CN106383441A - 一种新型多足机器人在较平坦地形下的遥操作系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

新型多足机器人在较平坦地形下的遥操作系统及方法，涉及一种当人类无法亲身进入到工作场合时，遥操作多足机器人辅助其完成指定任务的新方式。本发明所述的一种新型多足机器人在较平坦地形下的遥操作系统及控制方法，首先需要确定多足机器人的遥操作系统的映射方式；其次建立主端系统的动力学模型及从端系统的运动学模型；然后采用半自主的控制策略设计多足机器人遥操作系统的控制器，并以触觉力反馈的形式指导操作人员更合理的遥操作多足机器人；最后通过稳定性判定准则，推导出控制器增益系数的合理范围；所提出的遥操作模式及控制方法也是为后续复杂地形下多足机器人遥操作系统的设计做铺垫。本发明适用于多足机器人的遥操作领域。

Description

一种新型多足机器人在较平坦地形下的遥操作系统及控制 方法

技术领域

本发明属于足式机器人遥操作技术领域，具体涉及一种针对较平坦地形下操作人员遥操作多足机器人平稳、高效行走的新方法。

背景技术

遥操作技术在过去半个多世纪里取得了显著的发展，应用环境也非常的广泛，包括航天、医疗、勘探以及安保等领域，广泛的应用领域决定了其操纵对象也是种类繁多，包括轮式车辆、机械臂、无人机、潜水器等。这些应用场合及控制对象都存在一个共同点，就是人类本身无法直接到达或者客观的安全条件制约着人类无法进入。

随着足式机器人应用需求及从事领域的越发广泛，许多针对足式机器人控制方面的待解决难题也相继被提出，其中主要的原因来自外在环境对机器人扰动的不明确、机器人内在状态变化的非线性，这些实际问题极大程度的增加了对机器人自主控制算法研究的难度。

相比于独立自主的机器人控制系统，遥操作技术的特点是在系统决策层中引入了人为的主观评价以及人体的感官机能，其良好的人机交互功能正是弥补了现有自主控制算法难以保证全地形下多足机器人行走稳定性及高效性的缺陷，将多足机器人的控制与遥操作技术相结合，正是将人的感知及决策能力融入到整个多足机器人的控制环内，提高多足机器人的运动能力，使其能够更好的完成所指定的特殊任务，从而自如的应用于各种复杂的工作场合之中。通过查阅资料发现，当前针对多足机器人遥操作技术的研究还处于空白阶段，因此对于较平坦地形下的多足机器人遥操作方法的研究将作为多足机器人遥操作技术领域内的基础，为后续更复杂的创新做铺垫。

发明内容

本发明是为了解决多足机器人由于自身复杂的本体结构及未知的外界扰动等原因所导致的自主控制算法难以保证其在全地形下稳定、高效行走问题，现提出一种新型的多足机器人在较平坦地形下的遥操作系统及控制方法。

针对多足机器人在较平坦地形下的遥操作系统及控制方法，主要分为四部分：多足机器人在较平坦地形下的遥操作系统框架的设计；多足机器人遥操作系统中主端的机器人动力学建模；多足机器人遥操作系统中从端的机器人运动学建模；设计多足机器人遥操作系统的控制架构及算法，并以触觉力的形式反馈给操作人员，以此来指导操作人员更好的控制多足机器人在较平坦地形下稳定、高效的通过。

所述的多足机器人在较平坦地形下的遥操作系统及控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：根据多足机器人自身的结构特性、工作环境的制约，设计出多足机器人遥操作系统主端系统与从端系统之间的操作映射关系；

步骤 2：根据所选定遥操作系统主端的机器人构型，建立其动力学模型；

步骤 3：通过确定主从两端的操纵映射关系及多足机器人在较平坦地形下的运动特点，规划出从端的机器人运动学模型；

步骤4：基于主从两端的动力学及运动学模型，设计多足机器人遥操作系统的控制架构及算法；

步骤5：通过遥操作系统的稳定性判定条件，求出多足机器人遥操作系统控制器参数的合理范围。

本发明有以下有益效果：

所述的一种新型多足机器人在较平坦地形下的遥操作系统及控制方法，一方面，通过遥操作技术与多足机器人控制系统相结合，将人为的感知能力融入到整个多足机器人的控制架构中，解决了现有自主控制算法无法保证全地形下多足机器人的良好通过性；另一方面将从端的机器人运动状态与主端的控制指令之间的跟踪情况，以触觉力的形式反馈给操作人员，指导操作人员更稳定、更高效的遥操作多足机器人完成指定任务。

附图说明

图1为主端的三自由度并联机器人结构示意图；

图2为从端的六足机器人本体结构示意图；

图3为从端的六足机器人单腿结构示意图；

图4为多足机器人遥操作系统结构示意图；

图5为多足机器人遥操作系统的控制架构示意图。

具体实施方式

具体实施方式1：本实施方式所述的新型多足机器人在较平坦地形下的遥操作系统，首先需要确定遥操作系统的基本组成，多足机器人遥操作系统包括主端系统、从端系统及控制策略，所述的主端系统由三自由度并联机器人构成；所述的从端系统由六足机器人构成；所述的控制策略采取半自主的控制方式。

具体实施方式2：本实施方式是针对具体实施方式1所述的多足机器人遥操作系统主端的结构作进一步说明，本实施方案中，参照附图1所示多足机器人遥操作系统主端由三自由度并联机器人构成，其中包括上平台1和下平台2，上平台1与下平台2通过三组机械臂3相连，机械臂3与下平台2通过三组电机4相连，电机4的作用是用来模拟力反馈信息，操作手柄5与上平台1固连，操作人员通过操作手柄输入期望指令，因此多足机器人遥操作系统主端的机器人可以实现三个方向的期望指令输入，分别是左右方向的位移量输入、上下方向的位移量输入以及前后方向的位移量输入。

具体实施方式3：本实施方式是针对具体实施方式1所述的多足机器人遥操作系统从端的结构作进一步说明，本实施方案中，参照附图2所示多足机器人遥操作系统从端由仿昆虫型电驱动六足机器人构成，其中六足机器人由机体6及六条腿7组成，机体6为正六边形，六条腿7均匀的分布在机体的每一条边上且构型相同；

参照附图3所示，腿7具有三个自由度，分别由基节8、大腿9、小腿10、足11组成，其中基节8与机体6通过根关节12相连接，大腿9与基节8通过髋关节13相连接，小腿10与大腿9通过膝关节相连接，足11与小腿10相固连，且这三个活动关节内分别安装了三个电机，用于驱动六足机器人腿部运动。

具体实施方式4：本实施方式是针对具体实施方式1所述的多足机器人遥操作系统的控制策略作进一步说明，本实施方案中，由于多足机器人遥操作系统主从两端的结构不相同，因此采用主从异构的操作方式，即将主端的并联机器人三个自由度与从端的六足机器人24个自由度中的某三个自由度相映射；

本实施方案中，考虑六足机器人在较平坦地形下的运动特性，采用半自主的控制方式设计多足机器人遥操作系统的控制策略，即多足机器人遥操作系统主端的发送指令，只需与从端的六足机器人质心所在水平面内三个方向（横向、纵向、偏航）上的运动相映射，每条腿再根据这三个方向上的运动指令自主规划各自的运动轨迹，以此来支撑机体完成指定的任务。

具体实施方式5：本实施方式所述的新型多足机器人在较平坦地形下的遥操作控制方式，参照图4所示基于电路学中的双端口网络技术建立多足机器人遥操作系统。参照图5所示，操作人员通过操作主端的并联机器人在三个方向上的位移量，向多足机器人遥操作系统发送指令，该指令经过主端的机器人动力学模型16的转换，再结合控制器内的增益系数18，此时操作人员发送的位置指令已转换成机体的期望速度并发送给从端，期望速度经过从端的机器人运动学模型19以及环境的阻抗模型20共同作用，将其转换成六足机器人的实际机体速度，此机体实际速度再与之前的期望速度作差，将此差值通过控制器内的增益系数17转换成触觉力信息，经由操作人员自身的阻抗模型15，将力信息反馈给操作人员，使其能更稳定、高效的遥操作六足机器人在较平坦地形下行走。

具体实施方式6：本实施方式是根据具体实施方式1、2、3、4、5所述的新型多足机器人在较平坦地形下的遥操作系统的控制方法，该控制方法具体包括以下步骤：

步骤1：对主端的三自由度并联机器人进行动力学建模，从而建立主端的阻抗控制模型；

步骤2：通过分析六足机器人在较平坦地形下的运动特性，对从端的六足机器人进行运动学规划：

步骤2.1：根据六足机器人矢状面内的几何模型，建立六足机器人水平方向上的直线运动学模型；

步骤2.2：根绝六足机器人水平面内的几何模型，建立六足机器人水平方向上的转向运动学模型；

步骤3：对多足机器人遥操作系统的控制架构进行设计：

步骤3.1：基于电路学中双端口网络技术建立多足机器人遥操作系统的阻抗模型，将主端的位置指令通过控制增益与从端的机体期望速度相映射，再通过步骤2中规划的六足机器人运动学模型，确定机体质心所在水平面内三个方向（横向、纵向、偏航）上的运动特性与腿部运动特性之间的关系，将机体期望速度转换成腿部各关节的期望角速度，各关节内的电机通过期望指令支撑机体运行在较平坦地形下，后经由环境阻抗模型即可得到机体的实际速度；

步骤3.2：在多足机器人遥操作系统的控制器中将机体的实际速度与期望速度作差，再将差值通过控制器中的增益系数转换成触觉力信息，主端的并联机器人内的电机用来模拟此触觉力，操作人员经由主端系统感知到此力信息，再经由自身的阻抗模型，转换成新的操作指令重新作用于主端系统，从而遥操作六足机器人在较平坦地形下更稳定、高效的行走；

步骤4：通过阻抗矩阵的判定准测，判定本发明所建立的多足机器人遥操作系统及控制方法的稳定性。

Claims (6)

1.一种新型多足机器人在较平坦地形下的遥操作系统，其特征在于：所述的多足机器人的遥操作系统，基于半自主的控制策略设计，所搭建的多足机器人遥操作系统主要由主端的机器人、从端的机器人以及控制器所组成。

2.根据权利要求1所述的一种新型多足机器人在较平坦地形下的遥操作系统，其特征在于：多足机器人遥操作系统的主从两端采用主从异构的映射形式，将三自由度并联机器人作为多足机器人遥操作系统的主端，仿昆虫型电驱动六足机器人作为多足机器人遥操作系统的从端；

所述的主从异构的映射形式，即多足机器人遥操作系统的主端系统与从端系统之间的自由度数不匹配；

所述的三自由度并联机器人由上、下平台及三条机械臂构成，机械臂与下平台通过电机连接，上平台的末端安装可操作手柄，此并联机器人可实现左右移动、上下移动、前后移动；

所述的仿昆虫型电驱动六足机器人由机体及六条腿组成，机体为六边形平台，每条腿都具有三个关节，包括根关节、髋关节及膝关节，六条腿均匀的分布在机体的每一条边上，所述六足机器人共包括24个自由度，其中机体6个自由度，每条腿3个自由度，能实现多位姿行走。

3.根据权利要求1所述的一种新型多足机器人在较平坦地形下的遥操作系统，其特征在于：所述的半自主控制策略，即为六足机器人在较平坦地形下行走时，受环境的干扰较小，因此操作人员无需对单腿的运动进行干预，单对机体水平方向的操作即可保证在较平坦地形下的通过性，所以遥操作系统主端的机器人只需控制机体质心所在水平面内三个方向（横向、纵向、偏航）的运动，六足机器人接收到操作人员发送的机体控制指令之后，各条腿将自主规划运动轨迹，从而实现支撑机体完成指定的运动任务。

4.一种新型多足机器人在较平坦地形下的遥操作控制方法，其特征在于，多足机器人的遥操作系统采取位置-速度控制的方式，并将从端的速度跟踪信息以触觉力的形式反馈给操作人员，指导其更稳定、更高效的遥操作多足机器人。

5.根据权利要求3、4所述的一种新型多足机器人在较平坦地形下的遥操作控制方法，其特征在于：所述的多足机器人遥操作系统采取的位置-速度控制方式，实质上是将主端的并联机器人三个方向上的位移量，通过设定不同的三组增益系数，与从端的六足机器人质心所在水平面内三个方向（横向、纵向、偏航）的速度相映射，以此来完成主从两端的位置-速度跟踪控制。

6.根据权利要求3、4所述的一种新型多足机器人在较平坦地形下的遥操作控制方法，其特征在于：所述的多足机器人遥操作系统的力反馈形式，实质上是将主端系统所发送的机体期望速度，与从端系统的机体实际速度作差，再通过增益系数将此差值转化为触觉力的形式反馈给操作人员，具体表现为期望速度的值大于机体实际速度时，将在主端的系统内产生一股阻力，使得操纵者不会继续增加期望速度的值；相反，如果期望速度的值小于机体实际速度，将在主端的系统内产生一股拉力，以此实现六足机器人在较平坦地形下稳定、高效的行走。