CN103345285A - 一种四足机器人遥控系统及其遥控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四足机器人遥控系统及其遥控方法。该遥控系统包括控制器I，其接收并处理触摸屏和摇杆信号，控制器I与四足机器人的控制器II通过无线通信模块I以及四足机器人的无线通信模块II相互通信，控制器I还接收控制器II的反馈信息并通过液晶显示屏显示。利用该遥控系统的四足机器人遥控方法简单、直观，特别适用于对四足机器人的灵活控制与状态监测。能够与用户进行交互，然后将控制命令与参数、设置命令与参数发送至四足机器人，最后将四足机器人反馈的状态进行显示，实现对四足机器人的监控。

Description

一种四足机器人遥控系统及其遥控方法

技术领域

本发明涉及一种四足机器人遥控系统及其遥控方法。

背景技术

近几年来四足机器人技术飞速发展，由有缆变为无缆，并逐步走出实验室，适用于四足机器人的遥控方法必不可少。一般遥控设备多采用物理按键式，按键类型有限，且按键数目无法改变。对于四足机器人来说，功能多，控制复杂，如果采用物理按键的话需要很多按键，按键密集，容易按错。对四足机器人的控制使用点按式，每个按键有按下、未按下两种状态，只能获得开关量，缺乏力度等信息，不适合像四足机器人这样移动速度、方向都需要灵活变化的情况。大多数遥控设备仅有输入功能，不能将设备状态进行显示，或只能使用数码管或特定液晶显示屏进行少数状态的显示，扩展再升级能力差。

对于四足机器人来说，机器人拥有四条腿，分别为左前腿、右前腿、左后腿、右后腿。每条腿应当有3个以上自由度，可以使用电驱动、液压驱动等多种驱动方式，只要能实现位置伺服即可。当腿只有2个自由度时也可勉强适用，但由于腿末端仅能在平面内移动，因此机器人会丧失侧向移动、斜向移动、转动、任意姿态控制等功能。

专利CN1709655A公开了一种多足行走仿生机器人，机器人所有腿的运动都是耦合的，总共由两个电机驱动，一个控制前进，另一个控制转弯。机器人腿的运动是通过传动机构带动，各关节运动不独立，这样的优点是减少了驱动电机数，缺点是机器人最终仅能实现两种简单动作，即前进和转向。另外，由于足端运动是简单的机械传动实现的，也就意味着脚在各种环境中运动时无调整，对环境的适应能力较弱。

专利CN102841602A公开了一种机器人单腿总成控制开发性能测试平台及方法，介绍的是一个单腿测试平台，只安装有一条腿，该设备用来对单腿性能进行评估，而那一条腿并不能自由移动，也不能独立摆出任何姿态。腿的移动只能依赖平台的运动拖着走。文中也没提到如何操作，如何控制此设备运动，仅指出了各机构间的连接方式。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种四足机器人遥控系统以及遥控方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种四足机器人遥控系统，它包括控制器I，其接收并处理触摸屏和摇杆信号，所述控制器I与四足机器人的控制器II通过无线通信模块I以及四足机器人的无线通信模块II相互通信，所述控制器I还接收控制器II的反馈信息并通过液晶显示屏显示。

所述无线通信模块I和无线通信模块II采用红外线、RFID、Wi-Fi、Zigbee、蓝牙或UWB。

所述控制器I包括主控制器和从控制器，为微程序控制器；所述主控制器驱动液晶显示屏显示，并驱动触摸屏获取点触信息，所述从控制器利用A/D转换器采集并处理摇杆信息，将摇杆的模拟信号转换为数字信号，并发送至主控制器。

一种利用上述遥控系统的四足机器人遥控方法，具体步骤如下：

1）初始化；

2）读取触摸屏信息，选择工作模式，所述工作模式包括控制模式和设置模式；

3）读取摇杆输出模拟量并转换为数字量，并根据步骤2）选择的工作模式处理摇杆数据，进入步骤4）；

4）等待控制器I中的各个定时器触发，若定时器I触发，进入步骤5）；若定时器II触发，进入步骤6）；若定时器III触发，进入步骤7）；

5）判断当前工作模式，当前为控制模式则把控制模式编号和摇杆信息封装为数据帧发送出去；若当前为设置模式则把摇杆扭转角度作为屏幕旋转转盘的角速度，然后把设置模式编号和旋转转盘信息发送出去，返回步骤2）；

6）控制器I向控制器II发送设置命令和参数，控制器II控制四足机器人的迈步幅度、抬脚高度和迈步频率，返回步骤2）；

7）控制器I接收控制器II的反馈数据，将获取的字节流分割为数据帧，然后分析数据帧得到反馈的各参数并通过液晶显示屏显示，返回步骤2）。

所述步骤2）中，触摸屏显示若干组工作模式单选按钮，每一组单选按钮中一个被按下后设置其他单选按钮全部弹起，保证同一时刻仅选中同一个工作模式；所述控制模式包括速度控制模式和姿态控制模式，所述设置模式包括抬脚高度设置模式和迈步频率设置模式。

在速度控制模式下，用户通过推动和扭转摇杆控制四足机器人的行走速度，四足机器人运动方向与摇杆运动方向一致，四足机器人运动速度与摇杆偏移角度成正比；在姿态控制模式下，用户通过推动和扭转摇杆控制四足机器人躯干的姿态，四足机器人躯干倾斜、扭转方向与摇杆运动方向一致，四足机器人躯干倾斜、扭转角度与摇杆偏移角度成正比。以上操作通过控制器I采集摇杆偏转角度后发送至控制器II，作为全方位移动时的速度给定输入，以及姿态控制时的姿态角度给定输入，从而计算出各关节角度，驱动实现机器人运动。

所述设置模式采用转盘控件实现输入，通过触摸屏旋转转盘，或者扭转摇杆使转盘转动。

所述步骤4）中，控制模式的工作过程是：控制器I将当前控制模式编号和摇杆的偏移角度信息封装为一个数据帧，通过无线通信模块I和无线通信模块II发送到控制器II；设置模式的工作过程是：控制器I将当前设置模式编号和用户操作得到的设置最终结果封装为一个数据帧，然后通过无线通信模块I和无线通信模块II发送到控制器II。

无线通信模块I与无线通信模块II之间的通信频率为每秒钟10～20次，液晶显示屏显示上一次接收数据帧到当前时刻的间隔，并于每次收到新数据帧后清零，用来提醒操作者当前的通信是否通畅；同时，控制器II计算上一次接收数据帧到当前时刻的间隔，并设定阈值，倘若超过阈值仍未收到新的数据帧，则判定为通信中断，强制四足机器人停止并站立，直到接收到新的数据帧，然后执行相应任务。

所述控制器II的控制方法如下：

A）确定基本足端轨迹曲线：通过给定步频以及时钟实现步频控制，进而生成基本足端轨迹曲线；

B）前后、左右以及自转方向的足端轨迹生成：

建立以机器人躯干中心为原点O的笛卡尔坐标系，以机器人前向为X轴正方向，左方向为Y轴正方向，躯干背对方向为Z轴正方向，故前后方向的足端轨迹在XOZ平面内，包括p_X(t)和p_Z(t)，左右方向的足端轨迹在YOZ平面内，包括p_Y(t)和p_Z(t)，这两部分的p_Z(t)相同，故不需要融合，可直接作为最终的Z轴轨迹；建立以躯干中心为原点的极坐标系，自转方向足端轨迹为θ(t)；前后、左右以及自转方向的足端轨迹均通过基本足端轨迹曲线生成，给定速度、角速度与曲线幅值相对应；

C）足端轨迹合成：

将步骤2）获得的前后、左右以及自转方向的足端轨迹经轨迹合成从而获得最终的足端轨迹，具体方法如下：

$\left[\begin{array}{c}{P}_X\\ P_Y\\ P_Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{p}_X\\ p_Y\\ p_Z\end{array}\right],$

右前腿与左后腿一对，左前腿和右后腿一对，两对之间保持半个周期的相位差；

D）利用解耦控制器实现躯干姿态控制：

利用解耦控制器将步骤3）获得的足端轨迹解耦为三部分：基本轨迹、姿态和质心偏移量，所述解耦控制器的方程如下：

$p_{\mathrm{TOE}}^{\mathrm{BHIP}}=R_X(-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}})R_Y(-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}})R_Z(-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}})(p_{\mathrm{TOE}}^{\mathrm{PHIP}}+p_{\mathrm{HIP}}^P+p_B^P)-p_{\mathrm{HIP}}^B$

其中，^BHIPp_TOE为足尖与髋关节的相对位置在躯干坐标系中的表示；^PHIPp_TOE为足尖与髋关节的相对位置在基本足端轨迹规划坐标系中的表示；^Pp_HIP为单腿髋关节在基本足端轨迹规划坐标系中的位置，这对于每条腿都是常向量，与腿安装位置有关；^Pp_B为躯干坐标系原点在足端轨迹规划坐标系中的位置，即质心实际位置偏移量；^Bp_HIP与^Pp_HIP相同，都表示了腿的安装位置；

躯干坐标系Σ_B：以躯干几何中心为原点，以躯干前向为X轴正方向，躯干左方向为Y轴正方向，Z轴正方向由右手定则确定；

基本足端轨迹规划坐标系Σ_P：此坐标系由Σ_B经旋转和平移变换而成，旋转用Z-Y-X欧拉角表示：

$R_B^P=R_Z\left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\right)R_Y\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\right)R_X\left({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}& -\sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}& 0\\ \sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}& \cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}& 0& \sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\\ 0& 1& 0\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}& 0& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}& -\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}\\ 0& \sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}& \cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}& \cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}-\sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}& \sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}+\cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}\\ \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}& \cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}+\sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}& \sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}-\cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}\end{array}\right],$

其中φ_ref为绕躯干坐标系Σ_B的Z轴旋转的角度，对应躯干的扭转角度，θ_ref为绕新Y轴旋转的角度，对应俯仰角，ψ_ref为绕最新X轴旋转的角度，对应横滚角；当ψ_ref、θ_ref、φ_ref、^Pp_B都为零时，基本足端轨迹规划坐标系Σ_P和躯干坐标系Σ_B重合；

基本足端轨迹由^PHIPp_TOE输入，融合给定姿态（ψ_ref，θ_ref，φ_ref）信息和躯干位置偏移量^Pp_B后，由^BHIPp_TOE输出最终轨迹，由此实现了机器人移动控制和躯干姿态控制的完全解耦。获得最终足端轨迹后，通过单腿运动学可得各关节角度轨迹，最后由底层的关节位置伺服控制器实现动作。

步骤A）中，所述基本足端轨迹曲线包括两部分：一部分用于支撑，另一部分用于使腿摆动回原位置；支撑部分采用匀速直线运动用以保持机器人速度稳定和姿态稳定，摆动部分采用复合摆线(Composite Cycloid，Y.Sakakibara,K.Kan,Y.Hosoda,M.Hattori,and M.Fujie,"foot trajectory for a quadruped walking machine",International Conference on IntelligentRobots and Systems1990,1990.)、三角函数曲线或三次曲线均可；右前腿与左后腿一对，左前腿与右后腿一对，这两对交替抬起落下实现移动；每条腿采用相同的基本足端轨迹曲线，但两对腿保持半个周期的相位差，从而实现对角小跑步态；复合摆线方程如下：

$x=\frac{S_o}{T_y}(t-\frac{T_y}{2\mathrm{\π}}\sin 2\mathrm{\π}\frac{t}{T_y})$

$z=\frac{{2H}_o}{T_y}(t-\frac{T_y}{4\mathrm{\π}}\sin 4\mathrm{\π}\frac{t}{T_y})$

其中t为时间，S_o为腿前后摆动时的振幅，H_o为抬脚高度，T_y为摆动相的时间长度，也是支撑相的时间长度，这些参数的值均由控制器I发送给控制器II的步态参数决定。

本发明的工作原理：

本发明将四足机器人在平面内的全方位移动分为三个独立的部分，即前后方向、左右方向、自转方向共三个方向的速度控制，然后进行任意比例叠加，从而实现四足机器人的全方位移动，先由基本轨迹生成三个方向的运动轨迹，然后进行轨迹合成。三个方向运动轨迹的叠加比例由这三个方向上的速度决定，合成后即可使四足机器人完成全方位移动。

控制器I可采用多控制器，也可以采用单控制器。倘若采用单控制器，那么，对于控制器I的要求更高，控制器I不仅要驱动触摸屏和液晶显示屏，还需要利用A/D转换器采集摇杆信息。由于控制器I任务较多，为减少软件设计时的工作量，应当使用操作系统，可以用uCOS2，也可以使用Linux操作系统。鉴于Linux对液晶显示屏和触摸屏的支持较好，方便进行上层开发，使用Linux最优。

一般还是采用多控制器，即把数字部分和模拟部分相分离，由从控制器把摇杆的模拟信号转换为数字信号，然后发送给主控制器。主控制器任务较多，需要驱动液晶显示屏进行显示，以及驱动触摸屏获取点触信息。为使操作者体验到摇杆的灵敏度，控制器4对摇杆信号的采集周期应适当高些，比如，刷新频率为10～20Hz。控制器4通过液晶显示屏显示一些单选按钮，供操作者进行工作模式选择，一组单选按钮中的一个被按下后则其他单选按钮全部弹起，保证只有一个工作模式被选中。被点选的按钮高亮，按钮上的文字改变颜色，可以实现尽量醒目。如果工作模式较多，按钮拥挤，可以使用标签页控件将大量的按钮分组显示，增加单个按钮的面积，减少误按几率，也使操作界面更加整洁条理。

四足机器人由控制器II进行整体控制，根据遥控系统给定的速度、姿态以及参数设置进行四足机器人的在线实时控制，然后将必要信息反馈给遥控系统。发送与接收通过相互通信的无线通信模块I和无线通信模块II实现。

遥控设备与四足机器人之间通过无线通信模块I和无线通信模块II之间频繁通信，每秒钟10～20次为宜，保证控制的实时性，又不致使通信拥堵。

本发明的有益效果：

本发明通过规划足端轨迹控制机器人的运动。先按照固定模式生成基本足端轨迹，然后通过调整相位获得对角小跑步态，再通过一种调整方法把各速度、姿态信息融合进去，对各腿的轨迹进行调整，从而实现四足机器人的运动控制。操作者通过控制3维摇杆的前后、左右、扭转角度，改变摇杆的3轴输出电压，转换为数字量后输入遥控器主控制器。遥控器主控制器将当前工作模式和摇杆数据封装为数据帧，采用无线方式发送到四足机器人本体上的主控制器，之后进行帧解析，获得摇杆位置信息后按照当前工作模式控制四足机器人执行相应动作。遥控器按照一定频率采集输入信息并发送至四足机器人主控制器。四足机器人则不断刷新速度、姿态的给定值，从而改变最终生成的足端轨迹，完成四足机器人的连续控制。遥控器无物理按键，界面友好简洁，采用触摸屏接收用户的模式选择，同时可显示机器人当前的工作状态，如遥控器的延迟、发动机转速、液压油压力和温度、机器人当前移动速度、机器人躯干姿态等，用来指导操作者决策。

与专利CN1709655A相比，本发明的受控机器人有四条腿，每条腿有3个独立驱动的自由度，结构和控制上都比上述发明复杂得多，这导致最后可实现的功能也更多。本发明除了可以前进、转向，还可以左右移动，可以通过手柄操作将前后运动、左右运动、自转运动以任意比例叠加，真正实现了四足机器人的全方位移动。如果不能横行、不能斜行是不能称作全方位移动的。本发明还可以控制四足机器人的躯干姿态，通过触摸屏设置步频，通过手柄设置步长，从而改变机器人的最终移动速度；而利CN1709655A由于机械结构已经固定，也就是说步长已经锁死，仅能通过改变电机转速来改变机器人的步频，从而实现改变移动速度。步频过高或过低都会引起机器人的不稳定，因此使用步长控制移动速度更合理。

与专利CN102841602A相比，本发明的被控对象是可以独立移动的四足机器人，能实现全方位移动，能按照操作员的操作摆出任意姿态，这都是一条腿或单腿测试平台所不具备的功能。

本发明针对四足机器人，能够实现四足机器人的全方位移动，这在目前的足式移动机器人中是很罕见的；机器人躯干姿态能任意按照操作员的给定而改变，国内尚没有其他实现此功能的足式机器人，轮式机器人更不可能具有此功能；且本遥控方法操作方便，用手柄操作可实时给出运动方向和速度，而目前机器人常见的操作设备是通过计算机鼠标键盘控制，或者用遥控器上的按键进行控制，操作繁琐精度低，遥控性能极差。本遥控方法实现了四足机器人控制的新功能，且使用更方便的操作方式，用触摸屏精简了操控面板，用手柄精确读取用户操作，操作实时性好精度高。

本发明可以选择工作模式，然后使用摇杆控制四足机器人的速度、姿态，还可以对四足机器人多个参数进行设置。该方法简单、直观，特别适用于对四足机器人的灵活控制与状态监测。能够与用户进行交互，然后将控制命令与参数、设置命令与参数发送至四足机器人，最后将四足机器人反馈的状态进行显示，实现对四足机器人的监控。

本发明采用触摸屏，控件类型丰富，不只局限于按钮，界面设计灵活，需要增删功能时只需更新一下软件即可，另外采用摇杆作为输入设备，可以感知操作者的力度信息，弥补了仅采用物理按键的缺陷。液晶显示屏用于显示四足机器人反馈的状态信息，以及显示用于与用户交互的控件。向四足机器人发送的控制信息包括前后方向速度、左右方向速度、自转速度、躯干横滚角、躯干俯仰角、躯干扭转角度等，设置信息包括抬脚高度、步频、柔顺控制参数等。四足机器人向遥控装置发送的反馈信息包括机载动力源的工作状态、四足机器人实际工作模式、传感器数据等。

附图说明

图1是足端轨迹生成流程图；

图2是解耦控制器工作流程图；

图3是是遥控系统的结构示意图；

图4是遥控系统的遥控方法流程图；

图5是姿态控制涉及的坐标系；

其中1.触摸屏，2.液晶显示屏，3.摇杆，4.控制器I，5.无线通信模块I，6.无线通信模块II，7.控制器II，8.遥控设备，9.四足机器人。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

如图3～4所示，本发明采用多控制器，即把数字部分和模拟部分相分离，由从控制器把摇杆的模拟信号转换为数字信号，然后发送给主控制器。主控制器任务较多，需要驱动液晶显示屏2进行显示，以及驱动触摸屏1获取点触信息。为使操作者体验到摇杆3的灵敏度，控制器I4对摇杆3信号的采集周期应适当高些，比如，刷新频率为10～20Hz。控制器I4通过液晶显示屏2显示一些单选按钮，供操作者进行工作模式选择，一组单选按钮中的一个被按下后则其他单选按钮全部弹起，保证只有一个工作模式被选中。被点选的按钮高亮，按钮上的文字改变颜色，可以实现尽量醒目。如果工作模式较多，按钮拥挤，可以使用标签页控件将大量的按钮分组显示，增加单个按钮的面积，减少误按几率，也使操作界面更加整洁条理。

四足机器人9由控制器II7进行整体控制，根据遥控系统给定的速度、姿态以及参数设置进行四足机器人的在线实时控制，然后将必要信息反馈给遥控系统。发送与接收通过相互通信的无线通信模块I5和无线通信模块II6实现。

遥控设备8与四足机器人9之间通过无线通信模块I5和无线通信模块II6之间频繁通信，每秒钟10～20次为宜，保证控制的实时性，又不致使通信拥堵。

本发明的目的是实现四足机器人9的实时测控，所以其中有几个工作模式必不可少，具体如下：

速度控制模式：在触摸屏1上点选速度控制模式单选按钮，进入速度控制模式。将摇杆3向左推动，则四足机器人9向左行走，行走速度与摇杆3向左摆动的幅度成正比。同理，将摇杆3向右推动则四足机器人9向右走，将摇杆3向前推动则四足机器人9向前走，将摇杆3向后推动则四足机器人9向后走。若将摇杆3沿逆时针方向扭转，则四足机器人9绕自身几何中心进行逆时针方向自转，自转的角速度与摇杆3扭转角度成正比。反之，将摇杆3沿顺时针方向扭转则四足机器人9向顺时针方向自转。以上三种方向，即左右方向、前后方向、自转方向可以按任意比例叠加，如将摇杆3向右前方向推，则四足机器人9向右前方向平移，若推摇杆3的同时还扭转摇杆3，则四足机器人9会在平移的同时附加自转，最终表现为绕某点转圈。

姿态控制模式：点选姿态控制模式单选按钮，进入姿态控制模式。姿态控制模式与速度控制模式操作类似，但控制目标是四足机器人9姿态而非移动速度。将摇杆3向左推动，则四足机器人9四脚站立不动，同时躯干向左倾斜，倾斜幅度与摇杆3推动角度成正比。向右推摇杆3则四足机器人9向右倾斜，向前推摇杆3则四足机器人9向前倾斜，向后推摇杆3则四足机器人9向后倾斜。若将摇杆3沿逆时针方向扭转，则四足机器人9四脚站立不动，躯干沿逆时针方向扭转。将摇杆3沿顺时针方向扭转则四足机器人9躯干沿顺时针方向扭转。

抬脚高度设置模式：点选步高设置模式单选按钮，进入步高设置模式。液晶显示屏2上显示当前设置好的步高，并显示一个对应的转盘控件。沿逆时针方向扭转摇杆3，则转盘控件也会向逆时针方向旋转，步高逐渐降低，转盘控件旋转的速度与摇杆3扭转的角度成正比，即摇杆3扭转角度越大，则转盘控件旋转越快，步高减小越快。松开摇杆3则转盘停止转动。同理，沿顺时针方向扭转摇杆3则转盘沿顺时针方向转动，步高增加。除使用摇杆3操作外，也可以直接通过触摸屏1转动转盘控件，实现参数调整，操作简单，直观。

迈步频率设置模式：步频设置与步高设置类似，不再赘述。

如图1～2所示，控制器II的控制方法如下：

A）确定基本足端轨迹曲线：通过给定步频以及时钟实现步频控制，进而生成基本足端轨迹曲线；

基本足端轨迹曲线包括两部分：一部分用于支撑，另一部分用于使腿摆动回原位置；支撑部分采用匀速直线运动用以保持机器人速度稳定和姿态稳定，摆动部分采用复合摆线、三角函数曲线或三次曲线；右前腿与左后腿一对，左前腿与右后腿一对，这两对交替抬起落下实现移动；每条腿采用相同的基本足端轨迹曲线，但两对腿保持半个周期的相位差，从而实现对角小跑步态。

B）前后、左右以及自转方向的足端轨迹生成：

建立以机器人躯干中心为原点O的笛卡尔坐标系，以机器人前向为X轴正方向，左方向为Y轴正方向，躯干背对方向为Z轴正方向，故前后方向的足端轨迹在XOZ平面内，包括p_X(t)和p_Z(t)，左右方向的足端轨迹在YOZ平面内，包括p_Y(t)和p_Z(t)，这两部分的p_Z(t)相同，故不需要融合，可直接作为最终的Z轴轨迹；建立以躯干中心为原点的极坐标系，自转方向足端轨迹为θ(t)；前后、左右以及自转方向的足端轨迹均通过基本足端轨迹曲线生成，给定速度、角速度与曲线幅值相对应；

C）足端轨迹合成：

将步骤2）获得的前后、左右以及自转方向的足端轨迹经轨迹合成从而获得最终的足端轨迹，具体方法如下：

$\left[\begin{array}{c}{P}_X\\ P_Y\\ P_Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{p}_X\\ p_Y\\ p_Z\end{array}\right],$

右前腿与左后腿一对，左前腿和右后腿一对，两对之间保持半个周期的相位差；

D）利用解耦控制器实现躯干姿态控制：

姿态控制中用到了多个坐标系，利用图5进行说明：

躯干坐标系Σ_B:以躯干几何中心为原点，以躯干前向为X轴正方向，躯干左方向为Y轴正方向，Z轴正方向由右手定则确定；

基本足端轨迹规划坐标系Σ_P：此坐标系由Σ_B经旋转和平移变换而成，旋转用Z-Y-X欧拉角表示：

$R_B^P=R_Z\left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\right)R_Y\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\right)R_X\left({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}& -\sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}& 0\\ \sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}& \cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}& 0& \sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\\ 0& 1& 0\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}& 0& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}& -\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}\\ 0& \sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}& \cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}& \cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}-\sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}& \sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}+\cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}\\ \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}& \cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}+\sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}& \sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}-\cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}\end{array}\right],$

其中φ_ref为绕躯干坐标系Σ_B的Z轴旋转的角度，对应躯干的扭转角度，θ_ref为绕新Y轴旋转的角度，对应俯仰角，ψ_ref为绕最新X轴旋转的角度，对应横滚角；当ψ_ref、θ_ref、φ_ref、^Pp_B都为零时，基本足端轨迹规划坐标系Σ_P和躯干坐标系Σ_B重合；

平移表示为：

$p_B^P=\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{offset}}\\ y_{\mathrm{offset}}\\ z_{\mathrm{offset}}\end{array}\right]$

其中，向量的三个分量分别表示沿基本足端轨迹规划坐标系Σ_P中X、Y、Z轴的偏移量；

水平面坐标系Σ_L：这是个全局坐标系，其Z轴与重力方向相反，X轴与躯干坐标系Σ_B的X轴在水平面的投影方向相同；

支撑面坐标系Σ_S：原点位置由Σ_P确定，Σ_S的原点在Σ_P中的位置为一常向量 $p_S^P=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ -H\end{array}\right],$ 其中H为机器人的站立高度；各轴方向由Σ_P旋转得到：

$R_S^P=R_Y\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{gnd}}\right)R_X\left({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{gnd}}\right)==\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{gnd}}& 0& \sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{gnd}}\\ 0& 1& 0\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{gnd}}& 0& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{gnd}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{gnd}}& -\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{gnd}}\\ 0& \sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{gnd}}& \cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{gnd}}\end{array}\right]$

其中，θ_gnd和ψ_gnd为旋转的两个参数，当Σ_P确定时，这两个参数可唯一确定Σ_S；当这两个参数设置合适时，可使Σ_P中的XOY平面水平，此时，原用于在水平地面时的规划轨迹可被调整为适应地面坡度，适用于在斜坡上的移动控制。

利用解耦控制器将步骤3）获得的足端轨迹解耦为三部分：基本轨迹、姿态和质心偏移量，所述解耦控制器的方程如下：

$p_{\mathrm{TOE}}^{\mathrm{BHIP}}=R_X(-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}})R_Y(-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}})R_Z(-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}})(p_{\mathrm{TOE}}^{\mathrm{PHIP}}+p_{\mathrm{HIP}}^P+p_B^P)-p_{\mathrm{HIP}}^B$

其中，^BHIPp_TOE为足尖与髋关节的相对位置在躯干坐标系中的表示；^PHIPp_TOE为足尖与髋关节的相对位置在基本足端轨迹规划坐标系中的表示；^Pp_HIP为单腿髋关节在基本足端轨迹规划坐标系中的位置，这对于每条腿都是常向量，与腿安装位置有关；^Pp_B为躯干坐标系原点在足端轨迹规划坐标系中的位置，即质心实际位置偏移量；^Bp_HIP与^Pp_HIP相同，都表示了腿的安装位置；当ψ_ref、θ_ref、φ_ref、^Pp_B都为零时，基本足端轨迹规划坐标系和躯干坐标系重合；

基本足端轨迹由^PHIPp_TOE输入，融合给定姿态（ψ_ref，θ_ref，φ_ref）信息和躯干位置偏移量^Pp_B后，由^BHIPp_TOE输出最终轨迹，由此实现了机器人移动控制和躯干姿态控制的完全解耦。获得最终足端轨迹后，通过单腿运动学可得各关节角度轨迹，最后由底层的关节位置伺服控制器实现动作。

本发明提供了一个开放式的框架，除以上必备工作模式以外还可以添加很多模式，例如四足机器人躯干偏移量控制模式，单腿控制模式，质心调整设置模式，单腿末端位置微调设置模式，柔顺参数设置模式等。遥控装置的摇杆3的数目可以为一到两个，若有两个摇杆3则可同时选中两个模式，即一个单选按钮被选中后可同时指定左右摇杆的工作模式，两个摇杆3各对应一个模式，操作更加方便快捷。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种四足机器人遥控系统，其特征在于，它包括控制器I，其接收并处理触摸屏和摇杆信号，所述控制器I与四足机器人的控制器II通过无线通信模块I以及四足机器人的无线通信模块II相互通信，所述控制器I还接收控制器II的反馈信息并通过液晶显示屏显示。

2.根据权利要求1所述的遥控系统，其特征在于，所述无线通信模块I和无线通信模块II采用红外线、RFID、Wi-Fi、Zigbee、蓝牙或UWB。

3.根据权利要求1所述的遥控系统，其特征在于，所述控制器I包括主控制器和从控制器，为微程序控制器；所述主控制器驱动液晶显示屏显示，并驱动触摸屏获取点触信息，所述从控制器利用A/D转换器采集并处理摇杆信息，将摇杆的模拟信号转换为数字信号，并发送至主控制器。

4.一种利用权利要求1～3所述的遥控系统的四足机器人遥控方法，其特征在于，具体步骤如下：

1）初始化；

2）读取触摸屏信息，选择工作模式，所述工作模式包括控制模式和设置模式；

3）读取摇杆输出模拟量并转换为数字量，并根据步骤2）选择的工作模式处理摇杆数据，进入步骤4）；

4）等待控制器I中的各个定时器触发。若定时器I触发，进入步骤5；若定时器II触发，进入步骤6）；若定时器III触发，进入步骤7）；

5）判断当前工作模式，当前为控制模式则把控制模式编号和摇杆信息封装为数据帧发送出去；若当前为设置模式则把摇杆扭转角度作为屏幕旋转转盘的角速度，然后把设置模式编号和旋转转盘信息发送出去，并返回步骤2）；

6）控制器I向控制器II发送设置命令和参数，控制器II控制四足机器人的抬脚高度和迈步频率，并返回步骤2）；

7）控制器I接收控制器II的反馈数据，将获取的字节流分割为数据帧，然后分析数据帧得到反馈的各参数并通过液晶显示屏显示，返回步骤2）。

5.根据权利要求4所述的遥控方法，其特征在于，所述步骤2）中，触摸屏显示若干组工作模式单选按钮，每一组单选按钮中一个被按下后设置其他单选按钮全部弹起，保证同一时刻仅选中同一个工作模式；所述控制模式包括速度控制模式和姿态控制模式，所述设置模式包括抬脚高度设置模式和迈步频率设置模式。

6.根据权利要求4所述的遥控方法，其特征在于，所述步骤4）中，控制模式的工作过程是：控制器I将当前控制模式编号和摇杆的偏移角度信息封装为一个数据帧，通过无线通信模块I和无线通信模块II发送到控制器II；设置模式的工作过程是：控制器I将当前设置模式编号和用户操作得到的设置最终结果封装为一个数据帧，然后通过无线通信模块I和无线通信模块II发送到控制器II。

7.根据权利要求4所述的遥控方法，其特征在于，无线通信模块I与无线通信模块II之间的通信频率为每秒钟10～20次，液晶显示屏显示上一次接收数据帧到当前时刻的间隔，并于每次收到新数据帧后清零，用来提醒操作者当前的通信是否通畅；同时，控制器II计算上一次接收数据帧到当前时刻的间隔，并设定阈值，倘若超过阈值仍未收到新的数据帧，则判定为通信中断，强制四足机器人停止并站立，直到接收到新的数据帧，然后执行相应任务。

8.根据权利要求4所述的遥控方法，其特征在于，所述控制器II的控制方法如下：

A）确定基本足端轨迹曲线：通过给定步频以及时钟实现步频控制，进而生成基本足端轨迹曲线；

B）前后、左右以及自转方向的足端轨迹生成：

建立以机器人躯干中心为原点O的笛卡尔坐标系，以机器人前向为X轴正方向，左方向为Y轴正方向，躯干背对方向为Z轴正方向，故前后方向的足端轨迹在XOZ平面内，包括p_X(t)和p_Z(t)，左右方向的足端轨迹在YOZ平面内，包括p_Y(t)和p_Z(t)，这两部分的p_Z(t)相同，故不需要融合，可直接作为最终的Z轴轨迹；建立以躯干中心为原点的极坐标系，自转方向足端轨迹为θ(t)；前后、左右以及自转方向的足端轨迹均通过基本足端轨迹曲线生成，给定速度、角速度与曲线幅值相对应；

C）足端轨迹合成：

将步骤2）获得的前后、左右以及自转方向的足端轨迹经轨迹合成从而获得最终的足端轨迹，具体方法如下：

$\left[\begin{array}{c}{P}_X\\ P_Y\\ P_Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{p}_X\\ p_Y\\ p_Z\end{array}\right],$

右前腿与左后腿一对，左前腿和右后腿一对，两对之间保持半个周期的相位差；

D）利用解耦控制器实现躯干姿态控制：

利用解耦控制器将步骤3）获得的足端轨迹解耦为三部分：基本轨迹、姿态和质心偏移量，所述解耦控制器的方程如下：

$p_{\mathrm{TOE}}^{\mathrm{BHIP}}=R_X(-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}})R_Y(-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}})R_Z(-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}})(p_{\mathrm{TOE}}^{\mathrm{PHIP}}+p_{\mathrm{HIP}}^P+p_B^P)-p_{\mathrm{HIP}}^B$

其中，^BHIPp_TOE为足尖与髋关节的相对位置在躯干坐标系中的表示；^PHIPp_TOE为足尖与髋关节的相对位置在基本足端轨迹规划坐标系中的表示；^Pp_HIP为单腿髋关节在基本足端轨迹规划坐标系中的位置，这对于每条腿都是常向量，与腿安装位置有关；^Pp_B为躯干坐标系原点在足端轨迹规划坐标系中的位置，即质心实际位置偏移量；^Bp_HIP与^Pp_HIP相同，都表示了腿的安装位置；

躯干坐标系Σ_B：以躯干几何中心为原点，以躯干前向为X轴正方向，躯干左方向为Y轴正方向，Z轴正方向由右手定则确定；

基本足端轨迹规划坐标系Σ_P：此坐标系由Σ_B经旋转和平移变换而成，旋转用Z-Y-X欧拉角表示：

$R_B^P=R_Z\left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\right)R_Y\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\right)R_X\left({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}& -\sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}& 0\\ \sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}& \cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}& 0& \sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\\ 0& 1& 0\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}& 0& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}& -\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}\\ 0& \sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}& \cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}& \cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}-\sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}& \sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}+\cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}\\ \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}& \cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}+\sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}& \sin {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}-\cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}\cos {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ref}}\end{array}\right],$

其中φ_ref为绕躯干坐标系Σ_B的Z轴旋转的角度，对应躯干的扭转角度，θ_ref为绕新Y轴旋转的角度，对应俯仰角，ψ_ref为绕最新X轴旋转的角度，对应横滚角；当ψ_ref、θ_ref、φ_ref、^Pp_B都为零时，基本足端轨迹规划坐标系Σ_P和躯干坐标系Σ_B重合；

基本足端轨迹由^PHIPp_TOE输入，融合给定姿态（ψ_ref，θ_ref，φ_ref）信息和躯干位置偏移量^Pp_B后，由^BHIPp_TOE输出最终轨迹，由此实现了机器人移动控制和躯干姿态控制的完全解耦。获得最终足端轨迹后，通过单腿运动学可得各关节角度轨迹，最后由底层的关节位置伺服控制器实现动作。

9.根据权利要求4所述的遥控方法，其特征在于，步骤A）中，所述基本足端轨迹曲线包括两部分：一部分用于支撑，另一部分用于使腿摆动回原位置；支撑部分采用匀速直线运动用以保持机器人速度稳定和姿态稳定，摆动部分采用复合摆线、三角函数曲线或三次曲线均可；右前腿与左后腿一对，左前腿与右后腿一对，这两对交替抬起落下实现移动；每条腿采用相同的基本足端轨迹曲线，但两对腿保持半个周期的相位差，从而实现对角小跑步态；复合摆线方程如下：

$x=\frac{S_o}{T_y}(t-\frac{T_y}{2\mathrm{\π}}\sin 2\mathrm{\π}\frac{t}{T_y})$

$z=\frac{{2H}_o}{T_y}(t-\frac{T_y}{4\mathrm{\π}}\sin 4\mathrm{\π}\frac{t}{T_y})$

其中t为时间，S_o为腿前后摆动时的振幅，H_o为抬脚高度，T_y为摆动相的时间长度，也是支撑相的时间长度，这些参数的值均由控制器I发送给控制器II的步态参数决定。

Images