CN107085425A - 一种六足机器人控制系统与爬楼梯步态规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六足机器人控制系统与爬楼梯步态规划方法，包括机身、控制系统和步态规划。机身包括躯干和行走机构，行走机构包括6条对称分布在躯干两侧的腿部，每条腿部有三个关节，每个关节由一个舵机驱动，每条腿部足端装有力传感器。控制系统包括单片机、舵机控制板、力传感器、三轴加速度计以及航模电池，力传感器和三轴加速度计收集外部信息反馈给单片机，单片机分析信息后发出指令给舵机控制板，再由舵机控制板驱动每个舵机完成爬楼梯步态的每个分解动作。本发明设计出了一种在满足行走效率的前提下控制算法简单拥有自主越障功能的六足机器人。

Description

一种六足机器人控制系统与爬楼梯步态规划方法

技术领域

本发明涉及一种六足机器人控制系统与爬楼梯步态规划方法，属于机器人领域。

背景技术

随着中国制造2025规划的实施，机器人会在国民经济中扮演越来越重要的角色。在《机器人产业十三五发展规划》中提到要重点推进工业机器人在民爆等危险作业行业、国防军工领域的推广应用。目前，用于此类应用的机器人主要分成轮式和足式两种。轮式机器人的优点在于移动迅速，并且自由度较低使得控制较为简单，而当面对坑洼、障碍等崎岖地貌时，轮式机器人将很难适应，在这一点上足式机器人的优势十分明显。

六足机器人作为足式机器人中极具代表性的一种，被广泛应用于野外勘察、太空探测、灾区救援等领域。这就要求机器人具有很强的越障能力，而楼梯作为人造环境中最为常见的障碍，同时也是最难跨越的障碍之一，机器人对其攀爬能力成为移动机器人越障能力研究的一个重点。

专利“一种仿生六足机器人控制系统及控制方法”[专利申请号：201410653477.X，公开号：CN 104460672 A]，公开了一种适用于复杂地形下六足机器人的控制策略和控制系统。该系统利用限位开关进行足端触地反馈，当足端触地时反馈的信号容易产生毛刺，需要额外添加信号处理电路，增加处理器负担，且无三轴加速度计，无法保证六足机器人的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于解决背景技术中的问题，提供一种简单高效的六足机器人爬楼梯控制系统和步态规划方法。

上述目的通过以下的技术方案实现：

本发明包括机身、控制系统和步态规划，所述的机身包括躯干和行走机构，所述的躯干包括机架，所述的行走机构包括腿A、腿B、腿C、腿D、腿E和腿F，腿A、腿B和腿C对称分布在机架左侧，腿D、腿E和腿F对称分布在机架右侧，所述的腿A、腿B、腿C、腿D、腿E和腿F分别包括基节、大腿、胫节、足端、基节舵机、腿节舵机以及胫节舵机，所述的机架两侧分别通过舵盘各自连接基节，所述的基节连接大腿，所述的大腿连接胫节，所述的胫节连接足端，所述的基节上安装基节舵机，所述的大腿上安装腿节舵机，所述的胫节上安装胫节舵机，所述的足端上安装足端压力传感器。

所述的控制系统包括单片机、舵机控制板、所述的安装在每个足端的力传感器、三轴加速度计以及航模电池，所述的力传感器和三轴加速度计连接单片机，所述的单片机连接舵机控制板，所述的舵机控制板分别连接基节舵机、腿节舵机和胫节舵机，所述的航模电池分别连接单片机和舵机控制板；所述的力传感器负责检测足部的触地情况并将信息反馈给单片机，所述的三轴加速度计负责检测躯干的俯仰角并将信息反馈给单片机，所述的单片机将所述的力传感器和三轴加速度计反馈的信息处理后通过算法生成每个所述的基节舵机、腿节舵机和胫节舵机的旋转角度并发送指令给所述的舵机控制板，所述的舵机控制板接收所述的单片机指令后驱动每个所述的基节舵机、腿节舵机和胫节舵机，所述的航模电池为整个控制系统供电。

所述的步态规划包括五个步骤：

步骤1：腿A、腿B、腿C、腿D、腿E和腿F支撑于地面，执行步骤2；

步骤2：腿A和腿B的腿节舵机分别向上转动β，基节舵机分别向前转动θ后腿节舵机分别向下转动直到腿A和腿B触地，腿C、腿D、腿E和腿F保持不变，执行步骤3；

步骤3：腿A、腿B、腿C、腿D、腿E和腿F的基节舵机分别向后转动θ，同时腿C、腿D、腿E和腿F的腿节舵机分别向下转动直到躯干平行于地面，执行步骤4；

步骤4：腿B和腿E的腿节舵机分别向上转动β，基节舵机分别向前转动θ后腿节舵机分别向下转动直到腿B和腿E触地，腿A、腿B、腿E和腿F保持不变，执行步骤5；

步骤5：腿C和腿D的腿节舵机分别向上转动β，基节舵机分别向前转动θ后腿节舵机分别向下转动直到：腿C和腿D触地，腿A、腿B、腿E和腿F保持不变，执行步骤1；

θ为步骤2中大腿在水平面投影与步骤1中大腿在水平面投影的夹角，范围设定为-85°到85°。

本发明具有有益效果。

1.本发明六足机器人是一种具有冗余运动、多支链、时变拓扑运动机构的移动机器人，由于其具有18个自由度，使得多腿协调控制极具挑战性，而本发明在保证六足机器人行走效率的前提下，对其运动步态进行了简化，使得控制算法难度降低，同时减轻控制器的负担，提高了六足机器人反应速度。

2.本发明的高层传感器是力传感器和三轴加速度计，通过力传感器作为足端反射判断支撑相腿部是否就位，通过三轴加速度计判断六足机器人运行是否平稳，使得机器人能够自主判断当前自身的状况，进而采取下一步的行动。

附图说明

图1为本发明的六足机器人系统俯视图；

图2位本发明的六足机器人系统主视图；

图3为本发明的六足机器人单腿主视图；

图4为本发明的六足机器人单腿简化模型；

图5为本发明的六足机器人爬梯步态俯视图；

图6为本发明的六足机器人行走相量图；

图7为本发明的六足机器人控制算法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2和图3所示，本发明包括躯干、行走机构和控制系统，躯干由上底板1和下底板5组成。行走机构由6条腿14组成，腿A、腿B和腿C均匀分布在躯干左侧，腿D、腿E和腿F均匀分布在躯干右侧，每条腿的包括基节7、大腿8、胫节9、足端13，基节舵机10、腿节舵机11以及胫节舵机12，基节舵机10由上底板1和下底板5夹持，通过舵盘水平放置，负责控制腿部在水平方向转动，腿节舵机11与基节舵机10通过舵盘连接并竖直放置，负责控制腿部在竖直方向上转动。胫节舵机12由大腿8和胫节9夹持，通过舵盘竖直放置，负责控制胫节在竖直方向上转动。控制系统包括单片机电路板3、舵机控制板2、力传感器20、三轴加速度计4以及航模电池6。

如图4、图5和图6所示，本发明规划的步态是一种周期性的四足步态，理想状态下，除了初始状态T₁和摆动状态T₃外，同一时刻有四条腿处于支撑相，即有四个足端与地面接触。初始状态T₁时，六足机器人处于站立状态，腿A、腿B、腿C、腿D、腿E和腿F处于支撑相，T₂状态时，腿B、腿C、腿D和腿E处于支撑相，腿A和腿F处于悬空相，腿A和腿F的腿节舵机分别转动θ_f使足端离开地面并分别转动基节舵机θ_c，T₃状态时，腿A和腿F腿节舵机转动-θ_f使足端接触地面回到支撑相，腿B、腿C、腿D和腿E保持不变，腿A和腿F转动基节舵机-θ_c，同时腿B、腿C、腿D和腿E转动基节舵机θ_c，T₃状态结束后，六足机器人质心向正前方移动λ，T₄状态时，腿B和腿E处于悬空相，腿B和腿E的腿节舵机分别转动θ_f使足端离开地面并分别转动基节舵机θ_c，腿A、腿C、腿D和腿F保持不变，T₅状态是，腿B和腿E的腿节舵机转动-θ_f使足端接触地面回到支撑相，腿C和腿D处于悬空相，腿C和腿D的腿节舵机分别转动θ_f使足端离开地面并分别转动基节舵机θ_c，腿A和腿F保持不变，T₅状态后，腿C和腿D的腿节舵机转动-θ_f使足端接触地面回到支撑相，回到初始状态，完成一个周期的运动。

如图5所示，假设初始状态时，舵机转动角度均为0，具体爬楼梯控制流程如下：

步骤1：腿A和腿F同时动作，分别将基节舵机向Y_w轴负方向转动θ_c，腿节舵机向Z_w轴正方向转动θ_f，并执行步骤2；

步骤2：若力传感器A和力传感器F反馈为0，执行步骤3，否则执行步骤4；

步骤3：:利用插值算法将腿A和腿F的腿节舵机分别向Z_w轴负方向转动，直至力传感器A和力传感器F反馈不为0，此时腿A和腿F的腿节舵机的转动角度分别为θ_f’和θ_f’，并执行步骤4；

步骤4：腿A和腿F分别将基节舵机向Y_w轴正方向转动θ_c，同时腿B、腿C、腿D和腿E分别将基节舵机向Y_w轴正方向转动θ_c，并执行步骤5；

步骤5：腿B、腿C、腿D和腿E同时动作，分别将腿节舵机向Z_w轴负方向转动θ_f’，并执行步骤6；

步骤:6：若三轴加速度计4反馈俯仰角度为0，则执行步骤10，否则执行步骤7；

步骤7：若三轴加速度计4反馈俯仰角度为负数，则执行步骤8，否则执行步骤9；

步骤8：利用插值算法将腿B、腿C、腿D和腿E的腿节舵机分别向Z_w轴正方向转动，直至俯仰角为0，并执行步骤10；

步骤9：利用插值算法将腿B、腿C、腿D和腿E的腿节舵机分别向Z_w轴负方向转动，直至俯仰角为0，并执行步骤10；

步骤10：腿B和腿E同时动作，基分别将节舵机向Y_w轴负方向转动θ_c，腿节舵机向Z_w轴正方向转动θ_f，胫节舵机向Z_w轴正方向转动θ_t，并执行步骤11；

步骤11：若力传感器B和力传感器E反馈为0，执行步骤12，否则执行步骤13；

步骤12：:利用插值算法将腿B和腿E的腿节舵机分别向Z_w轴负方向转动，直至力传感器B和力传感器E反馈不为0，并执行步骤13；

步骤13：腿C和腿D同时动作，分别将基节舵机向Y_w轴负方向转动θ_c，腿节舵机向Z_w轴正方向转动θ_f，并执行步骤14；

步骤14：若力传感器C和力传感器D反馈为0，则执行步骤15，否则执行步骤1；

步骤15：:利用插值算法将腿C和腿D的腿节舵机分别向Z_w轴负方向转动，直至力传感器C和力传感器D反馈不为0，并执行步骤1。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来，在不脱离本发明原理的前提下可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种六足机器人控制系统，其特征在于，包括机身和控制系统；

所述的机身包括躯干和行走机构，所述的躯干包括上底板（1）、下底板（5），所述的行走机构包括腿A、腿B、腿C、腿D、腿E和腿F，腿A、腿B和腿C均匀分布在躯干左侧，腿D、腿E和腿F均匀分布在躯干右侧，所述的腿A、腿B、腿C、腿D、腿E和腿F分别包括基节（7）、大腿（8）、胫节（9）、足端（13）、基节舵机（10）、腿节舵机（11）以及胫节舵机（12），所述的躯干两侧分别通过舵盘各自连接基节，所述的基节连接大腿、大腿连接胫节、胫节连接足端、基节上安装基节舵机，大腿上安装腿节舵机、胫节上安装胫节舵机、足端上安装足端压力传感器；

所述的控制系统包括单片机（3）、舵机控制板（2）、安装在每个足端的力传感器（15）、三轴加速度计（4）以及航模电池（6），力传感器和三轴加速度计连接单片机，单片机连接舵机控制板，舵机控制板分别连接基节舵机、腿节舵机和胫节舵机，航模电池分别连接单片机和舵机控制板；力传感器负责检测足端的触地情况并将信息反馈给单片机，三轴加速度计负责检测躯干的俯仰角并将信息反馈给单片机，单片机将所述的力传感器和三轴加速度计反馈的信息处理后通过算法生成每个基节舵机、腿节舵机和胫节舵机的旋转角度并发送指令给所述的舵机控制板，舵机控制板接收所述的单片机指令后驱动每个所述的基节舵机、腿节舵机和胫节舵机，航模电池为整个控制系统供电。

2.根据权利要求1所述的一种六足机器人控制系统的爬楼梯步态规划方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：将腿A、腿B、腿C、腿D、腿E和腿F支撑于地面，执行步骤2；

步骤2：腿A和腿B的腿节舵机分别向上转动β，基节舵机分别向前转动θ后腿节舵机分别向下转动直到腿A和腿B触地，腿C、腿D、腿E和腿F保持不变，执行步骤3；

步骤3：腿A、腿B、腿C、腿D、腿E和腿F的基节舵机分别向后转动θ，同时腿C、腿D、腿E和腿F的腿节舵机分别向下转动直到躯干平行于地面，执行步骤4；

步骤4：腿B和腿E的腿节舵机分别向上转动β，基节舵机分别向前转动θ后腿节舵机分别向下转动直到腿B和腿E触地，腿A、腿B、腿E和腿F保持不变，执行步骤5；

步骤5：腿C和腿D的腿节舵机分别向上转动β，基节舵机分别向前转动θ后腿节舵机分别向下转动直到：腿C和腿D触地，腿A、腿B、腿E和腿F保持不变，执行步骤1；

θ为步骤2中大腿在水平面投影与步骤1中大腿在水平面投影的夹角，范围设定为-85°到85°。