CN102372042A

CN102372042A - 一种双足机器人的运动规划系统

Info

Publication number: CN102372042A
Application number: CN2011102630581A
Authority: CN
Inventors: 刘治; 赵之光; 王丽杨; 郑国雄; 章云
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2012-03-14

Abstract

本发明是一种双足机器人的运动规划系统。包括机器人控制器及动作执行器，机器人控制器的控制信号输出端与动作执行器的信号输入端连接，动作执行器的信号输出端与驱动各关节运动的各关节电机的信号输入端连接，检测各关节运动状况的跌倒检测模块的信号输出端与机器人控制器的信号输入端连接。其中跌倒检测模块利用加速度传感器实时获取机器人的姿态信息，并通过动作存储模块负责存储动作生成模块规划所得动作方案，动作执行器负责执行存储动作。本发明参照人类跌倒后的站起方式，通过闭环反馈，触发动作模块，对机器人对应关节进行运动规划，实现跌倒后的平稳起立，所规划动作有效利用了机器人的上肢，增强了机器人对复杂环境的适应性。

Description

一种双足机器人的运动规划系统

技术领域

本发明是一种双足机器人的运动规划系统，具体涉及一种双足机器人倒地后，在仰卧和俯卧两种不同情况下的站起运动规划系统，属于双足机器人的运动规划系统的改造技术。

背景技术

机器人是近年发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最高成就，是目前科技发展最活跃的领域之一。

目前机器人的移动方式包括轮式、履带式、步行、爬行、蠕动等。轮式、履带式运动本身已经成熟，对轮式、履带式移动机器人的研究主要集中在自主运动控制上，但是这两种方式对环境空间要求较高，因而其应用范围受到一定的限制。爬行和蠕动型机器人主要用于管道和其它狭窄空间内作业，具有良好的静、动态稳定性，但移动速度较慢。双足步行机器人与轮式、履带式机器人相比有许多突出的优越性：

(1)双足步行机器人能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，能够方便的上下台阶及通过不平整、不规则或较窄的路面，它的移动“盲区”很小；

(2)双足步行机器人的能耗很小。因为该机器人可具有独立的能源装置，因此在设计时就应充分考虑其能耗问题。机器人力学计算也表明，足式机器人的能耗通常低于轮式和履带式；

(3)双足步行机器人具有广阔的工作空间。由于行走系统的占地面积小，而活动范围很大，所以为其配置的机械手提供了更大的活动空间，同时也可使机械手臂设计得较为短小紧凑；

(4)双足直立行走是生物界难度最高的行走动作。但其步行性能却是其它步行结构所无法比拟的。因此，步行机器人的研制对机器人的结构变化提出了更高的要求，同时也将有力地推进机器人学及其他相关学科的发展。

在双足机器人研究的众多问题之中，双足机器人的动作规划是机器人研究的重点也是难点，能够得到像人一样稳定连续的双足步行、起立、卧倒等动作是双足机器人研究的最终目标。

机器人倒地起立属于机器人复杂运动的一种，也是模拟人类日常生活中的一个复杂运动。特别在机器人足球比赛中，机器人与机器人在比赛过程中很容易进行身体的碰撞，因此倒地也在所难免。最大程度的减少倒地所带来的伤害，并且在倒地之后自动起立，继续进行比赛，成了研究的重点。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种自然、稳定、符合人体运动特征的双足机器人的运动规划系统。本发明设计合理，方便实用。

本发明的技术方案是：本发明的双足机器人的运动规划系统，包括有机器人控制器及动作执行器，机器人控制器的控制信号输出端与动作执行器的信号输入端连接，动作执行器的信号输出端与驱动各关节运动的各关节电机的信号输入端连接，检测各关节运动状况的跌倒检测模块的信号输出端与机器人控制器的信号输入端连接。

上述动作执行器包括多关节控制器、功率驱动电路、光电编码器和比较电路，其中，多关节控制器的信号输出端与功率驱动电路的信号输入端连接，光电编码器的信号输出端与比较电路的信号输入端连接，比较电路的信号输出端与多关节控制器的信号输入端连接。

上述各关节电机为伺服电机。

上述跌倒检测模块包括三轴加速度传感器、滤波电路和运算放大电路,其中三轴加速度传感器的信号输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与运算放大电路的输入端连接。

上述机器人控制器包括有动作生成模块及动作存储模块，跌倒检测模块中的实时检测到机器人跌倒的加速度传感器的信号输出端与动作生成模块的信号输入端连接，动作生成模块判断出跌倒状态，并规划出各关节站起动作方案，存储至动作存储模块，并将控制指令传送至动作执行器。

上述动作生成模块包括姿态判别模块、数值运算模块和指令生成模块，上述姿态判别模块是根据传感检测模块获取到的机器人姿态信息，按照 X、Y、Z 三个方向上速度、加速度的变化趋势，判别倒地情况，发送信息给数值运算模块，数值运算模块负责规划机器人各关节的动作轨迹，实时接收倒地信号，通过指令生成模块生成与之对应的复位动作命令，使机器人达到一个理想的倒地状态，制定出不同动作阶段每个关节的运动轨迹，并转化成角度指令传送给动作存储模块。

上述动作存储模块包括动作存储单元和数据控制电路。其中，数据控制电路对存储单元进行数据的输入输出操作。

本发明由于采用模拟人倒地后的站起方式，采用闭环控制，利用加速度传感器实时检测到机器人跌倒，由动作生成模块判断出跌倒状态，并规划出各关节站起动作的方案，存储至动作存储器，最后由动作控制模块完成该动作。本发明是对机器人正常行走的很好补充，所规划动作有效利用了机器人的上肢，是一种自然、稳定、符合人体运动特征的设计方法，增强了机器人对复杂环境的适应性。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的双足机器人的运动规划系统。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为动作执行器结构框图；

图3为跌倒检测模块结构框图；

图4为动作存储模块结构框图。

具体实施方式

实施例：

本发明的原理图如图1所示，本发明的双足机器人的运动规划系统，包括有机器人控制器1及动作执行器2，机器人控制器1的控制信号输出端与动作执行器2的信号输入端连接，动作执行器2的信号输出端与驱动各关节运动的各关节电机3的信号输入端连接，检测各关节运动状况的跌倒检测模块4的信号输出端与机器人控制器1的信号输入端连接。

本实施例中，上述各关节电机3为伺服电机。

本实施例中，上述跌倒检测模块4包括三轴加速度传感器41、滤波电路42和运算放大电路43,其中三轴加速度传感器的信号输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与运算放大电路的输入端连接。

本实施例中，上述机器人控制器1包括有动作生成模块11及动作存储模块12，跌倒检测模块4中的实时检测到机器人跌倒的加速度传感器的信号输出端与动作生成模块11的信号输入端连接，动作生成模块11判断出跌倒状态，并规划出各关节站起动作方案，存储至动作存储模块12，并将控制指令传送至动作执行器2。

本实施例中，上述动作执行器2包括多关节控制器21、功率驱动电路22、光电编码器23和比较电路24，其中多关节控制器的信号输出端与功率驱动电路的信号输入端连接，光电编码器的信号输出端与比较电路的信号输入端连接，比较电路的信号输出端与多关节控制器的信号输入端连接。

本实施例中，所述多关节控制器21主要负责接收动作存储器的运动指令，按规定的协议进行转换、解释，并结合固化在关节控制器中的运动控制算法完成对机器人关节电机的控制。结合控制算法给驱动器发送控制指令(或者PWM波序列)，同时通过光电编码器22等传感器件反馈回来的信号再对控制指令(或者PWM波序列)做相应的调整，从而使机器人各个关节都达到或最大程度的接近控制器的预期状态。

本实施例中，上述动作生成模块（11）包括姿态判别模块、数值运算模块和指令生成模块，上述姿态判别模块是根据传感检测模块获取到的机器人姿态信息，按照 X、Y、Z 三个方向上速度、加速度的变化趋势，判别倒地情况，发送信息给数值运算模块，数值运算模块负责规划机器人各关节的动作轨迹，实时接收倒地信号，通过指令生成模块生成与之对应的复位动作命令，使机器人达到一个理想的倒地状态，制定出不同动作阶段每个关节的运动轨迹，并转化成角度指令传送给动作存储模块。

本实施例中，上述动作存储模块12包括动作存储单元121和数据控制电路122，其中，数据控制电路对存储单元进行数据的输入输出操作。

本实施例中，双足机器人俯卧情况下起立的运动方式按照如下过程进行：

1）机器人俯卧在地面上，手臂弯曲，一直到重心落在手掌与膝盖之间，支撑部分为身体的前部分。

2）手掌撑地，髋关节弯曲，并收缩膝关节，令小腿抬起，支撑部分为身体的前部分。

3）左手撑地不动，右手掌向后挪，并保证重心落在手掌与膝盖之间，支撑部分为膝盖、手掌。

4）右手撑地，左手后挪到与左手齐平，支撑部分为膝盖、手掌。

5）手臂伸直，使得膝盖和脚掌着地，支撑部分为膝盖、手掌。

6）减小膝关节夹角，令上半身的投影落在两角之间的区域里。同时双臂收回，支撑部分为脚掌、膝盖。

7）双腿伸直站立，支撑部分为脚掌。

本实施例中，双足机器人仰卧情况下起立的运动方式按照如下过程进行：

1）机器人俯卧在地面上，手肘撑地，机器人慢慢坐起，支撑部分为身体前部分。

2）机器人上身继续前倾，令重心前移，支撑部分为脚掌肘、髋、脚跟。

3）手臂前伸，令重心前移，支撑部分为髋、脚跟。

4）减小膝盖夹角，直至大腿贴到胸部，支撑部分为髋、脚掌。

5）通过脚踝关节的转动，机器人成下蹲的姿势。并在该过程中让机器人上身尽量前倾，保证接下来的直立过程，重心落在前脚掌上。

6）双腿伸直站立，支撑部分为脚掌。

Claims

1.一种双足机器人的运动规划系统，其特征在于包括有机器人控制器（1）及动作执行器（2），机器人控制器（1）的控制信号输出端与动作执行器（2）的信号输入端连接，动作执行器（2）的信号输出端与驱动各关节运动的各关节电机（3）的信号输入端连接，检测各关节运动状况的跌倒检测模块（4）的信号输出端与机器人控制器（1）的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的双足机器人的运动规划系统，其特征在于上述、动作执行器（2）包括多关节控制器（21）、功率驱动电路（22）、光电编码器（23）和比较电路（24），其中，多关节控制器的信号输出端与功率驱动电路的信号输入端连接，光电编码器的信号输出端与比较电路的信号输入端连接，比较电路的信号输出端与多关节控制器的信号输入端连接。

3.根据权利要求1所述的双足机器人的运动规划系统，其特征在于上述各关节电机（3）为伺服电机。

4.根据权利要求1所述的双足机器人的运动规划系统，其特征在于上述跌倒检测模块（4）包括三轴加速度传感器（41）、滤波电路（42）和运算放大电路（43）,其中，三轴加速度传感器的信号输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与运算放大电路的输入端连接。

5.根据权利要求1至4任一项所述的双足机器人的运动规划系统，其特征在于上述机器人控制器（1）包括有动作生成模块（11）及动作存储模块（12），跌倒检测模块（4）中的实时检测到机器人跌倒的加速度传感器的信号输出端与动作生成模块（11）的信号输入端连接，动作生成模块（11）判断出跌倒状态，并规划出各关节站起动作方案，存储至动作存储模块（12），并将控制指令传送至动作执行器（2）。

6.根据权利要求5所述的双足机器人的运动规划系统，其特征在于上述动作生成模块（11）包括姿态判别模块、数值运算模块和指令生成模块，上述姿态判别模块是根据传感检测模块获取到的机器人姿态信息，按照 X、Y、Z 三个方向上速度、加速度的变化趋势，判别倒地情况，发送信息给数值运算模块，数值运算模块负责规划机器人各关节的动作轨迹，实时接收倒地信号，通过指令生成模块生成与之对应的复位动作命令，使机器人达到一个理想的倒地状态，制定出不同动作阶段每个关节的运动轨迹，并转化成角度指令传送给动作存储模块。

7.根据权利要求5所述的双足机器人的运动规划系统，其特征在于上述动作存储模块（12）包括动作存储单元（121）和数据控制电路（122），其中，数据控制电路对存储单元进行数据的输入输出操作。