CN102541068A

CN102541068A - 一种双足机器人跨越障碍物的下肢运动规划系统

Info

Publication number: CN102541068A
Application number: CN2011104443575A
Authority: CN
Inventors: 刘治; 罗永超; 章云
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明是一种双足机器人跨越障碍物的下肢运动规划系统。包括有机器人控制器、动作执行器、各关节电机、障碍物检测模块，其中检测机器人前方状况的障碍物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，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。本发明参照人类跨越障碍物的方式，通过闭环反馈，对机器人对应关节进行运动规划，实现平稳跨越行走过程中所遇到的障碍物。本发明所规划动作有效利用了机器人的下肢各关节，是一种自然、稳定、符合人体运动特征的双足机器人跨越障碍物的下肢运动规划系统，增强了机器人对复杂环境的适应性。

Description

一种双足机器人跨越障碍物的下肢运动规划系统

技术领域

本发明涉及一种双足机器人跨越障碍物的下肢运动规划系统，具体涉及一种双足机器人行走过程中遇到障碍物，下肢各关节的运动规划系统，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。

仿人机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度系统。这对机器人的运动学、动力学及控制理论的研究提供了一个非常理想的实验平台，在对其研究的过程中#很可能导致力学及控制领域中新理论、新方法的产生，另外，仿人机器人的研究还可以推动仿生学、人工智能、计算机图形、通信等相关学科的发展。因此，仿人步行机器人的研制具有十分重大的价值和意义。

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、跨越障碍物等动作是双足机器人研究的最终目标。

机器人顺利跨越不同高度的障碍物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。特别是机器人在户外操作时，机器人遇到不同高度的障碍物是在所难免。因此最大程度的减少被障碍物绊跌而带来的伤害，并在遇到障碍物时平稳跨过障碍物，继续向前行走，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跨越障碍物的下肢运动规划系统。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跨越障碍物的下肢运动规划系统，包括有机器人控制器、动作执行器、各关节电机、障碍物检测模块，其中检测机器人前方状况的障碍物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，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。

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，其中机器人控制器的控制信号输出端与多关节控制器的信号输入端连接,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, 功率驱动电路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,且检测各关节电机的运动状况的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。

上述障碍物检测模块包括超声波传感器、滤波电路、运算放大电路和视觉模块,其中超声波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，视觉模块与超声波传感器、滤波电路、运算放大电路并行。

上述机器人控制器包括有动作生成模块及动作存储模块，障碍物检测模块中的实时检测到机器人前方障碍物信息的超声波传感器和视觉模块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机器人前方障碍物的状态，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障碍物检测模块获取到的机器人前方的障碍物信息，按照 X、Y、Z 三个方向上速度、加速度的变化趋势，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跨越障碍物的动作命令，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动作存储单元进行数据的输入输出操作。

本发明模拟人在行走过程中发现障碍物，采用闭环控制，利用超声波传感器实时检测到机器人前方障碍物，由视觉模块判断出前方障碍物的高度，动作生成模块规划出下肢各关节动作方案，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，所规划动作有效协调利用了机器人的下肢的各关节，是一种自然、稳定、符合人体运动特征的双足机器人跨越障碍物的下肢运动规划系统，本发明双足机器人跨越障碍物的下肢运动规划系统增强了机器人对复杂环境的适应性。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明动作执行器的原理框图；

图3为本发明障碍物检测模块的原理框图；

图4为本发明动作存储模块的原理框图。

具体实施方式

实施例：

本发明的原理框图如图1所示，本发明的双足机器人跨越障碍物的下肢运动规划系统，包括有机器人控制器1、动作执行器2、各关节电机3、障碍物检测模块4，其中检测机器人前方状况的障碍物检测模块4的信号输出端与机器人控制器1的信号输入端连接，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。

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，其中机器人控制器1的控制信号输出端与多关节控制器21的信号输入端连接,多关节控制器21的信号输出端与功率驱动电路22的信号输入端连接, 功率驱动电路22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,且检测各关节电机3的运动状况的光电编码器23的信号输出端与比较电路24的信号输入端连接，比较电路24的信号输出端与多关节控制器21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，上述各关节电机3为伺服电机。

上述障碍物检测模块4包括超声波传感器41、滤波电路42、运算放大电路43和视觉模块44,其中超声波传感器41的信号输出端与滤波电路42的输入端连接，滤波电路42的输出端与运算放大电路43的输入端连接，视觉模块44与超声波传感器41、滤波电路42、运算放大电路43并行。

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，障碍物检测模块4中的实时检测到机器人前方障碍物信息的超声波传感器41和视觉模块44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判断出机器人前方障碍物的状态，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障碍物检测模块获取到的机器人前方的障碍物信息，按照 X、Y、Z 三个方向上速度、加速度的变化趋势，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跨越障碍物的动作命令，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12。

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122对动作存储单元121进行数据的输入输出操作。

本实施例中，双足机器人左腿跨越障碍物的运动方式按照如下过程进行：

1）机器人的大腿绕髋关节逆时针旋转，小腿绕膝关节顺时针旋转，大腿向上抬起，小腿向后弯曲，直到左脚尖与障碍物相平，同时重心由两腿中间向右偏移，保持身体的平衡。

2）左脚绕踝关节逆时针转动，使脚掌与地面平行，大腿绕髋关节继续逆时针旋转，使大腿向上抬起，左脚在障碍物顶部向前移动。

3）小腿绕膝关节逆时针转动，使左脚向前移动，跨过障碍物。

4）大腿绕髋关节顺时针旋转，小腿绕膝关节逆时针旋转，左脚绕踝关节顺时针旋转，使左脚落地。

本实施例中，双足机器人右腿跨越障碍物的运动方式按照如下过程进行：

1）机器人髋关节随着上半身向前移动，大腿绕膝关节顺时针绕动一定角度，身体重心前移。

2）机器人膝关节向前移动，大腿绕髋关节逆时针转动至即将于上身在一条线上，小腿绕膝关节顺时针转动，直至右脚高于障碍物。

3）机器人的膝关节继续向前移动，大腿继续绕髋关节逆时针转动，小腿，踝关节和右脚随着膝关节向前平行移动。

4）大腿继续绕髋关节逆时针转动，大腿带到小腿向上抬起，使右脚跨过障碍物。

5）机器人大腿绕髋关节顺时针转动，小腿绕膝关节逆时针转动，膝关节下移，右脚掌着地。

Claims

1.一种双足机器人跨越障碍物的下肢运动规划系统，其特征在于包括有机器人控制器（1）、动作执行器（2）、各关节电机（3）、障碍物检测模块（4），其中检测机器人前方状况的障碍物检测模块（4）的信号输出端与机器人控制器（1）的信号输入端连接，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。

2.根据权利要求1所述的双足机器人跨越障碍物的下肢运动规划系统，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），其中机器人控制器（1）的控制信号输出端与多关节控制器（21）的信号输入端连接,多关节控制器（21）的信号输出端与功率驱动电路（22）的信号输入端连接, 功率驱动电路（22）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,且检测各关节电机（3）的运动状况的光电编码器（23）的信号输出端与比较电路（24）的信号输入端连接，比较电路（24）的信号输出端与多关节控制器（21）的信号输入端连接。

3.根据权利要求1所述的双足机器人跨越障碍物的下肢运动规划系统，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至3任一项所述的双足机器人跨越障碍物的下肢运动规划系统，其特征在于上述障碍物检测模块（4）包括超声波传感器（41）、滤波电路（42）、运算放大电路（43）和视觉模块（44）,其中超声波传感器（41）的信号输出端与滤波电路（42）的输入端连接，滤波电路（42）的输出端与运算放大电路（43）的输入端连接，视觉模块（44）与超声波传感器（41）、滤波电路（42）、运算放大电路（43）并行。

5.根据权利要求4所述的双足机器人跨越障碍物的下肢运动规划系统，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），障碍物检测模块（4）中的实时检测到机器人前方障碍物信息的超声波传感器（41）和视觉模块（44）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）判断出机器人前方障碍物的状态，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所述的双足机器人跨越障碍物的下肢运动规划系统，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障碍物检测模块获取到的机器人前方的障碍物信息，按照 X、Y、Z 三个方向上速度、加速度的变化趋势，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跨越障碍物的动作命令，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（12）。

7.根据权利要求5所述的双足机器人跨越障碍物的下肢运动规划系统，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（122）对动作存储单元（121）进行数据的输入输出操作。