CN108638019B - 一种可变形仿生轮腿机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变形仿生轮腿机器人及其控制方法，该机器人采用足式轮底的组合结构，拥有四肢和四个轮子，实现轮式快速稳定与足式复杂地形适应性的结合优势。通过仿生恐龙，借助尾部配重和ZMP调整，实现四轮与双足的变形；双轮模式时，双手实现作业操作。该机器人的所述电路板包括微控制器、舵机控制板、蓝牙模块、电源模块、六轴陀螺仪、SD卡、电机驱动模块，在控制算法方面，使用了的基于关节角运动幅度优化的冗余自由度运动规划、姿态控制算法，最终实现平台的四轮快速稳定，双轮灵活作业、姿态按需变换、蓝牙遥控运行等功能，使机器人拥有复杂地形适应性、多功能作业能力，用于复杂地形的高效复杂功能作业。

Description

一种可变形仿生轮腿机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种可变形仿生轮腿机器人及其控制方法，该机器人用于复杂工况(如核电厂、崎岖野外)的高难度作业。

背景技术

轮式机器人和足式机器人是机器人领域的两大主要运动形式。轮式机器人一般动力强劲，在平坦地面上有较高的机动性和稳定性，但在遇到复杂、狭窄地形时束手无策；足式机器人尤其是双足仿人机器人能够灵活地适应各种复杂的地形，但是步态规划难度极大，现阶段的仿人机器人的鲁棒性都不是很强，而且运动速度很慢。美国波士顿动力公司研发的Handle是业界首次结合了轮式和足式机器人的长处的设计。然而这种机器人是基于双轮自平衡的控制原理保持站立，电机要始终处于工作状态，而且跌倒后很难再恢复，稳定性不够高，成本代价太高。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种可变形仿生轮腿机器人及其控制方法，通过仿生原始恐龙拥有的肌肉发达的大尾巴(这种肌肉力量足以支撑它们用两条后腿站立和行走，从板龙和鹦鹉嘴龙等恐龙的骨骼结构可以推断其可以借助大尾巴自由地在双足和四足状态切换)从而解决了四轮和两轮模式切换的难题。又采用轮腿结合的方式，解决了足式机器人运动迟缓、轮式机器人无法适应坎坷地形的难题。大大提高了机器人在复杂环境下的生存能力和机动性，作为一个机器人平台，可以在前轮上配置各种工作头、添加摄像头等以适应不同工况。

本发明所采用的技术方案是：一种可变形仿生轮腿机器人，包括底板、安装在底板上的电路板和移动终端，底板上表面后部安装第九舵机，尾部连接件的一端与第九舵机的舵盘连接，尾部连接件的另一端与尾部平衡配重结构相连；

底板作为躯干，其下表面的左前、右前、左后、右后分别安装四个第一U型架；

第二舵机安装在左前的第一U型架上，第一舵机和第二舵机分别作为左肘关节和左肩关节，第一舵机和第二舵机的外壳连接在一起构成左大臂，第一电机通过连接架安装在第一舵机的舵盘上，第一电机和连接架构成左小臂，第一电机上安装左前轮；

第四舵机安装在右前的第一U型架上，第三舵机和第四舵机分别作为右肘关节和右肩关节，第三舵机和第四舵机的外壳连接在一起构成右大臂；第二电机通过连接架安装在第三舵机的舵盘上，第二电机和连接架构成右小臂，第二电机安装右前轮；

第六舵机安装在左后的第一U型架上，第五舵机和第六舵机分别作为左踝关节和左膝关节，第五舵机和第六舵机的外壳连接在一起构成左大腿；第三电机通过连接架安装在第五舵机的舵盘上，第三电机和连接架构成左小腿，第三电机安装左后轮；

第八舵机安装在右后的第一U型架上，第七舵机和第八舵机分别作为右踝关节和右膝关节，第七舵机和第八舵机的外壳连接在一起构成右大腿；第四电机通过连接架安装在第七舵机的舵盘上，第四电机和连接架构成右小腿，第四电机安装右后轮。

所述电路板包括微控制器、舵机控制板、蓝牙模块、电源模块、六轴陀螺仪、SD卡、电机驱动模块，

电源模块为整个电路板、电机以及舵机提供工作电压；

舵机控制板与微控制器使用IIC进行通信；

第一电机、第二电机、第三电机、第四电机均与电机驱动模块相连，电机驱动模块与微控制器相连；

六轴陀螺仪采用IIC从机模式与微控制器通信；

SD卡插入微控制器上的SD卡卡槽；

蓝牙模块使用USART与微控制器进行串口通信，蓝牙模块通过蓝牙与外部移动终端相连，通过移动终端遥控机器人的移动与变形。

进一步的，所述底板由上底板和下底板通过四个双头铜柱连接，上底板和下底板之间放置电路板。

进一步的，所述尾部平衡配重结构由配重块和在配重块上嵌有的球轮构成。

进一步的，所述连接架由第二U型架和L形架固定连接而成。

进一步的，所述电源模块为提供12V和5V电压。

进一步的，所述电源模块由12V锂电池和DC-DC稳压模块，锂电池输入给DC-DC稳压模块，DC-DC稳压模块输出5V直流电源。

进一步的，所述微控制器采用ARM芯片作为主控制器；所述舵机控制板采用12路PWM发生器。

本发明的另一目的是提供一种可变形仿生轮腿机器人的控制方法，该方法包括如下步骤：

(1)机器人处于四轮模式下，可以根据六轴陀螺仪测定出当前躯干姿态角以及工作平

面的倾角；

(2)给定一个ZMP的坐标(x_p,0)，给定质心的目标坐标(x_p,y_p)和躯干目标姿态角p；

(3)根据基于关节角幅度优化的逆运动学求解出关节角序列，各个舵机运动到目标角度，机器人“倾倒”；

(4)重新标定工作平面倾角，若发生变化仍需重新执行步骤(3)；

(5)机器人完成从四轮模式到两轮模式的变形。

进一步的，所述步骤(1)，具体如下

控制机器人所有舵机归零位，稳定时根据六轴陀螺仪测得的重力加速度倾角p₀，可得当前躯干姿态角和当前工作平面倾角均为p₀。

进一步的，所述步骤(3)，具体如下：

变形过程中，左肩关节、左肘关节、左膝关节、左踝关节的角度分别与右肩关节、右肘关节、右膝关节、右踝关节的角度相等，现对机器人的运动学模型简化为平面运动：

以后轮与地面接触的点为原点，水平方向向后为x正方向，建立平面直角坐标系，定义符号如下：

根据几何法可以得到如下运动学方程：

大臂和大腿的质量认为集中在中点，而小臂和小腿的质量由于电机质量较重，认为质量集中在距离肘关节l₂'的距离，由于躯干上表面后部安装第九舵机，故认为质量集中在距中点倾角β长a距离的位置吗，设整个机器人的质心坐标为(x_c,y_c)，则有如下关系：

再根据前后轮始终处于工作平面，有如下关系：

采用范数型性能指标中的关节角运动幅度优化，目标函数为：

式中，θ_ic为关节i运动范围的中值，θ_ic为关节i运动范围的一半；

求解的规划问题的约束有：关节角的极限位置的不等式约束、公式(1)、公式(2)、公式(3)三个等式约束；

使用牛顿迭代法求解该非线性规划，得出关节角序列，各个舵机运动到目标角度，机器人“倾倒”。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：现有的机器人很少使用四轮模式和两轮模式的切换，即使有，通常采用手臂在短时间内的爆发力撑起，这对机器人的执行器、整体的强度刚度动态特性都有非常高的要求。本发明通过机器人尾部的重量和四肢的协调来控制机器人将零力矩点移至后轮后面，从而实现在准静止状态下从四轮模式切换至两轮模式，不需要舵机输出非常大的力矩，也不需要较高的动态响应，避免了使用气缸等更复杂的元器件就能在复杂的环境中保证良好的机动性。

四轮模式有较强的移动能力，能在快速移动时保持稳定；两轮模式较为灵活，可以减小占地面积，且在狭小空间里能通过差动方式进行转向，弥补了四轮模式的不足；轮腿的结合，即每个轮子与机身之间的舵机关节，可以增强机器人在行进时对各种地形的适应能力；仿生的尾部结构，一可以作为配重辅助四轮与二轮的切换以及二轮模式的自平衡，二是可以放在地上与两轮构成三角结构，使得机器人在非移动的状态下双手作业时，底盘更加稳定，从而避免了在双手作业时还要保持自平衡较为困难以及不稳定的问题。

附图说明

图1为本发明的总体外观图；

图2为本发明电路控制原理框图；

图3为本发明的四轮模式效果图；

图4为本发明的二轮模式效果图；

图5为本发明的双手作业模式效果图；

图6为本发明变形过程是算法框图；

图7为本发明的机械原理图；

图8为本发明的建模机构尺寸符号说明图；

图9为本发明的机构质量分布符号说明图；

图10为本发明的变形过程示意图；

图11为本发明在特殊环境下变形的示意图；

图中，第一舵机1，左前轮2，第一电机3，第二电机4，右前轮5，底板6，双头铜柱7，紧定螺钉8，第一U型架9，第九舵机10，尾部连接件11，球轮12，右后轮13，第四电机14，第三电机15，左后轮16，L形架17，第八舵机18，第七舵机19，第六舵机20，第五舵机21，第三舵机22，第四舵机23，第二舵机24、第二U型架25、配重块26。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明提供一种可变形仿生机器人，其底板6由上底板和下底板通过四个双头铜柱7和紧定螺钉8连接，上底板和下底板之间放置电路板；第九舵机10通过舵机架固定在上底板的后部，控制尾巴的上下运动；尾部连接件11的一端通过短U架与第九舵机10的舵盘连接，尾部连接件11的另一端与尾部平衡配重结构相连，所述尾部平衡配重结构由配重块26和在配重块26上嵌有的球轮12构成。；

下底板的左前、右前、左后、右后分别安装四个第一U型架9；

第二舵机24安装在左前的第一U型架9上，第一舵机1和第二舵机24分别作为左肘关节和左肩关节，第一舵机1和第二舵机24的外壳连接在一起构成左大臂，第一电机3通过固定相连而构成连接架的L形架17和第二U型架25安装在第一舵机1的舵盘上，第一电机3和连接架构成左小臂，第一电机3上安装左前轮2；

第四舵机23安装在右前的第一U型架9上，第三舵机22和第四舵机23分别作为右肘关节和右肩关节，第三舵机22和第四舵机23的外壳连接在一起构成右大臂；第二电机4也通过一个固定相连而构成连接架的L形架17和第二U型架25安装在第三舵机22的舵盘上，第二电机4和连接架构成右小臂，第二电机4安装右前轮5；

第六舵机20安装在左后的第一U型架9上，第五舵机21和第六舵机20分别作为左踝关节和左膝关节，第五舵机21和第六舵机20的外壳连接在一起构成左大腿；第三电机15也通过一个固定相连而构成连接架的L形架17和第二U型架25安装在第五舵机21的舵盘上，第三电机15和连接架构成左小腿，第三电机15安装左后轮16；

第八舵机18安装在右后的第一U型架9上，第七舵机19和第八舵机18分别作为右踝关节和右膝关节，第七舵机19和第八舵机18的外壳连接在一起构成右大腿；第四电机14也通过一个固定相连而构成连接架的L形架17和第二U型架25安装在第七舵机19的舵盘上，第四电机14和连接架构成右小腿，第四电机14安装右后轮13。

如图2所示，所述电路板包括微控制器、舵机控制板、蓝牙模块、电源模块、六轴陀螺仪、SD卡、电机驱动模块，电源模块为整个电路板、电机以及舵机提供工作电压，具体的，所述电源模块由12V锂电池和DC-DC稳压模块，锂电池输入给DC-DC稳压模块，DC-DC稳压模块输出5V直流电源，12V直接供至第一电机3、第二电机4、第四电机14和第三电机15，5V供至各个舵机和各种芯片。所述微控制器采用ARM芯片作为主控制器；第一电机3、第二电机4、第三电机13、第四电机14均与电机驱动模块相连，电机驱动模块与微控制器相连；所述电机驱动模块采用TB6612的芯片，但不限于此；12路PWM发生器作为舵机控制板，与微控制器使用IIC进行通信；六轴陀螺仪采用IIC从机模式与微控制器通信；SD卡插入微控制器上的SD卡卡槽，主机通过SDIO与FATFS文件系统对其进行读写，可用于在PC上不断优化算法。蓝牙模块使用USART与微控制器进行串口通信，蓝牙模块通过蓝牙与外部移动终端相连，通过移动终端遥控机器人的移动与变形。

本发明的工作模式包括：

如图3所示，本发明的四轮模式，其尾部结构可放置在身体后部不影响运动的任意位置，在上下坡时可用来微调重心，不至倾倒。四轮模式速度快，机动性强，稳定性高。

如图4所示，本发明的二轮模式，便于更为灵活地移动，适应一些条件较为狭窄的环境，可原地实现转弯，为上肢作业提供保证。

如图5所示，本发明的双手作业模式，尾部结构放在地面上，与两条腿构成三脚架结构，增加双手作业的稳定性，可大大提高作业范围。

本发明的工作原理包括：

具体的算法框图如图6，首先机器人处于四轮模式下，可以根据六轴陀螺仪测定出当前躯干姿态角以及工作平面的倾角→给定一个ZMP的坐标(x_p,0)、给定质心的目标坐标(x_p,y_p)和躯干目标姿态p→根据基于关节角幅度优化的逆运动学求解出关节角序列，各个舵机运动到目标角度，机器人“倾倒”→重新标定工作平面倾角，若发生变化仍需重新计算关节角序列→机器人完成从四轮模式到两轮模式的变形，保证ZMP位于两后轮与尾巴的支撑平面内，按照需求变换上身姿态，以满足工况需要。

如图7所示，本发明的机械原理图(仅画出一侧)。只看侧视图，拥有5个自由度，属于冗余机器人。如果不看尾巴，则是一个平面4R欠驱动机器人，但又与传统平面4R机器人有所不同，即传统的平面4R机器人的控制对象是末端位置姿态，起始端是固定在绝对坐标系中的，而我们由于采用轮式结构，有了增加的特别的约束，即起始端和末端均位于工作平面上(可以直观地认为是路面)；由于要控制其变形，控制对象也比较特殊，即身体的姿态和质心的位置。这样一共有3个约束，5个自由度，得到的仍然是一个欠驱动系统，冗余2个自由度，有必要进行优化设计才能求解逆运动学。

图8为运动学建模的机构尺寸符号说明，其中躯干目标姿态角p为身体相对于绝对坐标系的角度，而p₀为当前工作平面的倾角，即机器人可能处在斜坡或是凹凸不平的工作环境，这个角度可以在机器人稳态时候，根据六轴陀螺仪测得的重力加速度的方向得知。以后轮与地面接触的点为原点，水平方向向后为x正方向，建立平面直角坐标系，定义符号如下：

根据几何法可以得到如下运动学方程：

图9为建模过程中定义的质量分布符号说明。其中大臂和大腿的质量认为集中在中点，而小臂和小腿的质量由于电机质量较重，认为质量集中在距离肘关节l₂'的距离，由于躯干上表面后部安装第九舵机，，故认为质量集中在距中点倾角β长a距离的位置。设整个机器人的质心坐标为(x_c,y_c)，则有如下关系：

再根据前后轮始终处于工作平面，有如下关系：

下面解决冗余问题。优化指标的设定十分关键，业内常用的整体刚度性能指标是为了提高末端控制精度，主要用于机械加工机械手末端的精度控制。但对于本发明的机器人来说，控制对象的精度并不是有很大影响，而作为移动机器人，变形所需的能耗尤为重要，全身的设计在保证工作要求的情况下都要不遗余力地去降低能耗，这样采用范数型性能指标中的关节角运动幅度优化就很符合我们的需求，即优化的目标函数为：

式中

θ_ic——关节i运动范围的中值

θ_ic——关节i运动范围的一半

而求解的规划问题的约束除了关节角的极限位置的不等式约束，还有公式(1)(2)(3)三个等式约束。

由于本发明的模型是非线性模型，需要使用非线性优化，来确定满足运动方程的关节角序列的最优解。由于方程并不复杂，数量也并不多，在微控制器计算能力足够的情况下，使用牛顿迭代法即可最优解的求取。

图10为双足与四足的切换示意图——基于零力矩点(ZMP)的运动控制。零力矩点是双足机器人步态规划的重要概念，把它用于控制该机器人的变形是可行的。当机器人处于四轮模式下，只要ZMP位于四轮所构成的支撑平面内，机器人就不会倾倒，即是稳定的四轮模式；当通过上面提到的逆运动学的规划，改变重心位置和身体姿态，将ZMP移至后轮后面以后，机器人将会“发生倾倒”，即发生变形，成为双轮模式，而由于有尾巴的支撑，机器人不会真正“倾倒”，而是“站立”起来，于是本是双足机器人保持站立必须避免发生的情况，被用于该机器人的模式切换。

然而实际的工作环境不可能是水平面，甚至可能的高低不平的区域，因此六轴陀螺仪就显得尤为重要。例如图11的特殊情况，若要变形，就不能一成不变地按照水平面的计算结果，这时需要根据六轴陀螺仪测定的数据及时进行反馈和修正。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可变形仿生轮腿机器人的控制方法，其特征在于，所述一种可变形仿生轮腿机器人，包括底板、安装在底板上的电路板和移动终端，底板上表面后部安装第九舵机，尾部连接件的一端与第九舵机的舵盘连接，尾部连接件的另一端与尾部平衡配重结构相连；

底板作为躯干，其下表面的左前、右前、左后、右后分别安装四个第一U型架；

第二舵机安装在左前的第一U型架上，第一舵机和第二舵机分别作为左肘关节和左肩关节，第一舵机和第二舵机的外壳连接在一起构成左大臂，第一电机通过连接架安装在第一舵机的舵盘上，第一电机和连接架构成左小臂，第一电机上安装左前轮；

第四舵机安装在右前的第一U型架上，第三舵机和第四舵机分别作为右肘关节和右肩关节，第三舵机和第四舵机的外壳连接在一起构成右大臂；第二电机通过连接架安装在第三舵机的舵盘上，第二电机和连接架构成右小臂，第二电机安装右前轮；

第六舵机安装在左后的第一U型架上，第五舵机和第六舵机分别作为左踝关节和左膝关节，第五舵机和第六舵机的外壳连接在一起构成左大腿；第三电机通过连接架安装在第五舵机的舵盘上，第三电机和连接架构成左小腿，第三电机安装左后轮；

第八舵机安装在右后的第一U型架上，第七舵机和第八舵机分别作为右踝关节和右膝关节，第七舵机和第八舵机的外壳连接在一起构成右大腿；第四电机通过连接架安装在第七舵机的舵盘上，第四电机和连接架构成右小腿，第四电机安装右后轮；

所述电路板包括微控制器、舵机控制板、蓝牙模块、电源模块、六轴陀螺仪、SD卡、电机驱动模块，

电源模块为整个电路板、电机以及舵机提供工作电压；

舵机控制板与微控制器使用IIC进行通信；

第一电机、第二电机、第三电机、第四电机均与电机驱动模块相连，电机驱动模块与微控制器相连；

六轴陀螺仪采用IIC从机模式与微控制器通信；

SD卡插入微控制器上的SD卡卡槽；

蓝牙模块使用USART与微控制器进行串口通信，蓝牙模块通过蓝牙与外部移动终端相连，通过移动终端遥控机器人的移动与变形；

该方法包括如下步骤：

步骤(1)机器人处于四轮模式下，根据六轴陀螺仪测定出当前躯干姿态角以及工作平面的倾角；

步骤(2)给定一个ZMP的坐标(x_p,0)，给定质心的目标坐标(x_p,y_p)和躯干目标姿态角p；

步骤(3)根据基于关节角幅度优化的逆运动学求解出关节角序列，各个舵机运动到目标角度，机器人“倾倒”；所述步骤(3)，具体如下：

变形过程中，左肩关节、左肘关节、左膝关节、左踝关节的角度分别与右肩关节、右肘关节、右膝关节、右踝关节的角度相等，现对机器人的运动学模型简化为平面运动：

以后轮与地面接触的点为原点，水平方向向后为x正方向，建立平面直角坐标系，定义符号如下：

表示大臂的横坐标；

表示小臂的横坐标；

表示大腿的横坐标；

表示小腿的横坐标；x₀表示躯干的横坐标；x₃表示尾巴的横坐标；

表示大臂的纵坐标；

表示小臂的纵坐标；

表示大腿的纵坐标；

表示小腿的纵坐标；y₀表示躯干的纵坐标；y₃表示尾巴的纵坐标；m₀表示躯干的质量；m₁表示大臂/大腿的质量；m₂表示小臂/小腿的质量；l₀表示躯干的长度；l₁表示大臂/大腿的长度；l₂表示小臂/小腿的长度；l₂'表示小臂/小腿的质心距肘/膝关节的长度；M表示整机的质量；x_c表示整机的质心的横坐标；y_c表示整机的质心的纵坐标；

表示肩关节角度；

表示肘关节角度；

表示膝关节角度；

表示踝关节角度；θ₃表示第九舵机角度；

根据几何法得到如下运动学方程：

大臂和大腿的质量认为集中在中点，而小臂和小腿的质量由于电机质量较重，认为质量集中在距离肘关节l₂'的距离，由于躯干上表面后部安装第九舵机，故认为质量集中在距中点倾角β长a距离的位置吗，设整个机器人的质心坐标为(x_c,y_c)，则有如下关系：

再根据前后轮始终处于工作平面，有如下关系：

采用范数型性能指标中的关节角运动幅度优化，目标函数为：

式中，θ_ic为关节i运动范围的中值，θ_ic为关节i运动范围的一半；

求解的规划问题的约束有：关节角的极限位置的不等式约束、公式(1)、公式(2)、公式(3)三个等式约束；

使用牛顿迭代法求解非线性规划，得出关节角序列，各个舵机运动到目标角度，机器人“倾倒”；

步骤(4)重新标定工作平面倾角，若发生变化仍需重新执行步骤(3)；

步骤(5)机器人完成从四轮模式到两轮模式的变形。

2.根据权利要求1所述的一种可变形仿生轮腿机器人的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)，具体如下

控制机器人所有舵机归零位，稳定时根据六轴陀螺仪测得的重力加速度倾角p₀，可得当前躯干姿态角和当前工作平面倾角均为p₀。

3.根据权利要求1所述的一种可变形仿生轮腿机器人的控制方法，其特征在于，所述底板由上底板和下底板通过四个双头铜柱连接，上底板和下底板之间放置电路板。

4.根据权利要求1所述的一种可变形仿生轮腿机器人的控制方法，其特征在于，所述尾部平衡配重结构由配重块和在配重块上嵌有的球轮构成。

5.根据权利要求1所述的一种可变形仿生轮腿机器人的控制方法，其特征在于，所述连接架由第二U型架和L形架固定连接而成。

6.根据权利要求1所述的一种可变形仿生轮腿机器人的控制方法，其特征在于，所述电源模块为提供12V和5V电压。

7.根据权利要求1或6所述的一种可变形仿生轮腿机器人的控制方法，其特征在于，所述电源模块由12V锂电池和DC-DC稳压模块构成，锂电池输入给DC-DC稳压模块，DC-DC稳压模块输出5V直流电源。

8.根据权利要求1所述的一种可变形仿生轮腿机器人的控制方法，其特征在于，所述微控制器采用ARM芯片作为主控制器；所述舵机控制板采用12路PWM发生器。

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