CN105843230A - 移动机器人的动态自适应稳定控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及零力矩点（ZMP）动态稳定控制在移动机器人方面的应用领域，尤其是公开了一种移动机器人的动态自适应稳定控制系统，包括移动平台，设于移动平台上可连接机器人躯干部分的连接装置，可沿移动平台边缘伸出、进而增强移动平台支撑稳定性的伸展装置及连接所述移动平台和伸展装置的操控单元；操控单元包括可实时计算移动平台零力矩点、判断机器人动态稳定性的ZMP计算模块、车体运动和导航控制模块及连接机器人躯干部分的控制箱；控制箱连接ZMP计算模块、车体运动和导航控制模块、移动平台及伸展装置。本发明可实时计算机器人零力矩点、判断移动平台的动态稳定性，自动调整机器人躯干或者移动伸展装置，保证机器人的动态稳定性。

Description

移动机器人的动态自适应稳定控制系统

技术领域

本发明涉及零力矩点（ZMP）动态稳定控制在移动机器人方面的应用领域，尤其是涉及一种移动机器人的动态自适应稳定控制系统。

背景技术

零力矩点ZMP最初起始于人形机器人双腿的运动力学的姿态稳定控制。零力矩点被用来判定仿人机器人动态稳定控制的重要指标，ZMP落在脚掌支撑的范围里面，则机器人可以稳定地行走。脚在接触地面时有反作用力也会产生力矩。若存在一点其反作用力、惯性力的净力矩和为零的点称之为零力矩点。ZMP控制机制将ZMP原理综合运用在运动规划、动力学稳定控制、关节驱动控制等多个机器人动态模块控制的方面。

但是目前并无能根据零力矩点ZMP调整机器人行走稳定性的控制装置，进而只能保持行走机器人行走路线时的稳定性，机器人无法进行其他任何操作；即机器人搬运重物时、或者重心出现偏移时还是会倾倒，而现有的多采用在机器人上临时增加配重的方法保持机器人稳定性的需求，而该方法耗费时间和人力、同时还增加机器人的负担，降低了机器人的工作效率。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供一种可实时计算机器人零力矩点，保证机器人动态稳定性，移动机器人的动态自适应稳定控制系统。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种移动机器人的动态自适应稳定控制系统，包括移动平台，设于移动平台上可连接机器人躯干部分的连接装置，可沿移动平台边缘伸出、进而增强移动平台支撑稳定性的伸展装置及连接所述移动平台和伸展装置的操控单元；所述操控单元包括可实时计算移动平台零力矩点、判断机器人动态稳定性的ZMP计算模块、车体运动和导航控制模块及连接机器人躯干部分的控制箱；所述控制箱连接ZMP计算模块、车体运动和导航控制模块、移动平台及伸展装置。移动平台可为移动机器人提供一个稳定的基础；连接装置可实现将机器人躯干部分安装于移动平台上；伸展装置可伸展并接触地面，在机器人执行动作时使机器人安置更稳定；动态ZMP计算模块可实时计算移动平台的零力矩点，并将信息反馈给控制箱，控制箱根据需要控制伸展装置伸展，动态ZMP计算模块测量伸展装置展开时扩大的零力矩点的稳定区域，保证机器人在静置状态下的（重心）和动态下的（零力矩点）平衡。动态ZMP计算模块在机器人执行操控动作时可实时测量其动态的零力矩点，同时根据测量的零力矩点判断机器人的动态稳定性，控制箱可根据以上的反馈判定计算控制机器人躯干部分的动作，使其保持在零力矩点稳定区间。移动平台在地面上移动时，动态ZMP计算模块计算出零力矩点。机器人在地面移动时，控制箱可实时计算控制机器人的动作，并提前规划机器人的零力矩点和动力参数，使其保持在零力矩点稳定范围内，保证机器人的稳定性；以确保在动态中保持机器人姿态平衡且不致倾覆，可利用实时计算零点力矩点的方法判断移动平台在移动中的动态稳定性，消除了采用增加机器人平衡重物的方法保持系统姿态稳定的要求，不增加机器人的负担，且稳定性调节速度快，效率高，无需人为操作，省时省力；车体运动和导航控制模块可实现对对障碍物的检测和对移动平台的运动方向的控制，保证移动平台移动过程中能有效避开障碍物。

进一步地，所述控制箱包括主板，触摸屏，通讯模块及连接所述主板、触摸屏、通讯模块的控制器；通讯模块连接所述ZMP计算模块、车体运动和导航控制模块、移动平台及伸展装置。控制器起到信号处理、分析和整体控制的作用，通讯模块可实现信号的无线传输和接收，触摸屏可方便操作人员的操作控制。

进一步地，所述移动平台包括可向任意方向移动的移动机构、连接移动机构的多向驱动系统，所述多向驱动系统连接所述控制箱。多向驱动器可控制移动机构向任意方向移动，进而控制移动平台的移动方向，所述控制箱可方便对多向驱动系统进行控制。

进一步地，所述伸展装置包括可向移动平台边缘伸出的侧杆、连接侧杆可带动侧杆伸缩的第一驱动装置、连接侧杆的支撑杆和/支撑架，所述第一驱动装置连接所述控制箱。控制箱可控制第一驱动装置伸缩，进而带动侧杆伸缩，实现对支撑杆和/支撑架的伸缩控制。

进一步地，所述支撑杆和/支撑架底部设有第一全向轮。可使支撑杆和/支撑架随移动平台一起移动，进而保证移动平台移动的稳定性。

进一步地，所述支撑杆中部为可弯折的支撑腿/竖直杆状结构。可弯折的支撑腿使用更加自由，支撑更加稳定。

进一步地，所述ZMP计算模块、车体运动和导航控制模块均设于移动平台上。

进一步地，所述控制箱为手提式箱体结构。可方便管理则的使用。

综上所述，本发明可实时计算机器人零力矩点、判断移动平台的动态稳定性，并自动调整机器人躯干或者移动伸展装置，保证机器人的动态稳定性。

附图说明

图1a为本发明的立体图一；

图1b为本发明的部分结构示意图；

图1c为本发明的使用状态图一；

图2a为本发明的使用状态图二；

图2b为本发明的使用状态图三；

图3为本发明的伸展装置展开时的状态图一；

图4a为本发明的立体图二；

图4b为图4a的仰视图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

在移动机器人的稳定控制系统中应用零力矩点稳定控制概念并运用于移动机器人姿态动态稳定性控制被认为是一个有效的控制方法。

对于移动机器人而言，零力矩点控制亦可应用于移动操控过程中系统姿态稳定。采用可调零力矩点区域控制方式能够帮助移动机器人系统在操控时实现自适应动态稳定性控制。

如图1-4所示，一种移动机器人的动态自适应稳定控制系统，包括移动平台104、连接装置106、伸展装置108及操控单元。所述连接装置106设于移动平台104上，且可连接机器人躯干部分102。伸展装置108、114可沿移动平台104边缘伸出，进而增强移动平台104支撑稳定性.其中，伸展装置108沿移动平台104两端伸出，而伸展装置114则沿移动平台104两侧伸出。操控单元连接所述移动平台104和伸展装置108、114。

具体的，所述操控单元包括ZMP计算模块、车体运动和导航控制模块及控制箱。所述控制箱为手提式箱体结构，方便操作人员使用。所述控制箱连接机器人躯干部分102，进而可对机器人躯干部分102进行控制。所述ZMP计算模块可实时计算移动平台零力矩，判断机器人的动态稳定性。所述控制箱连接ZMP计算模块、车体运动和导航控制模块、移动平台104及伸展装置108、114。再者，所述控制箱包括主板、触摸屏、通讯模块及控制器。控制器连接所述主板、触摸屏及通讯模块，通讯模块连接所述ZMP计算模块、车体运动和导航控制模块、移动平台104及伸展装置108、114。且所述ZMP计算模块、车体运动和导航控制模块均设于移动平台104上。

进一步地，移动平台可为移动机器人提供一个稳定的基础。所述移动平台104包括移动机构和多向驱动系统，通常移动机构具有多种移动方式，如图1a中的单面完整驱动器116、图1b中的普通轮毂、图1c中的履带驱动器。多向驱动系统连接移动机构，移动机构可向任意方向移动，进而保证移动平台104向任意方向移动，所述多向驱动系统连接所述控制箱。移动平台104可使机器人在狭小的空间内在任意方向灵活移动并且有效避开障碍物。

如图1a所示，所述伸展装置108、114至少为一个，所述伸展装置108、114包括侧杆122、第一驱动装置、支撑杆。所述侧杆122可向移动平台104边缘伸出，第一驱动装置设于移动平台104上，且第一驱动装置连接侧杆122，进而可带动侧杆122伸缩。支撑杆连接侧杆122，所述第一驱动装置连接所述控制箱。如图1c所示，所述支撑杆中部可以是可弯折的支撑腿121；又或者如图1b所示，支撑杆也可以是竖直杆状结构120，当然还可以是两者组合使用。在其他实施例中，所述支撑杆也可用支撑架代替，或者支撑杆与支撑架组合使用。所述支撑腿121可弯折处有类似关节的功能，进而可使移动平台104具有步态移动的能力。所述支撑杆和支撑架具有可支撑垂直重量的功能。

所述伸展装置打开并接触地面时，可在机器人执行动作时使机器人更稳定。移动平台104可利用多向驱动系统提供多个方向的稳定性。移动平台104边缘可伸展出一个零力矩点的伸展装置，零力矩点稳定可通过伸展装置来实现。如图3、图4a及图4b所示，当伸展装置108、114伸展时，它所覆盖的范围产生了零力矩点稳定区域，这个区域由机器人立足点以内的一个多边形区域来表征。移动机器人只要保持动态重心在零力矩点稳定区域范围内，就可以在动态移动操控中保持动态平衡稳定。机器人躯干部分102姿势同样可在动态操控中实现ZMP自适应调整来提高稳定性。伸展装置108、114可通过侧杆110进行伸展或收缩控制。在有些设计里，一条支撑腿121可从可从伸展装置108、114中进一步延伸出来，进而使移动平台104具有步态移动控制能力。在有些狭小的空间里，侧面的可伸展装置使机移动平台104具有更好的接触地面，并有利于提供更高的系统动态稳定性。移动平台104的材料可以是钢铁、钛、塑料、橡胶、硅等等。

如图2a和2b所示，当机器人执行例如抱抬和移载重物的任务时，移动平台104可伸展出至少一个伸展装置108、114来来扩大零力矩点动态稳定区域。如图3和图4a所示，只要机器人系统动态的重心保持在零力矩点稳定区域内，移动平台104和机器人躯干部分102即可保持动态稳定。操控单元可利用实时计算零力矩点的方法来判别移动平台104在移动中的动态稳定性。该计算零力矩点的方法消除了以往通过临时增加机器人配重的方法保持稳定的需求。

为了在移动平台104移动过程中保持稳定性，于是所述伸展装置108、114底部设有第一全向轮119。

所述连接装置106具有灵巧操控功能（至少具有抱抬及移载物品功能）的机器人通过机器人躯干部分102安装在上述提到的移动平台104上。连接装置106用来安装一个机器人躯干部分102，机器人躯干部分102包括人形机器人或类似起重机的机械系统。机器人躯干部分102可通过螺栓、螺丝、焊接、粘合等方式与移动平台104连接。零力矩点可利用伸展装置108、114和其他连接在移动平台104上的部分并由电机驱动器提供动力，即所述多向驱动系统和第一驱动装置均为电机驱动器，当然在其他实施例中，也可以是气缸、气缸等其他驱动部件。

动态自适应稳定控制系统为机器人操控提供动态姿态稳定性，尤其是在机器人执行灵巧操控任务时，包括抱抬和移载重物、战场上抢救伤员时，以达到为机器人提供静止状态下的（重心）和动态中的（零力矩点）平衡，为机器人移动操控提供了持续动态稳定性。移动平台104在颠簸路面利用履带驱动器进行移动。移动平台104可利用全向驱动系统提供任意方向的控制稳定性。移动平台104边界可延伸出一个零力矩点伸展装置使机器人更稳定，防止机器人倾翻，在动态中保持机器人的平衡。

动态自适应稳定控制系统包含以下方法：具有自适应地动态移动地面支撑面的方法、使机器人具有灵巧操控功能（至少具有抱抬与移载物品功能）方法，并且和上述地面支撑点移动功能配合的方法以达到满足系统动态姿态稳定性。在上述移动和灵巧操控时确保系统能通过在地面支撑动态调整而达到稳定的方法。测量系统重心、零力矩点、零力矩点稳定区域的方法；控制可延伸地面支撑装置的方法；控制机器人姿势稳定的方法；自适应规划零力矩点和动力参数的方法。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种移动机器人的动态自适应稳定控制系统，包括移动平台（104），设于移动平台（104）上可连接机器人躯干部分（102）的连接装置（106），可沿移动平台（104）边缘伸出、进而增强移动平台（104）支撑稳定性的伸展装置（108、114）及连接所述移动平台（104）和伸展装置（108、114）的操控单元；其特征在于：所述操控单元包括可实时计算移动平台零力矩点、判断机器人动态稳定性的ZMP计算模块、车体运动和导航控制模块及连接机器人躯干部分（102）的控制箱；所述控制箱连接ZMP计算模块、车体运动和导航控制模块、移动平台（104）及伸展装置（108、114）。

2.根据权利要求1所述的移动机器人的动态自适应稳定控制系统，其特征在于：所述控制箱包括主板，触摸屏，通讯模块及连接所述主板、触摸屏、通讯模块的控制器；通讯模块连接所述ZMP计算模块、车体运动和导航控制模块、移动平台（104）及伸展装置（108、114）。

3.根据权利要求1所述的移动机器人的动态自适应稳定控制系统，其特征在于：所述移动平台（104）包括可向任意方向移动的移动机构、连接移动机构的多向驱动系统，所述多向驱动系统连接所述控制箱。

4.根据权利要求1所述的移动机器人的动态自适应稳定控制系统，其特征在于：所述伸展装置（108、114）包括可向移动平台（104）边缘伸出的侧杆（122）、连接侧杆（122）可带动侧杆（122）伸缩的第一驱动装置、连接侧杆（122）的支撑杆和/支撑架，所述第一驱动装置连接所述控制箱。

5.根据权利要求4所述的移动机器人的动态自适应稳定控制系统，其特征在于：所述伸展装置（108、114）底部设有第一全向轮（119）。

6.根据权利要求4所述的移动机器人的动态自适应稳定控制系统，其特征在于：所述支撑杆中部为可弯折的支撑腿（121）和/竖直杆状结构（120）。

7.根据权利要求1所述的移动机器人的动态自适应稳定控制系统，其特征在于：所述ZMP计算模块、车体运动和导航控制模块均设于移动平台（104）上。

8.根据权利要求1所述的移动机器人的动态自适应稳定控制系统，其特征在于：所述控制箱为手提式箱体结构。