專利名稱：一種雙足機器人跨越障礙物的下肢運動規(guī)劃系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙足機器人跨越障礙物的下肢運動規(guī)劃系統(tǒng)，具體涉及一種雙足機器人行走過程中遇到障礙物，下肢各關(guān)節(jié)的運動規(guī)劃系統(tǒng)，屬于雙足機器人的運動規(guī)劃系統(tǒng)的改造技術(shù)。
背景技術(shù)：
機器人是近年發(fā)展起來的綜合學(xué)科。它集中了機械工程、電子工程、計算機工程、 自動控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機電一體化的最高成就， 是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。目前機器人的移動方式包括輪式、履帶式、步行、爬行、蠕動等。輪式、履帶式運動本身已經(jīng)成熟，對輪式、履帶式移動機器人的研究主要集中在自主運動控制上，但是這兩種方式對環(huán)境空間要求較高，因而其應(yīng)用范圍受到一定的限制。爬行和蠕動型機器人主要用于管道和其它狹窄空間內(nèi)作業(yè)，具有良好的靜、動態(tài)穩(wěn)定性，但移動速度較慢。雙足步行機器人與輪式、履帶式機器人相比有許多突出的優(yōu)越性
(1)雙足步行機器人能適應(yīng)各種地面且具有較高的逾越障礙的能力，能夠方便的上下臺階及通過不平整、不規(guī)則或較窄的路面，它的移動“盲區(qū)”很??；
(2)雙足步行機器人的能耗很小。因為該機器人可具有獨立的能源裝置，因此在設(shè)計時就應(yīng)充分考慮其能耗問題。機器人力學(xué)計算也表明，足式機器人的能耗通常低于輪式和履帶式；
(3)雙足步行機器人具有廣闊的工作空間。由于行走系統(tǒng)的占地面積小，而活動范圍很大，所以為其配置的機械手提供了更大的活動空間，同時也可使機械手臂設(shè)計得較為短小緊湊；
(4)雙足直立行走是生物界難度最高的行走動作。但其步行性能卻是其它步行結(jié)構(gòu)所無法比擬的。因此，步行機器人的研制對機器人的結(jié)構(gòu)變化提出了更高的要求，同時也將有力地推進機器人學(xué)及其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。仿人機器人是工程上少有的高階、非線性、非完整約束的多自由度系統(tǒng)。這對機器人的運動學(xué)、動力學(xué)及控制理論的研究提供了一個非常理想的實驗平臺，在對其研究的過程中#很可能導(dǎo)致力學(xué)及控制領(lǐng)域中新理論、新方法的產(chǎn)生，另外，仿人機器人的研究還可以推動仿生學(xué)、人工智能、計算機圖形、通信等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。因此，仿人步行機器人的研制具有十分重大的價值和意義。在雙足機器人研究的眾多問題之中，雙足機器人的動作規(guī)劃是機器人研究的重點也是難點，能夠得到像人一樣穩(wěn)定連續(xù)的雙足步行、跨越障礙物等動作是雙足機器人研究的最終目標(biāo)。機器人順利跨越不同高度的障礙物屬于機器人復(fù)雜運動的一種，也是模擬人類日常生活中的一個復(fù)雜運動。特別是機器人在戶外操作時，機器人遇到不同高度的障礙物是在所難免。因此最大程度的減少被障礙物絆跌而帶來的傷害，并在遇到障礙物時平穩(wěn)跨過障礙物，繼續(xù)向前行走，成了研究的重點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種自然、穩(wěn)定、符合人體運動特征的雙足機器人跨越障礙物的下肢運動規(guī)劃系統(tǒng)。本發(fā)明設(shè)計合理，方便實用。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明的雙足機器人跨越障礙物的下肢運動規(guī)劃系統(tǒng)，包括有機器人控制器、動作執(zhí)行器、各關(guān)節(jié)電機、障礙物檢測模塊，其中檢測機器人前方狀況的障礙物檢測模塊的信號輸出端與機器人控制器的信號輸入端連接，機器人控制器的控制信號輸出端與動作執(zhí)行器的信號輸入端連接，動作執(zhí)行器的信號輸出端與驅(qū)動各關(guān)節(jié)運動的各關(guān)節(jié)電機的信號輸入端連接。上述動作執(zhí)行器包括多關(guān)節(jié)控制器、功率驅(qū)動電路、光電編碼器和比較電路，其中機器人控制器的控制信號輸出端與多關(guān)節(jié)控制器的信號輸入端連接，多關(guān)節(jié)控制器的信號輸出端與功率驅(qū)動電路的信號輸入端連接，功率驅(qū)動電路的信號輸出端與驅(qū)動各關(guān)節(jié)運動的各關(guān)節(jié)電機的信號輸入端連接，且檢測各關(guān)節(jié)電機的運動狀況的光電編碼器的信號輸出端與比較電路的信號輸入端連接，比較電路的信號輸出端與多關(guān)節(jié)控制器的信號輸入端連接。上述各關(guān)節(jié)電機為伺服電機。上述障礙物檢測模塊包括超聲波傳感器、濾波電路、運算放大電路和視覺模塊， 其中超聲波傳感器的信號輸出端與濾波電路的輸入端連接，濾波電路的輸出端與運算放大電路的輸入端連接，視覺模塊與超聲波傳感器、濾波電路、運算放大電路并行。上述機器人控制器包括有動作生成模塊及動作存儲模塊，障礙物檢測模塊中的實時檢測到機器人前方障礙物信息的超聲波傳感器和視覺模塊的信號輸出端與動作生成模塊的信號輸入端連接，動作生成模塊判斷出機器人前方障礙物的狀態(tài)，并規(guī)劃出各關(guān)節(jié)站起動作方案，存儲至動作存儲模塊，并將控制指令傳送至動作執(zhí)行器。上述動作生成模塊包括姿態(tài)判別模塊、數(shù)值運算模塊和指令生成模塊，上述姿態(tài)判別模塊是根據(jù)障礙物檢測模塊獲取到的機器人前方的障礙物信息，按照χ、γ、ζ三個方向上速度、加速度的變化趨勢，發(fā)送信息給數(shù)值運算模塊，數(shù)值運算模塊負責(zé)規(guī)劃機器人各關(guān)節(jié)的動作軌跡，實時接收倒地信號，通過指令生成模塊生成與之對應(yīng)的跨越障礙物的動作命令，制定出不同動作階段每個關(guān)節(jié)的運動軌跡，并轉(zhuǎn)化成角度指令傳送給動作存儲模塊。上述動作存儲模塊包括動作存儲單元和數(shù)據(jù)控制電路，其中數(shù)據(jù)控制電路對動作存儲單元進行數(shù)據(jù)的輸入輸出操作。本發(fā)明模擬人在行走過程中發(fā)現(xiàn)障礙物，采用閉環(huán)控制，利用超聲波傳感器實時檢測到機器人前方障礙物，由視覺模塊判斷出前方障礙物的高度，動作生成模塊規(guī)劃出下肢各關(guān)節(jié)動作方案，存儲至動作存儲器，最后由動作控制模塊完成該動作。本發(fā)明是對機器人正常行走的很好補充，所規(guī)劃動作有效協(xié)調(diào)利用了機器人的下肢的各關(guān)節(jié)，是一種自然、 穩(wěn)定、符合人體運動特征的雙足機器人跨越障礙物的下肢運動規(guī)劃系統(tǒng)，本發(fā)明雙足機器人跨越障礙物的下肢運動規(guī)劃系統(tǒng)增強了機器人對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。


圖1為本發(fā)明的原理框圖2為本發(fā)明動作執(zhí)行器的原理框圖； 圖3為本發(fā)明障礙物檢測模塊的原理框圖； 圖4為本發(fā)明動作存儲模塊的原理框圖。
具體實施例方式實施例
本發(fā)明的原理框圖如圖1所示，本發(fā)明的雙足機器人跨越障礙物的下肢運動規(guī)劃系統(tǒng)，包括有機器人控制器1、動作執(zhí)行器2、各關(guān)節(jié)電機3、障礙物檢測模塊4，其中檢測機器人前方狀況的障礙物檢測模塊4的信號輸出端與機器人控制器1的信號輸入端連接，機器人控制器1的控制信號輸出端與動作執(zhí)行器2的信號輸入端連接，動作執(zhí)行器2的信號輸出端與驅(qū)動各關(guān)節(jié)運動的各關(guān)節(jié)電機3的信號輸入端連接。本實施例中，上述動作執(zhí)行器2包括多關(guān)節(jié)控制器21、功率驅(qū)動電路22、光電編碼器23和比較電路M，其中機器人控制器1的控制信號輸出端與多關(guān)節(jié)控制器21的信號輸入端連接，多關(guān)節(jié)控制器21的信號輸出端與功率驅(qū)動電路22的信號輸入端連接，功率驅(qū)動電路22的信號輸出端與驅(qū)動各關(guān)節(jié)運動的各關(guān)節(jié)電機3的信號輸入端連接，且檢測各關(guān)節(jié)電機3的運動狀況的光電編碼器23的信號輸出端與比較電路M的信號輸入端連接， 比較電路M的信號輸出端與多關(guān)節(jié)控制器21的信號輸入端連接。本實施例中，所述多關(guān)節(jié)控制器21主要負責(zé)接收動作存儲器的運動指令，按規(guī)定的協(xié)議進行轉(zhuǎn)換、解釋，并結(jié)合固化在關(guān)節(jié)控制器中的運動控制算法完成對機器人關(guān)節(jié)電機的控制。結(jié)合控制算法給驅(qū)動器發(fā)送控制指令或者PWM波序列，同時通過光電編碼器22等傳感器件反饋回來的信號再對控制指令(或者PWM波序列)做相應(yīng)的調(diào)整，從而使機器人各個關(guān)節(jié)都達到或最大程度的接近控制器的預(yù)期狀態(tài)。本實施例中，上述各關(guān)節(jié)電機3為伺服電機。上述障礙物檢測模塊4包括超聲波傳感器41、濾波電路42、運算放大電路43和視覺模塊44，其中超聲波傳感器41的信號輸出端與濾波電路42的輸入端連接，濾波電路42 的輸出端與運算放大電路43的輸入端連接，視覺模塊44與超聲波傳感器41、濾波電路42、 運算放大電路43并行。本實施例中，上述機器人控制器1包括有動作生成模塊11及動作存儲模塊12，障礙物檢測模塊4中的實時檢測到機器人前方障礙物信息的超聲波傳感器41和視覺模塊44 的信號輸出端與動作生成模塊11的信號輸入端連接，動作生成模塊11判斷出機器人前方障礙物的狀態(tài)，并規(guī)劃出各關(guān)節(jié)站起動作方案，存儲至動作存儲模塊12，并將控制指令傳送至動作執(zhí)行器2。本實施例中，上述動作生成模塊11包括姿態(tài)判別模塊、數(shù)值運算模塊和指令生成模塊，上述姿態(tài)判別模塊是根據(jù)障礙物檢測模塊獲取到的機器人前方的障礙物信息，按照 X、Y、Z三個方向上速度、加速度的變化趨勢，發(fā)送信息給數(shù)值運算模塊，數(shù)值運算模塊負責(zé)規(guī)劃機器人各關(guān)節(jié)的動作軌跡，實時接收倒地信號，通過指令生成模塊生成與之對應(yīng)的跨越障礙物的動作命令，制定出不同動作階段每個關(guān)節(jié)的運動軌跡，并轉(zhuǎn)化成角度指令傳送給動作存儲模塊12。本實施例中，上述動作存儲模塊12包括動作存儲單元121和數(shù)據(jù)控制電路122，其中數(shù)據(jù)控制電路122對動作存儲單元121進行數(shù)據(jù)的輸入輸出操作。本實施例中，雙足機器人左腿跨越障礙物的運動方式按照如下過程進行
1)機器人的大腿繞髖關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn)，小腿繞膝關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn)，大腿向上抬起，小腿向后彎曲，直到左腳尖與障礙物相平，同時重心由兩腿中間向右偏移，保持身體的平衡。2)左腳繞踝關(guān)節(jié)逆時針轉(zhuǎn)動，使腳掌與地面平行，大腿繞髖關(guān)節(jié)繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)， 使大腿向上抬起，左腳在障礙物頂部向前移動。3)小腿繞膝關(guān)節(jié)逆時針轉(zhuǎn)動，使左腳向前移動，跨過障礙物。4)大腿繞髖關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn)，小腿繞膝關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn)，左腳繞踝關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn)，使左腳落地。本實施例中，雙足機器人右腿跨越障礙物的運動方式按照如下過程進行
1)機器人髖關(guān)節(jié)隨著上半身向前移動，大腿繞膝關(guān)節(jié)順時針繞動一定角度，身體重心前移。2)機器人膝關(guān)節(jié)向前移動，大腿繞髖關(guān)節(jié)逆時針轉(zhuǎn)動至即將于上身在一條線上， 小腿繞膝關(guān)節(jié)順時針轉(zhuǎn)動，直至右腳高于障礙物。3 )機器人的膝關(guān)節(jié)繼續(xù)向前移動，大腿繼續(xù)繞髖關(guān)節(jié)逆時針轉(zhuǎn)動，小腿，踝關(guān)節(jié)和右腳隨著膝關(guān)節(jié)向前平行移動。 4 )大腿繼續(xù)繞髖關(guān)節(jié)逆時針轉(zhuǎn)動，大腿帶到小腿向上抬起，使右腳跨過障礙物。
5 )機器人大腿繞髖關(guān)節(jié)順時針轉(zhuǎn)動，小腿繞膝關(guān)節(jié)逆時針轉(zhuǎn)動，膝關(guān)節(jié)下移，右腳
掌著地。
權(quán)利要求
1.一種雙足機器人跨越障礙物的下肢運動規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于包括有機器人控制器 (1)、動作執(zhí)行器(2)、各關(guān)節(jié)電機(3)、障礙物檢測模塊(4)，其中檢測機器人前方狀況的障礙物檢測模塊(4)的信號輸出端與機器人控制器(1)的信號輸入端連接，機器人控制器(1) 的控制信號輸出端與動作執(zhí)行器(2)的信號輸入端連接，動作執(zhí)行器(2)的信號輸出端與驅(qū)動各關(guān)節(jié)運動的各關(guān)節(jié)電機(3)的信號輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙足機器人跨越障礙物的下肢運動規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于上述動作執(zhí)行器(2)包括多關(guān)節(jié)控制器(21)、功率驅(qū)動電路(22)、光電編碼器(23)和比較電路(24)，其中機器人控制器(1)的控制信號輸出端與多關(guān)節(jié)控制器(21)的信號輸入端連接，多關(guān)節(jié)控制器(21)的信號輸出端與功率驅(qū)動電路(22)的信號輸入端連接，功率驅(qū)動電路(22)的信號輸出端與驅(qū)動各關(guān)節(jié)運動的各關(guān)節(jié)電機(3)的信號輸入端連接，且檢測各關(guān)節(jié)電機(3)的運動狀況的光電編碼器(23)的信號輸出端與比較電路(24)的信號輸入端連接，比較電路(24)的信號輸出端與多關(guān)節(jié)控制器(21)的信號輸入端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙足機器人跨越障礙物的下肢運動規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于上述各關(guān)節(jié)電機(3)為伺服電機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的雙足機器人跨越障礙物的下肢運動規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于上述障礙物檢測模塊(4)包括超聲波傳感器(41)、濾波電路(42)、運算放大電路 (43)和視覺模塊(44)，其中超聲波傳感器(41)的信號輸出端與濾波電路(42)的輸入端連接，濾波電路(42)的輸出端與運算放大電路(43)的輸入端連接，視覺模塊(44)與超聲波傳感器(41)、濾波電路(42)、運算放大電路(43)并行。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙足機器人跨越障礙物的下肢運動規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于上述機器人控制器(1)包括有動作生成模塊(11)及動作存儲模塊(12)，障礙物檢測模塊(4) 中的實時檢測到機器人前方障礙物信息的超聲波傳感器(41)和視覺模塊(44)的信號輸出端與動作生成模塊(11)的信號輸入端連接，動作生成模塊(11)判斷出機器人前方障礙物的狀態(tài)，并規(guī)劃出各關(guān)節(jié)站起動作方案，存儲至動作存儲模塊(12)，并將控制指令傳送至動作執(zhí)行器(2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙足機器人跨越障礙物的下肢運動規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于上述動作生成模塊(11)包括姿態(tài)判別模塊、數(shù)值運算模塊和指令生成模塊，上述姿態(tài)判別模塊是根據(jù)障礙物檢測模塊獲取到的機器人前方的障礙物信息，按照χ、γ、ζ三個方向上速度、加速度的變化趨勢，發(fā)送信息給數(shù)值運算模塊，數(shù)值運算模塊負責(zé)規(guī)劃機器人各關(guān)節(jié)的動作軌跡，實時接收倒地信號，通過指令生成模塊生成與之對應(yīng)的跨越障礙物的動作命令， 制定出不同動作階段每個關(guān)節(jié)的運動軌跡，并轉(zhuǎn)化成角度指令傳送給動作存儲模塊(12)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙足機器人跨越障礙物的下肢運動規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于上述動作存儲模塊(12)包括動作存儲單元(121)和數(shù)據(jù)控制電路(122)，其中數(shù)據(jù)控制電路 (122)對動作存儲單元(121)進行數(shù)據(jù)的輸入輸出操作。
全文摘要
本發(fā)明是一種雙足機器人跨越障礙物的下肢運動規(guī)劃系統(tǒng)。包括有機器人控制器、動作執(zhí)行器、各關(guān)節(jié)電機、障礙物檢測模塊，其中檢測機器人前方狀況的障礙物檢測模塊的信號輸出端與機器人控制器的信號輸入端連接，機器人控制器的控制信號輸出端與動作執(zhí)行器的信號輸入端連接，動作執(zhí)行器的信號輸出端與驅(qū)動各關(guān)節(jié)運動的各關(guān)節(jié)電機的信號輸入端連接。本發(fā)明參照人類跨越障礙物的方式，通過閉環(huán)反饋，對機器人對應(yīng)關(guān)節(jié)進行運動規(guī)劃，實現(xiàn)平穩(wěn)跨越行走過程中所遇到的障礙物。本發(fā)明所規(guī)劃動作有效利用了機器人的下肢各關(guān)節(jié)，是一種自然、穩(wěn)定、符合人體運動特征的雙足機器人跨越障礙物的下肢運動規(guī)劃系統(tǒng)，增強了機器人對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。
文檔編號G05D1/08GK102541068SQ20111044435
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者劉治, 章云, 羅永超 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)