CN107458496A - 一种双足机器人越障的涵道助推装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双足机器人越障的涵道助推装置及方法，控制器根据机器人跨越脚掌的跨越轨迹，计算出为保证机器人平衡越障涵道风机所需要提供的理论推力，并把理论推力发送给处理器，处理器识别该指令，生成相应的PWM信号，并发送给涵道风机的电子调速器，电子调整器根据该PWM信号控制涵道风机，产生相应的推力；通过涵道风机的辅助推力，配合机器人本身的运动特性，平衡机器人越障时的倾覆力矩，能够很好的解决机器人越障能力不足的问题，达到提高机器人越障能力，拓展机器人工作环境的目的。

Description

一种双足机器人越障的涵道助推装置及方法

技术领域

本发明涉及双足机器人越障技术领域，特别是涉及一种双足机器人越障的涵道助推装置及方法。

背景技术

机器人跨越障碍一直是机器人研究领域的难点之一。受到机器人自身的机械结构和驱动能力的限制，一般情况下，机器人并不擅长跨越障碍物，尤其是针对非结构性的、较大尺度的障碍物，常规结构的机器人并不都具有跨越此类障碍的能力。

从当前的研究进展来看，机器人越障的最主要的方法是：通过建立机器人的静力学模型，约束机器人位置和姿态，保证其质心的投影位于脚掌的支撑多边形之内，保证机器人不摔倒，在此有限的活动范围内，设计出一条可行的跨越轨迹；上述方法基本上可以实现越障功能，但是，越障能力很受限制。

在此基础上，也有通过增加机器人双足的自由度来扩展机器人双足灵活性的方案，增加机器人在跨越障碍时的可动作的范围，从而增加机器人可跨越障碍的尺度，提升机器人的越障能力。这种方法使得机器人在跨越障碍物的高度上有明显的提高，但在可跨越障碍物的长度上改善并不明显。

另一种可行的方案是：机器人通过借助周围环境来实现越障功能，主要方式是机器人在越障过程中，通过上半身的手臂等搀扶在墙壁上，或者门框、桌子椅子等等，来跨越较大尺度的障碍物。不过，该方法对越障的机器人周围的环境要求就较高，不具备普遍的适用性，一旦周围环境不具备可供搀扶的条件，该方法便不可用。

因此如何解决双足机器人越障能力不足的问题，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种双足机器人越障的涵道助推装置及方法，其能够提升双足机器人的越障能力，拓展机器人的工作环境。

为解决上述技术问题，本发明提供一种双足机器人越障的涵道助推装置，包括安装在机器人脚掌上且用于产生推力以维持机器人平衡的涵道风机，根据所述机器人脚掌的跨越轨迹计算所述涵道风机所需提供的理论推力的控制器，以及与所述控制器相连、且用于将所述理论推力转换为PWM信号的处理器，所述涵道风机上设有与所述处理器相连、且用于根据所述PWM信号控制所述涵道风机的转速以产生相应推力的电子调速器。

优选地，还包括设在所述涵道风机下方且与所述控制器相连的测力传感器，所述测力传感器用于测量所述涵道风机的输出推力并发送所述输出推力至所述控制器，所述控制器还用于对比所述输出推力和所述理论推力，并根据对比结果调整所述理论推力。

优选地，所述涵道风机设在所述机器人脚掌的前方，所述机器人脚掌上设有用于支撑所述涵道风机的支架，所述涵道风机的侧耳固定在所述支架上，所述测力传感器嵌在所述支架的底部并与所述机器人脚掌连接。

优选地，包括依次设置在所述机器人脚掌的前方的两个所述支架，两个所述支架顶部开有分别用于放置所述涵道风机前后两侧侧耳的侧耳槽和用于固定所述涵道风机的螺孔，一个所述支架的底部开有用于安装所述测力传感器的安装槽。

优选地，所述机器人脚掌上安装所述涵道风机的部位为便于气流流通的镂空结构。

优选地，所述涵道风机上安装有用于供电的锂离子电池。

优选地，所述控制器通过蓝牙与所述处理器连接。

本发明还提供一种双足机器人越障的涵道助推方法，包括：

根据机器人脚掌的跨越轨迹，计算涵道风机所需提供的理论推力；

将所述理论推力转换为PWM信号；

根据所述PWM信号控制涵道风机的转速产生相应推力。

优选地，还包括，

检测所述涵道风机的输出推力，并与所述理论推力对比；

所述输出推力大于所述理论推力，控制所述涵道风机的转速减小；

所述输出推力小于所述理论推力，控制所述涵道风机的转速增大；

所述输出推力等于所述理论推力，维持当前的所述输出推力。

本发明提供的双足机器人越障的涵道助推装置及方法，控制器根据机器人跨越脚掌的跨越轨迹，计算出为保证机器人平衡越障涵道风机所需要提供的理论推力，并把理论推力发送给处理器，处理器识别该指令，生成相应的PWM信号，并发送给涵道风机的电子调速器，电子调整器根据该PWM信号控制涵道风机，产生相应的推力；通过涵道风机的辅助推力，配合机器人本身的运动特性，平衡机器人越障时的倾覆力矩，能够很好的解决机器人越障能力不足的问题，达到提高机器人越障能力，拓展机器人工作环境的目的。

附图说明

图1为本发明所提供的双足机器人越障的涵道助推装置的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明所提供的双足机器人越障的涵道助推装置的原理图；

图3为本发明所提供的双足机器人越障的过程示意图；

图4为本发明所提供的测力传感器的一种具体实施方式的安装示意图；

图5为本发明所提供的支架的一种具体实施方式的结构示意图；

图6为本发明所提供的另一支架的一种具体实施方式的结构示意图；

图7为本发明所提供的机器人脚掌的一种具体实施方式的结构示意图；

图8为本发明所提供的双足机器人越障的涵道助推方法的流程图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种双足机器人越障的涵道助推装置及方法，其能够提升双足机器人的越障能力，拓展机器人的工作环境。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图3，图1为本发明所提供的双足机器人越障的涵道助推装置的一种具体实施方式的结构示意图；图2为本发明所提供的双足机器人越障的涵道助推装置的原理图；图3为本发明所提供的双足机器人越障的过程示意图；

本发明具体实施方式提供的双足机器人越障的涵道助推装置，包括控制器3、处理器4和涵道风机2，涵道风机2安装在机器人脚掌1上，涵道风机2转动时产生推力，能够平衡机器人越障是由于重心偏移产生的倾覆力矩，控制器3能够机器人脚掌1的跨越轨迹计算涵道风机2所需提供的理论推力，处理器4与控制器3相连，能够将控制器3计算得出的理论推力转换为PWM信号，涵道风机2上设有电子调速器，电子调速器与处理器4相连，并能够根据处理器4输出的PWM信号控制涵道风机2的转速以使涵道风机2产生相应的推力。

在跨越较大尺度的障碍物时，预先规划双足机器人跨越脚掌的跨越轨迹，控制器3根据该跨越轨迹，计算出为平衡越障时的倾覆力矩，涵道风机2所需要提供的理论推力，并把理论推力发送给处理器4，处理器4识别该指令，生成相应的PWM信号，并发送给涵道风机2的电子调速器，电子调整器根据该PWM信号控制涵道风机2，产生相应的推力。

本发明提供的双足机器人越障的涵道助推装置，其结构简单，通过涵道风机2的辅助推力，配合机器人本身的运动特性，能够很好的解决机器人越障能力不足的问题，达到提高机器人越障能力，拓展机器人工作环境的目的，对推进机器人技术的普及具有重要的意义。

将涵道风机2安装在机器人脚掌1上，对机器人的整体结构改动较小，方便改进，方便推力的计算，且与涵道风机2推力对应的力臂较长，能够更加有效地利用涵道风机2的推力。当然也可以将涵道风机2安装在机器人的其他部位，只要能够通过该方法提升机器人的越障能力，均在本发明的保护范围之内。

另外，涵道风机2与机器人脚掌1固定连接，可以通过调整机器人脚掌1的姿态，来获得不同方向的推力，实现全方向的越障。

本发明提供的双足机器人越障的涵道助推装置，控制器3相当于上位机，处理器4相当于下位机，控制器3可以为电脑等移动终端，处理器4具体可以由单片机、信号放大处理单元、PWM输出接口等组成。

请参考图4至图6，图4为本发明所提供的测力传感器的一种具体实施方式的安装示意图；图5为本发明所提供的支架的一种具体实施方式的结构示意图；图6为本发明所提供的另一支架的一种具体实施方式的结构示意图。

进一步地，因供电波动等因素的影响，涵道风机2所产生的输出推力与维持机器人平衡稳定的推力值之间存在误差，为保证机器人不发生倾倒，可以在涵道风机2下方设置与控制器3相连的测力传感器6，通过测力传感器6能够测量涵道风机2的输出推力，并及时将测得的输出推力上传至控制器3，控制器3将其与理论推力对比，并根据对比结果调整待输出的理论推力的大小，使涵道风机2输出的推力维持机器人的平衡，整体构成闭环控制系统，保证了越障的可实现性。

具体地，当输出推力大于理论推力时，控制器3减小输出的理论推力，通过处理器4处理后，控制电子调速器减小涵道风机2的转速；当输出推力小于所述理论推力，控制器3增大输出的理论推力，通过处理器4处理后，控制电子调速器增大涵道风机2的转速。

本发明具体实施方式提供的双足机器人越障的涵道助推装置，可以将涵道风机2安装在机器人脚掌1的前方，机器人脚踝设在脚掌后方，这样与涵道风机2推力对应的力臂最长，能够更加有效地利用涵道风机2的推力；在机器人脚掌1上可以设有用于支撑涵道风机2的支架7，并将涵道风机2的侧耳固定在支架7上，测力传感器6嵌在支架7的底部并与机器人脚掌1连接，能够方便涵道风机2的安装，方便测力传感器6的测量。

具体地，可以包括依次设置在机器人脚掌1的前方的两个所述支架7，两个支架7顶部开有侧耳槽8和螺孔9，涵道风机2前后两侧侧耳分别放置在两个支架7的侧耳槽8中，并通过螺栓穿过螺孔9固定在支架7上；而测力传感器6可以安装在一个支架7的底部，在该支架7的底部可以设有安装槽10，测力传感器6嵌在该安装槽10中，并与机器人脚掌1连接。当然，支架7的数量和具体位置可以根据实际需要进行调整，本申请对此不作具体限制。

请参考图7，图7为本发明所提供的机器人脚掌1的一种具体实施方式的结构示意图。

在上述各具体实施方式的基础上，本发明具体实施方式提供的双足机器人越障的涵道助推装置，为保证涵道风机2的气流流通顺畅，机器人脚掌1上安装涵道风机2的部位优选为镂空结构，以便于气流流通。

进一步地，涵道风机2可以采用电池供电，以保证机器人的适应范围，具体地，可以采用锂离子电池，容量高，放电倍率高，能够满足涵道风机2的供电需求。当然，也可以采用其他供电方式，本申请对此不作具体限制

在上述各具体实施方式的基础上，本发明具体实施方式提供的双足机器人越障的涵道助推装置，具体地，控制器3可以通过蓝牙与处理器4连接，采用蓝牙无线连接，简单方便，可以保证通讯效率和准确率。也可以采用3G移动信号等其他连接方式，也在本发明的保护范围之内。

请参考图8，图8为本发明所提供的双足机器人越障的涵道助推方法的流程图。

本发明还提供了一种与上述涵道助推相对应的涵道助推方法，具体包括：

S1：根据机器人脚掌1的跨越轨迹，计算涵道风机2在相应位姿下所需提供的理论推力，并输出理论推力；

S2：将理论推力转换为PWM信号；

S3：根据PWM信号控制涵道风机2的转速产生相应推力。

涵道风机2转动时产生推力，用于平衡机器人越障时由于重心偏移产生的倾覆力矩；涵道风机2优选安装在机器人脚掌1上，对机器人的整体结构改动较小，方便改进，方便推力的计算，且与涵道风机2推力对应的力臂较长，能够更加有效地利用涵道风机2的推力。

在跨越较大尺度的障碍物时，可以预先规划双足机器人跨越脚掌的跨越轨迹；具体地，可以在机器人上安装摄像装置，通过摄像装置采集机器人所需跨越障碍物的尺寸信息，从而确定机器人脚掌1的跨越轨迹。具体可以通过电脑来规划双足机器人跨越脚掌的跨越轨迹，控制机器人实现越障的连续动作，并计算涵道风机2在相应位姿下所需提供的理论推力。

控制器3计算出涵道风机2在相应位姿所需提供的理论推力后，将其发送至处理器4，处理器4将理论推力转换为PWM信号，并发送给涵道风机2上的电子调速器，电子调速器根据PWM信号输出相应的电流，控制涵道风机2的转速，产生所需的推力。

其中，控制器3相当于上位机，处理器4相当于下位机，控制器3可以为电脑等移动终端，处理器4具体可以由单片机、信号放大处理单元、PWM输出接口等组成。

本发明具体实施方式提供的双足机器人越障的涵道助推方法，在步骤S3后，还包括：

S4：检测涵道风机2的输出推力。

S5：对比输出推力与所述理论推力。

因供电波动等因素的影响，涵道风机2所产生的输出推力与维持机器人平衡稳定的推力值之间存在误差，为保证机器人不发生倾倒，可以在涵道风机2下方设置与控制器3相连的测力传感器6，通过测力传感器6能够测量涵道风机2的输出推力，并及时将测得的输出推力上传至控制器3，控制器3将其与理论推力对比，比较两者的大小，并根据对比结果调整输出推力的大小，使涵道风机2输出的推力维持机器人的平衡。

具体地，当输出推力大于理论推力时，进入S6；当输出推力小于所述理论推力时，进入S7；当两者相等时，表示涵道风机2的输出推力符合要求，不需要调整，则进入S8。其中，S6、S7和S8不具有先后顺序，对比后只能存在一种情况，进行相应操作即可。

S6：控制涵道风机2的转速减小，减小涵道风机2的输出推力。

S7：控制涵道风机2的转速增大，增大涵道风机2的输出推力。

S8：维持当前的输出推力。

控制器3调整输出的理论推力，通过处理器4处理后，控制电子调速器调整涵道风机2的转速，从而调整涵道风机2的输出推力。

在控制涵道风机2的转速增大或减小后，返回检测涵道风机2的输出推力，并对比新的输出推力与理论推力，根据对比结果调整涵道风机2的转速，调整输出推力的大小，具体控制方式如前所述，如此每次调整输出推力后均检测新的输出推力，并进行对比与调整，实现了对输出推力的实时监控与调整，这样，控制器3、测力传感器6等整体构成闭环控制系统，保证了越障的可实现性。

当机器人完成相应位姿的跨越，进入到下一位姿时，控制器3计算涵道风机2在下一位姿状态下所需提供的理论推力，并输出理论推力，下一位姿状态下具体控制方式如前所述，不再赘述。

上述过程循环进行，直至机器人完成跨越，则控制器停止输出信号，关闭涵道风机，流程结束。

以上对本发明所提供的双足机器人越障的涵道助推装置及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种双足机器人越障的涵道助推装置，其特征在于，包括安装在机器人脚掌上且用于产生推力以维持机器人平衡的涵道风机，根据所述机器人脚掌的跨越轨迹计算所述涵道风机所需提供的理论推力的控制器，以及与所述控制器相连、且用于将所述理论推力转换为PWM信号的处理器，所述涵道风机上设有与所述处理器相连、且用于根据所述PWM信号控制所述涵道风机的转速以产生相应推力的电子调速器。

2.根据权利要求1所述的涵道助推装置，其特征在于，还包括设在所述涵道风机下方且与所述控制器相连的测力传感器，所述测力传感器用于测量所述涵道风机的输出推力并发送所述输出推力至所述控制器，所述控制器还用于对比所述输出推力和所述理论推力，并根据对比结果调整所述理论推力。

3.根据权利要求2所述的涵道助推装置，其特征在于，所述涵道风机设在所述机器人脚掌的前方，所述机器人脚掌上设有用于支撑所述涵道风机的支架，所述涵道风机的侧耳固定在所述支架上，所述测力传感器嵌在所述支架的底部并与所述机器人脚掌连接。

4.根据权利要求3所述的涵道助推装置，其特征在于，包括依次设置在所述机器人脚掌的前方的两个所述支架，两个所述支架顶部开有分别用于放置所述涵道风机前后两侧侧耳的侧耳槽和用于固定所述涵道风机的螺孔，一个所述支架的底部开有用于安装所述测力传感器的安装槽。

5.根据权利要求4所述的涵道助推装置，其特征在于，所述机器人脚掌上安装所述涵道风机的部位为便于气流流通的镂空结构。

6.根据权利要求5所述的涵道助推装置，其特征在于，所述涵道风机上安装有用于供电的锂离子电池。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的涵道助推装置，其特征在于，所述控制器通过蓝牙与所述处理器连接。

8.一种双足机器人越障的涵道助推方法，其特征在于，包括：

根据机器人脚掌的跨越轨迹，计算涵道风机所需提供的理论推力；

将所述理论推力转换为PWM信号；

根据所述PWM信号控制涵道风机的转速产生相应推力。

9.根据权利要求1所述的双足机器人越障的涵道助推方法，其特征在于，还包括，

检测所述涵道风机的输出推力，并与所述理论推力对比；

所述输出推力大于所述理论推力，控制所述涵道风机的转速减小；

所述输出推力小于所述理论推力，控制所述涵道风机的转速增大；

所述输出推力等于所述理论推力，维持当前的所述输出推力。