过上位机显示控制单元确定需要发射的波形信号,上位机显示控制单元将刺激指令传递给系统主机中的主控模块,主控模块将刺激指令经无线通讯A、B通信端模块发送到控制信号发生模块,控制信号发生模块通过解码指令选择合适的通道发射所需波形刺激昆虫,从而实现其行为控制。

2.根据权利要求1所述的昆虫机器人运动行为监测与控制系统,其特征在于:PCB板采用插拔设计,能够随时卸载。

3.根据权利要求1所述的昆虫机器人运动行为监测与控制系统,其特征在于:数据解析模块,其内部集成有姿态解算器,配合动态卡尔曼滤波算法、漂移校正算法和积分算法,能够在动态环境下解算出动物机器人在三维空间的姿态角和运动学信息;运动学信息包括加速度、速度和位移;其中,数据解析模块中的微处理单元将解析的信息打包成数据协议包,以便下一步的数据无线传输使用。

4.根据权利要求1所述的昆虫机器人运动行为监测与控制系统,其特征在于:电源管理模块,采用聚合物锂电池供电,电池采用插拔设计,能够随时更换,电源管理模块包括稳压电路、升压电路;稳压电路和升压电路通过线路连接。

5.根据权利要求1所述的昆虫机器人运动行为监测与控制系统,其特征在于:PCB板中集有数据解算器,配合动态卡尔曼滤波算法能够地输出机器人当前姿态和运动学数据。

6.根据权利要求1所述的昆虫机器人运动行为监测与控制系统,其特征在于:控制信号产生模块的波形多样化,能够选择的波形包括方波、正弦波和三角波,也能够选择不同频率的波形叠加。

7.根据权利要求1所述的昆虫机器人运动行为监测与控制系统,其特征在于:上位机显示控制单元,设置有动物机器人三维姿态角度显示界面,动物机器人实时位移显示界面,原始数据的记录、存储、查看界面以及自动或手动控制界面。

8.根据权利要求1所述的昆虫机器人运动行为监测与控制系统,其特征在于:该监测与控制系统为集数据无线采集、实时监测、控制于一体的闭环反馈系统。

9.一种昆虫机器人运动行为监测与控制方法,其特征在于:采用如权利要求1所述的昆虫机器人运动行为监测与控制系统,具体包括如下步骤:步骤1:实验人员将系统从机与预先植入昆虫体内的微电极连接,根据昆虫体内不同位置特性,在上位机显示控制单元中选择合适波形并适当调整刺激参数,刺激指令发出后通过主控模块、无线通讯A、B通信端模块传送到系统从机的控制信号发生模块;

步骤2:控制信号发生模块根据接收到的指令选择相对应的控制信号传输通道,并发出相应的控制波形,控制波形经控制信号传输通道作用于昆虫,使其完成相应的包括左右转、前进在内的动作;

步骤3:将昆虫机器人放于视野范围外,固定于动物背部的数据采集、解析模块得到的数据协议包经无线通讯A、B通信端模块传送给系统主机的主控模块,主控模块接收到数据协议包后通过USB数据连接线将数据协议包传给上位机,上位机显示控制单元根据接收到的运动数据向用户提供昆虫机器人的包括三维姿态角、位移轨迹和速度在内的信息;

步骤4:设定昆虫机器人要达到的目标位置,用户在上位机显示控制单元实时观察昆虫机器人的运动信息,通过三维姿态角、位移轨迹、速度等信息判断与目标位置的偏差,从而决定需要发出的控制指令;

步骤5:在上位机显示控制单元的手动控制界面,用户能够根据昆虫机器人当前的位置与目标位置之间的偏差,通过左右转、前进按键发送左右转、前进控制指令;

步骤6:控制信号发生模块根据接收到的指令选择相对应的控制信号传输通道,并发出相应的控制波形后,产生回执信号,回执信号沿指令传来的通道逆向传到上位机显示控制单元,此时信号发出控制灯亮;用户能够给根据信号发出控制灯的亮灭状态判断波形是否成功发出;

步骤7:在上位机的自动控制界面,用户可以预定位移轨迹使昆虫机器人按预定位移轨迹行进,上位机显示控制单元将监测到的昆虫位移轨迹与预定位移轨迹进行对比,根据偏移角度发出相应的左右转、前进指令,使信号发生模块接收指令后产生相应的刺激波形,从而使昆虫按预定位移轨迹行进以达到控制目的;

步骤8:昆虫的实际位置与界面中的位置按一定比例映射,映射比例能够设置,当向昆虫施加刺激时,每发出一次控制指令,上位机显示控制单元将记录刺激点位置并在位移轨迹上做出相应标记;

步骤9:当刺激一段时间后,昆虫会适应当前刺激参数,用户能够加大刺激参数或者选择其他种类的刺激波形。

步骤10:主控模块将监测到的运动行为信息和刺激参数存入数据存储模块,用户可以通过数据存储模块查看历史数据进行实验数据分析。