CN108860360A - 一种四足机器人跳跃障碍的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种四足机器人跳跃障碍的系统，所述系统包括依次连接的姿态检测子系统、运动规划子系统和力矩控制子系统；所述姿态检测子系统通过对机器人返回的姿态与关节信号进行处理，再将数据传入运动规划子系统；所述运动规划子系统通过对地形变化和障碍物尺寸分析规划出机器人的跳跃运动轨迹，计算其预期的位移、速度、加速度值；所述力矩控制子系统根据运动规划出的运动轨迹，计算各关节需要的输入力矩。本发明的四足机器人跳跃障碍的系统中，当机器人在面对较大障碍物或者较高台阶时能够跳跃穿过障碍物、登上台阶。

Description

一种四足机器人跳跃障碍的系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种四足机器人跳跃障碍的系统。

背景技术

移动机器人产生至今已经有了四十余年的研究历史，对于移动机器人的研究和生产已经受到各国的重视与参与。随着机器人技术的不断进步，机器人研究领域愈加广泛，传统的轮式机器人虽然技术难度小，开发成本低，但是难以通过复杂路段。四足机器人为应对复杂路段，穿越障碍而生，其灵巧的腿部结构能够使之轻松应对地面的不可知性并完成穿越任务。四足机器人不仅是学术领域研究的热门话题，并且现已应用到许多现实场景中，例如火灾救援、战场勘察的危险任务。利用四足机器人完成危险和高难度的任务，只需要操作人员进行远程遥控操作，这可以极大地减少人员伤亡，保证人身安全，有效降低救援勘察成本。

在传统的四足机器人步态研究中，四足机器人的基本步态有对角小跑(trot)、飞奔(gallop)、同侧小跑等步态。这些步态轨迹控制方法研究成熟，对四足机器人硬件要求低，易于实现，是四足机器人的基本功能，被广泛用于所有四足机器人产品中。然而这种步态需要机器人行驶在相对平坦的路面上，不能在有大障碍或较高台阶跳跃穿过障碍物。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中四足机器人不能在有大障碍或较高台阶跳跃穿过障碍物的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种四足机器人跳跃障碍的系统，所采用的技术方案是：所述系统包括依次连接的姿态检测子系统、运动规划子系统和力矩控制子系统；所述姿态检测子系统通过对机器人返回的姿态与关节信号进行处理，再将数据传入运动规划子系统；所述运动规划子系统通过对地形变化和障碍物尺寸分析规划出机器人的跳跃运动轨迹，计算其预期的位移、速度、加速度值；所述力矩控制子系统根据运动规划出的运动轨迹，计算各关节需要的输入力矩。

优选地，所述系统还可以包括机器人仿真模型和机器人实体系统；所述姿态检测子系统可以获取机器人仿真模型的姿态和关节信号，也可以获取实体机器人实体姿态和关节信号。所述姿态检测子系统采用平滑滤波算法得到数据。

进一步优选地，所述运动规划子系统中的运动轨迹包括：准备阶段、前向跳跃阶段、腾空阶段、落地缓冲阶段、恢复阶段。

进一步地，所述准备阶段中，四足机器人下蹲、重心下移并且后倾，关节留有前向活动空间。

进一步地，所述前向跳跃阶段前足收缩离开地面，后足伸张，为躯体提供加速度，保持躯干俯仰角低于10度零。

进一步地，所述腾空阶段中，判断障碍物的高低；如果障碍物高度低于0.2m时，四足从后向前运动；如果障碍物高度高于0.2m时，四足在向前运动的同时，向上收缩之后再恢复原来的腿部高度。

进一步地，所述落地缓冲阶段运动轨迹是正弦函数的周期，前足先落地，承受较大的压力；控制躯体逐渐减速至零，后足后落地，逐渐恢复站立状态。

进一步地，所述恢复阶段躯干重心上移、后移，将躯体恢复到准备跳跃跨越障碍时的高度和位置。

进一步地，力矩控制子系统包含依次连接的拉格朗日动力学计算模块和PD控制器模块；所述拉格朗日动力学用来计算模块计算四足机器人在矢状面下的各关节输入力矩；所述PD控制器模块是对拉格朗日动力学用来计算模块得到的输入力矩进行修正。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：四足机器人跳跃障碍的系统中，所述系统包括依次连接姿态检测子系统、运动规划子系统和力矩控制子系统；所述姿态检测子系统通过对机器人返回的姿态与关节信号进行处理，再将数据传入运动规划子系统；所述运动规划子系统通过对地形变化和障碍物尺寸分析规划出机器人的跳跃运动轨迹，计算其预期的位移、速度、加速度值；所述力矩控制子系统根据运动规划出的运动轨迹，计算各关节需要的输入力矩。运动规划子系统可以对障碍物的高低进行判断，因此，当机器人在面对较大障碍物或者较高台阶时能够跳跃穿过障碍物、登上台阶。

进一步地，四足机器人在前向跳跃阶段，通过特定的运动方式：前腿轻微离地后腿支撑发力使得机器人不仅能够在短时间内获得较大速度有利于跳得更高更远，而且保证了躯干俯仰角稳定防止了在跳跃阶段机器人躯干倾覆。

进一步地，在机器人腾空阶段时，可以根据障碍物的高低调制四条腿的姿势，从而跳过障碍物，保证了运动的可靠性。

进一步地，在机器人落地缓冲阶段，前腿落地缓冲后腿随后落地，使得机器人较短时间内下落速度减小到零，减小了地面对机器人的冲击力防止机器人结构损坏。一系列运动完成后机器人能够恢复正常姿态，快速而便利地完成接下来的运动任务。

附图说明

图1是本发明实施例的四足机器人跳跃运动控制系统示意图；

图2是本发明实施例的四足机器人基本模型示意图；

图3是本发明实施例的姿态检测子系统示意图；

图4是本发明实施例的运动规划子系统示意图；

图5是本发明实施例的四足机器人前向跳跃时运动姿态示意图；

图6是本发明实施例的四足机器人落地缓冲时运动姿态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，四足机器人跳跃运动控制系统包括姿态检测子系统，运动规划子系统，力矩控制子系统。姿态检测子系统通过对机器人传感器返回的信号或者仿真过程中返回的模拟姿态与关节信号进行处理和优化，得到理想的实时运动数据。运动规划子系统通过对地形变化和障碍物尺寸等信息的分析规划出机器人理想的跳跃运动轨迹，计算其预期的位移、速度、加速度值。力矩控制子系统则根据运动规划出的理想运动轨迹，计算各关节需要的力矩输入，并且采用PD控制器来稳定运动状态，抵抗系统的外部扰动及内部摄动。所述系统还可以包括机器人仿真模型和机器人实体系统。

机器人仿真模型是利用MATLAB/SIMULINK模块搭建而成，运行于Windows 10操作系统和MATLAB软件。姿态检测子系统既可以获取仿真模型的姿态和关节信号，也可以获取实体机器人姿态和关节信号，并包括信号转换、滤波、处理功能，基于MATLAB/SIMULINK数据处理模块实现，运行于Windows 10操作系统。运动规划和力矩控制子系统软件分别实现运动状态规划和输出力矩计算功能，运行于Windows 10操作系统。

四足机器人仿真模块利用MATLAB进行构建，可以设置机器人运动关节的输出力矩、机器人结构、机器人各部分的质量惯量等属性。建立模型后可以很方便地对控制轨迹和输入力矩的有效性进行验证。并且在轨迹规划成熟后，在仿真模块内部进行计算，通过将仿真数值带入拉格朗日方程进行计算，将计算得到的各关节输入力矩信息储存，在实体机器人运动时直接访问，而不需要重复计算，极大地降低了系统运算压力，提高了机器人系统运行效率。

如图2所示，是本发明实施例的四足机器人基本模型示意图。在仿真模型中四足机器人躯干部分具有较大质量，而足部质量较小。每条足具有三个活动关节：髋外展/内收关节(HAA)、髋屈曲/伸展关节(HFE)和膝屈曲/伸展关节(KFE)，四条足共有12个主动关节。在仿真模块中，四足机器人各结构具体属性如下表1所示：

表1：仿真四足机器人属性

如图3所示，是本发明实施例的姿态检测子系统示意图。该系统不仅可以收集并处理仿真四足机器人姿态和关节角，也可以收集和处理实体四足机器人的姿态和关节角。在处理实体机器人的数据时，为了降低噪声干扰，使得获取数据更加准确，采用平滑滤波算法以得到准确且稳定的数据。该子系统将处理后的姿态、关节数据实时传入运动规划子系统。

如图4所示，是本发明实施例的运动规划子系统结构图。该子系统将运动轨迹分为：准备阶段、前向跳跃阶段、腾空阶段、落地缓冲阶段、恢复阶段。

在准备阶段，运动规划四足机器人下蹲重心下移并且后倾，做好跳跃前的准备，令关节具有更大的前向活动空间。四足机器人中心下移也有助于机器人跳跃时保持稳定，有利于力矩控制。

如图5所示，是本发明实施例的四足机器人前向跳跃时运动姿态示意图。前向跳跃阶段将四足机器人腿部视为弹簧，并将机器人躯干简化为质点，足部运动状态可以视为线性倒立摆(SLIP)。根据线性倒立摆的运动特性规划跳跃轨迹，为了使机器人短时间内离开地面并具有较大的向上、向前速度，躯干运动轨迹被规划为正弦运动的最后四分之一周期曲线，即加速度逐渐减小，速度逐渐增大，在速度达到最大时加速度为零，机器人离开地面。根据哺乳四足动物前向奔跑、跳跃特性，例如猎豹等，运动规划根据仿生学规划后腿承担大部分跳跃任务，承受较大的力给予躯干向上和向前的速度。前腿在跳跃阶段微微收起，轻微接触或者不接触地面，起作用仅仅是使躯干俯仰角低于10度，保持机器人稳定防止腾空时姿态旋转。

腾空阶段是机器人离开地面，四足位于空中的一个阶段。在该阶段，运动规划的主要任务是将四条足从后向前移动，以应对下一个阶段落地缓冲阶段。在此基础之上，根据机器人面对的障碍物高度的不同对四条腿进行不同的运动规划。如果障碍物高度低于0.2m，四条腿仅仅是简单的从后向前运动，如果障碍物高度高于0.2m，四条腿在向前运动的同时，向上收缩之后在恢复原来的腿部高度，这一运动控制可以让四足机器人跳跃更高的障碍物而腿部不会被障碍物阻挡，保证了运动的可靠性。

如图6所示，是本发明实施例的四足机器人落地缓冲时运动姿态示意图。落地缓冲阶段将四足机器人简化为线性倒立摆模型进行运动规划，其运动轨迹是正弦函数的周期，在这个阶段加速度逐渐增大而速度逐渐减小，速度减小到零时，缓冲阶段结束。同样根据仿生学原理，前足先落地，承受较大的压力，控制躯体逐渐减速至零，而后足之后落地，仅控制机器人稳定。

恢复阶段则是在机器人完成缓冲后，躯干重心上移、后移，将躯体恢复原来的高度和位置，以便进行下一步的运动任务。这一阶段的运动是使四足机器人恢复到初始的关节角，在初始状态各腿部的运动范围较大，运动更加灵活，有利于对机器人其他运动方式如对角小跑等进行规划，也可以再进入下一轮的前向跳跃规划。

力矩控制子系统包含拉格朗日动力学计算模块和PD控制器模块。拉格朗日动力学模块根据规划好的运动轨迹和机器人自身属性，如各部分质量、惯量等信息，计算出完成该运动所需的输入力矩。本发明实施例仅讨论四足机器人在矢状面下的各关节力矩控制，利用后腿的髋膝关节和前腿的膝关节即可达到控制效果，降低了计算复杂度。在机器人腾空阶段，拉格朗日动力学公式计算每一条腿运动所需的输入力矩，输入量为每条腿的髋膝关节角，输出量为每条腿足部的X、Z方向位置。PD控制模块的作用是辅助动力学公式计算得出的输入力矩，对其进行修正，使运动效果更加理想，机器人系统更加稳定。因为在建模过程中不可避免的存在数据采样不准确，机器人自身属性测量有误差等问题，使得拉格朗日动力学公式计算得到的输入力矩与真是需要的力矩有一定的偏差。而控制器模块则利用这一偏差，进行修正，在经过Jacobian矩阵的映射，计算得到各关节力矩的修正值。在这两个子模块的作用下，计算得到的力矩输出准确且计算量低，能够达到很好地控制效果，在完成前向跳跃运动的过程中保持机器人稳定、平衡而不倾覆。

本发明实施例由姿态检测模块采集四足仿真机器人姿态数据或者实体机器人姿态及关节数据，实时发送给运动规划子系统，运动规划子系统能够根据姿态数据和关节数据判断四足机器人姿态并根据前向跳跃的要求提前规划好各关节运动数据，包括角度、角速度、角加速度值，将规划好的关节运动数据实时传输到力矩控制子模块。力矩控制子系统根据运动状态和运动规划经过拉格朗日运动学方程的计算得到各关节所需的预期输入力矩，并且为抵抗外部扰动和系统内部摄动设计了PD控制器，并且通过Jacobian矩阵变换，控制各关节运动实时准确并且具有较大抗扰性能。

本发明实施例的四足机器人跳跃障碍的系统中，当机器人在面对较大障碍物或者较高台阶时能够跳跃穿过障碍物、登上台阶。四足机器人在前向跳跃阶段，通过特定的运动方式：前腿轻微离地后腿支撑发力使得机器人不仅能够在短时间内获得较大速度有利于跳得更高更远，而且保证了躯干俯仰角稳定防止了在跳跃阶段机器人躯干倾覆。在机器人腾空阶段时，可以根据障碍物的高低调制四条腿的姿势，从而跳过障碍物，保证了运动的可靠性。在机器人落地缓冲阶段，前腿落地缓冲后腿随后落地，使得机器人较短时间内下落速度减小到零，减小了地面对机器人的冲击力防止机器人结构损坏。一系列运动完成后机器人能够恢复正常姿态，快速而便利地完成接下来的运动任务。

以上结合附图对本发明进行了详细说明，但本发明不仅仅局限于上述具体实施方式，本领域的普通技术人员根据所具备的知识，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种四足机器人跳跃障碍的系统，其特征在于，包括：所述系统包括依次连接姿态检测子系统、运动规划子系统和力矩控制子系统；

所述姿态检测子系统通过对机器人返回的姿态与关节信号进行处理，再将数据传入运动规划子系统；

所述运动规划子系统通过对地形变化和障碍物尺寸分析规划出机器人的跳跃运动轨迹，计算其预期的位移、速度、加速度值；

所述力矩控制子系统根据运动规划出的运动轨迹，计算各关节需要的输入力矩。

2.根据权利要求1所述的一种四足机器人跳跃障碍的系统，其特征在于,所述系统还包括并行连接的机器人仿真模型和机器人实体系统；所述姿态检测子系统可以获取机器人仿真模型的姿态和关节信号，也可以获取实体机器人实体姿态和关节信号。

3.根据权利要求1或2所述的一种四足机器人跳跃障碍的系统，其特征在于,所述姿态检测子系统采用平滑滤波算法得到数据。

4.根据权利要求1所述的一种四足机器人跳跃障碍的系统，其特征在于,所述运动规划子系统中的运动轨迹包括依次的准备阶段、前向跳跃阶段、腾空阶段、落地缓冲阶段、恢复阶段。

5.根据权利要求4所述的一种四足机器人跳跃障碍的系统，其特征在于,所述准备阶段中，四足机器人下蹲、重心下移并且后倾，关节留有前向活动空间。

6.根据权利要求4所述的一种四足机器人跳跃障碍的系统，其特征在于,所述前向跳跃阶段前足收缩离开地面，后足伸张，为躯体提供加速度，保持躯干俯仰角低于10度。

7.根据权利要求4所述的一种四足机器人跳跃障碍的系统，其特征在于,所述腾空阶段判断障碍物的高低；如果障碍物高度低于0.2m时，四足从后向前运动；如果障碍物高度高于0.2m时，四足在向前运动的同时，向上收缩之后再恢复原来的腿部高度。

8.根据权利要求4所述的一种四足机器人跳跃障碍的系统，其特征在于,所述落地缓冲阶段前足先落地，承受较大的压力；控制躯体逐渐减速至零，后足后落地，逐渐恢复站立状态。

9.根据权利要求4所述的一种四足机器人跳跃障碍的系统，其特征在于,所述恢复阶段躯干重心上移、后移，将躯体恢复到准备跳跃跨越障碍时的高度和位置。

10.根据权利要求1所述的一种四足机器人跳跃障碍的系统，其特征在于,所述力矩控制子系统包含依次连接的拉格朗日动力学计算模块和PD控制器模块；所述拉格朗日动力学用来计算模块计算四足机器人在矢状面下的各关节输入力矩；所述PD控制器模块是对拉格朗日动力学用来计算模块得到的输入力矩进行修正。