CN110405752A - 飞行时具有自旋和其它机器人受控运动的弹道机器人系统 - Google Patents

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S.N.克里斯滕森
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D.L.克里斯滕森
G.M.伊马哈拉
M.T.波普
S.F.沃特森
G.D.尼迈耶
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Abstract

一种系统和相应的控制方法，其提供在从发射机构释放之后在轨迹上飞行(例如，作为弹道体非动力飞行)的弹道机器人。该弹道机器人适于通过处理来自机载和非机载传感器的数据并通过向一个或多个机载致动器发出适时的控制信号来控制其位置和/或飞行中的运动，以实现在飞行中的受控运动。致动器可以移动诸如机器人的臂或腿的附件，或者可以改变一个或多个本体连杆的配置(例如，从展开配置改变到折叠配置)，而其他实施例可以触发惯性移动组件的驱动机构，以改变/移动飞行体的惯性矩。执行飞行中的受控运动以在飞行期间和着陆时实现机器人的期望的或目标的姿态和取向。

Description

飞行时具有自旋和其它机器人受控运动的弹道机器人系统
技术领域
本说明书总体上涉及机器人(或电子装置，因为这些术语可在本文中互换使用)和机器人运动控制技术，更具体地，涉及机器人和机器人控制方法，其适于在非动力飞行期间控制机器人的自旋和其他运动，所述非动力飞行例如沿着轨迹作为抛射体或弹道体行进期间，或在至少部分地由发射机构建立的行进路径上。可以选择机器人在飞行期间的运动以在着陆表面(例如，可包括垫、网等的捕捉组件的表面)上以期望或目标取向和/或姿态进行着陆。
背景技术
机器人或致动的电子动画装置通常是基于地面的。这些基于地面的机器人通常固定在单个位置，或者可以用轮子或轨道移动以在表面上滚动或用腿移动以绕着空间行走。到目前为止，很少或根本没有努力提供可以以期望的移动飞行通过空间的机器人，例如模拟飞行超级英雄、杂技角色等的自旋、转动、翻转和其他动作的移动。飞行机器人的飞行中的移动最近已经有需求，以在可能难以利用现场表演者的环境中为观众提供独特且惊奇的娱乐。
迄今为止，大多数控制机器人在空中时的运动的努力都涉及相对复杂的机器人装置和控制，其设计为能够成功地执行相对简单的跳跃或类似移动。例如，一些机器人设计有尾部，当机器人在空中时尾部移动，试图在着陆时控制机器人的特定取向，但在飞行期间没有任何其他控制目标。在另一个例子中，控制腿式机器人以在再次跳跃期间移动它们的腿以控制机器人在其着陆时的单一姿态或取向。虽然在某些应用中有用，但这些机器人的制造成本很高，并且只能在着陆时提供期望的取向。这些机器人装置不能提供包括多次翻转、扭转、突变和姿态的半空中或空中节目。因此，仍然需要机器人设计，使其在飞行期间提供对自旋或旋转的控制，以在整个飞行期间提供对姿态和取向的控制，并且在着陆时控制一个到全部的致动器的位置(例如，整个着陆姿态，而不仅仅是例如轮子或着陆脚的取向)。
在其他研究领域，诸如无人机的飞行器在空中提供类似的娱乐。然而，迄今为止，无人机和类似装置的开发主要集中在动力飞行上，其使用机动推进实现位置和运动控制。结果，现有的无人机不能提供模拟复杂运动的关节运动，例如体操运动员或特技演员所做的运动。实际上，对无人机的稳定性和控制的关注导致了在动力飞行期间故意不移动的刚体。因此，仍需要机器人的新设计，以在其非动力飞行期间提供运动控制。
发明内容
简而言之，本文描述了一种系统和相应的控制方法(或“弹道电子动画”)，其提供一种弹道机器人，该弹道机器人在从发射或推进机构释放之后在轨迹上飞行(例如，作为弹道体或抛射体非动力飞行)。该弹道机器人适于通过处理来自机载和非机载(offboard)传感器的数据并通过向一个或多个机载致动器发出适时的控制信号来控制其位置和/或飞行中的移动，以实现飞行中的受控运动。所述致动器可以移动诸如机器人的臂或腿的附件，或者可以改变一个或多个本体连杆的配置(例如，从展开配置改变到折叠配置(或从折叠配置到展开配置))，而其他实施例可以触发惯性移动组件的驱动机构以改变/移动飞行体的惯性矩。
在某些情况下，弹道机器人执行发射前受控移动，例如当在摆动或钟摆式发射机构上时，以将能量泵入本体以在发射时获得期望的轨迹和/或在飞行期间执行某些特技或移动。在相同或其他情况下，执行飞行中受控移动以在飞行期间和在着陆表面上着陆时实现机器人的期望的或目标姿态和取向，以便模拟特定角色(或现场表演者)的运动和/或增强机器人的生存能力(例如，通过捕捉系统分散施加在机器人本体上的制动力)。
更具体地，提供了一种弹道机器人系统，用于控制弹道(非动力飞行)机器人的发射前的运动和飞行中的运动，并用于在着陆时实现目标姿态和取向。该系统包括机器人，其包括控制器(硬件(例如(多个)处理器和软件)、机载传感器、支撑控制器和机载传感器的本体、以及配置为由控制器致动的至少一个部件。机器人系统还包括具有着陆表面的捕捉系统和与着陆表面间隔开一横向距离的发射机构。发射机构操作为首先在发射前过程阶段期间支撑机器人，在此期间，能量被提供给机器人的本体，并且，其次将机器人的本体作为弹道体发射，其轨迹限定与着陆表面交叉的飞行路径。在系统操作期间，当在飞行路径上飞行时，控制器处理由机载传感器收集的数据，并且作为响应生成控制信号以引起至少一个部件的致动，使得本体在与着陆表面撞击之前执行预定义的受控运动。
在一些实施例中，在飞行路径上飞行期间，适配并定时预定义的受控运动，以使本体具有预定义的姿态、预定义的取向、或在与着陆表面撞击时的预定义的着陆角度。在这方面，对由控制器收集的数据的处理可以包括计算在与着陆表面撞击之前的角速度和剩余时间，以帮助确定何时触发控制信号以执行特定的移动/运动。至少一个部件可以配置为在折叠配置和展开配置之间移动本体，且预定义的受控运动是在与着陆表面撞击之前从折叠配置到展开配置的移动。
在相同或其他实施例下，机载传感器包括惯性测量单元(IMU)和至少一个测距仪，且控制器处理由机载传感器收集的数据以确定当在飞行路径上飞行时本体的当前角速度和当前高度。在这些情况下，弹道机器人系统还可以包括(多个)非机载传感器，其将收集的数据传送到控制器以进行处理，以确定本体在飞行路径上的当前位置，并且当前位置可以由机载控制器用于确定触发控制信号的定时。另外，非机载传感器可以包括以下中的至少一个：运动捕捉系统；泛光灯，提供由本体上或中的第一光传感器接收的偏振光；或激光器，提供由本体上或中的第二光传感器接收的光束或光平面。
在系统的一些实施方式中，至少一个部件包括惯性移动组件，其响应于控制信号操作而移动本体的惯性矩。在其他情况下，至少一个部件包括本体的致动器和可定位的附件或连杆，且预定义的受控运动包括移动附件或连杆以改变本体围绕至少一个轴线的自旋。
在这些和其他情况下，发射机构包括具有长形钟摆构件的钟摆组件，机器人的本体与长形钟摆构件的端部可拆卸地联接，且钟摆组件是基于重力的或被通电以在启动发射时达到预定义的速度。控制器可以在发射前过程阶段操作以生成第二控制信号来引起至少一个部件的致动，以使得在发射本体之前，本体在轨迹上以第二预定义的受控运动移动。第二控制信号可以由控制器在发射前过程阶段中在长形钟摆构件的初始移动之后的预定义的时间生成，且第二预定义的受控运动可以适于使本体在飞行路径上围绕至少一个轴线以预定义的方式自旋。另外，至少一个部件可以配置为在折叠配置和展开配置之间移动本体，且第二预定义的受控运动可以是在从发射机构发射之前从展开配置到折叠配置的移动。
在一些有用的实施例中，至少一个部件包括可致动元件，用于改变机器人的本体的一个或多个外表面的空气动力学特性以启动预定义的受控运动。在相同或其他有用的实施例中，飞行中助推器系统设置在系统中并位于发射机构和捕捉系统之间。该助推器系统用于当机器人在飞行路径上飞行时并且在与着陆表面撞击之前向机器人的本体添加或移除能量(例如，通过在飞行中撞击它，通过向本体施加更多能量之后捕捉然后分层释放它，等等)，以在其飞行期间为机器人改变轨迹。
附图说明
图1是根据本说明书的弹道机器人飞行系统的功能框图；
图2是用于本说明书的弹道机器人系统的机器人的侧面透视图；
图3A-3C示出了图2的机器人在三种操作模式中(或在三次受控运动之后)的侧视图，其用于弹道飞行以执行空中特技(例如，翻转/空翻以及期望的着陆姿态和取向)；
图4是使用图2的机器人的本说明书的弹道飞行系统(例如，图1的系统的实施方式)的侧视图，且在其使用期间示出了弹道机器人的多个位置；
图5是用于弹道机器人的控制方法(或算法)的流程图，以执行预定义的特技和以目标取向和姿态着陆；
图6是机器人的物理元件和钟摆发射机构组合的示意图，示出了关节和刚性体元件；
图7是示出典型的空翻动画的模型对比实验结果的曲线图；
图8是曲线图，示出了早期折叠和晚期释放动作的模型对比实验结果；
图9提供了示出具有各种约束的可达状态的曲线图；
图10提供了使用角度校正的激光器测距仪读数的高度估计的比较结果的曲线图；
图11是使用积分垂直加速度的高度和速度估计的比较的曲线图(注意，对于运行1、2和4，在释放时间(t＝1.6)附近开始差异)；
图12是本说明书的弹道机器人的实验装置或系统的图示；
图13示出了手部释放机构的一个实施例；
图14A和图14B示出了脚部释放机构的实施例；
图15提供了弹道机器人或特技机器人的另一个实施例的详细示意图，示出了部件质量；
图16示出了图15的弹道机器人的简单模型，用于使用两个刚性体或连杆进行泵送；
图17曲线图，示出了泵送相位偏移对振荡幅度的影响；
图18用三条曲线图说明了泵送相位偏移对振荡角度的影响；
图19是曲线图，用于说明z轴加速度计中的模拟偏差对图15的弹道机器人的单次发射的位置估计的影响；
图20提供了一组曲线图，其示出了传感器非理想性对感兴趣的范围的影响的线性度；
图21是曲线图，示出了陀螺仪非线性度的可接受误差的区域的；
图22是曲线图，示出了加速度计非线性度的可接受误差的区域的；以及
图23是曲线图，示出了八次投掷/发射的估计位置对比实际位置。
具体实施方式
发明人认识到，存在许多场景可能需要提供“特技”机器人或电子动画(animatronic)装置，其可用于代替真实演员或表演者来提供在半空中执行杂技动作的飞行角色的表演或娱乐。为此，本发明设计了一种弹道机器人系统(以及提供弹道电子动画或“杂技”或“特技”的相应控制方法)，其通常包括弹道发射机构，用于以轨迹将机器人发射到空中(或到飞行路径上)。机器人包括用于提供致动运动/移动的机载移动控制系统，其完全在内部，例如具有惯性移动组件和/或具有在外部可见的移动，例如通过操作一个或多个可致动的关节或部件(例如，将机器人本体移动到折叠姿态并返回到平面/线性姿态和/或移动一个或多个腿和/或臂以增加或减少阻力或改变自旋等)。
系统使用一组机载和非机载传感器来确定用于控制机器人的运动的多个参数值，例如高度、角速度、姿态、取向等，并且，机载运动控制系统触发在轨迹/飞行路径上的特定点处的移动。系统还包括具有着陆表面(例如，垫或网)的捕捉/接收系统，机器人在其轨迹/飞行路径结束时着陆在该着陆表面上，并且，移动控制系统可以操作为预测与该着陆表面撞击的时间并使机器人进行一次或多次移动以将其置于目标着陆姿态和/或取向，以使机器人的特定部分首先冲击着陆表面和/或在机器人的较大表面区域上分散制动力。
图1是示例性弹道机器人飞行系统100的功能框图，其提供机器人110在其沿着飞行路径或轨迹穿过空间或空中103飞行期间的受控移动或动画，直到它着陆在捕捉/接收系统190的着陆表面192上。在机器人110不适于动力飞行的意义上，系统100是“弹道的(ballistic)”，并且，系统100包括弹道发射机构102，其适于在发射轨迹或初始飞行路径104上推进或发射机器人110，使其作为抛射体或弹体飞过空间/空中103并以着陆轨迹195在着陆表面192上着陆。
发射机构102可采用多种形式来实行该系统，例如，用于将机器人110朝向捕捉系统190投掷、抛掷或弹射的装置。在一些实施例中，机动式钟摆(pendulum)系统用作抛射发射器102，其中，机器人110首先附接或联接到钟摆构件(例如，线、链、绳等)的外端，使得该外端前后摆动，然后在特定高度处从钟摆构件的端部解除附接或解除联接(或释放)以提供发射轨迹104。释放可以响应于在检测到特定的机器人高度134时来自机器人的控制器116的控制信号，或来自系统控制器(图1中未示出)或发射机构102的控制器的控制信号。可以测量释放高度和/或其他变量(例如，利用传感器122和/或124)以选择何时释放或以其他方式发射机器人110并且提供到着陆表面190的目标轨迹/飞行路径136。
捕捉/接收系统190同样可以采用多种形式来实行系统100。通常，着陆表面192可以作为垫或网的一部分提供，其用于在撞击着陆表面192时分散施加到机器人110的捕捉和/或制动力，例如，以避免在局部施加停止或制动力。捕捉/接收系统190可以配置为在接收的机器人110上施加恒定的制动力。在其他实施方式中，系统190配置成在初始或第一捕捉阶段期间施加较小的力，例如通过提供更多的伸展性或网/垫的移动以最初提供着陆表面(例如，针对着陆机器人110的前1至2英尺的移动)。在第二阶段或后一阶段，制动或停止力通过着陆表面的进一步移动和/或变形提供越来越大的阻力而上升，以便将所有能量移出弹道机器人110并停止其进一步的移动。在任一实施方式中，系统190在有限量的空间中使机器人110减速。
机器人110以特定的速度沿着发射轨迹104飞行，如箭头111所示，并且具有如箭头112所示的自旋或旋转(在垂直平面中，其可以在飞行期间改变其姿态；并且在水平平面中，其可以在飞行期间改变其取向)。机器人110具有本体114(例如，躯干，其具有可经由致动器和关节(即，可致动的部件184)移动的一个或多个附件)，其中，控制器116(例如，一个或多个处理器)设置为执行代码或软件以提供控制程序120的功能。此外，控制器116管理诸如无线收发器的输入/输出(I/O)装置118的操作，以与一组非机载传感器124通信，所述非机载传感器124操作为当机器人110在其轨迹104上从发射机构102行进到着陆表面190时收集机器人110上的数据。此外，机载传感器122设置为测量/感测机器人的行程上的附加数据，并且这些传感器输出的组合由控制器116存储在存储器中作为传感器数据131，以供控制程序120处理以便于机器人110的运动/移动的飞行控制。
此外，机器人110包括存储器或数据存储体130，其存取和操作由控制器116管理。存储器130用于存储对控制程序120有用的数据，用于在飞行期间选择性地控制机器人110的移动，例如通过惯性移动组件180和/或可致动部件184的操作，并且具体地，用于在机器人110飞行期间的特定时间181、185产生控制信号。如图所示，存储器130存储来自机载传感器122和非机载传感器124的传感器数据131。可以处理该数据131以确定机器人的当前高度134和速度135。一组机器人参数132也可以存储在存储器130中，以供控制程序120在执行计算时使用，例如机器人的重量和其当前配置下的预期阻力，其可以用于计算机器人110在从发射机构102发射时的轨迹/飞行路径138(例如，每次发射可能不完美，使得它可能不能提供目标的轨迹/飞行路径136)。
存储器130可用于存储一组发射前受控运动150，其可用于经由使用惯性移动组件180和/或可致动部件184来设定机器人在发射期间的姿态152和取向154(例如，提供机器人的本体114的泵送以增加发射能量)和在发射时刻的姿态152和取向154以设定机器人110在飞行期间的初始姿态和取向。还可以在存储器130中提供一组飞行中受控运动160，以供控制程序120在启动飞行中运动或移动时使用，以在沿着机器人的轨迹136、138(例如，目标或实际)的一个或多个点处提供机器人的期望姿态162和期望取向164。此外，存储器130可以存储一组着陆前受控运动170，用于在与着陆表面190碰撞之前和/或碰撞之时确定机器人的姿态172和取向174(例如，使机器人110在特定的本体部件或区域上着陆，该特定的本体部件或区域在面积上更大或在着陆上更耐用，以便使更大的面积同时接触表面190以分散制动力)。
如图所示，存储器130用于存储(多个)目标姿态140和(多个)目标取向142，其可以针对机器人110在沿其目标轨迹/飞行路径136的任何点(或多个点)处定义。此外，基于对传感器数据131的处理，控制程序120可以在沿着实际轨迹136的任何点处生成感测或计算的(多个)姿态141和(多个)取向143。可以通过控制程序120比较目标和实际姿态和取向，并且在某些情况下，可以通过控制信号对惯性移动组件180和/或可致动部件184进行调整(或者，对飞行中受控运动160和/或着陆前受控运动170进行改变)。
在一些实施例中，传感器122包括惯性测量单元(IMU)，以为本体114提供速度和/或加速度数据，以帮助确定当前的取向143。IMU将不提供本体114的绝对位置(距离、角度等)，使得传感器122优选地包括一个或多个外在传感器，以通过提供对确定机器人110的高度和/或其他参数(例如，当前取向和/或姿态)有用的数据来校正IMU的这些缺陷。外在传感器可以包括LIDAR、激光器、和/或基于超声的装置，其(至少在轨迹104、195上的飞行期间周期性地)面向地面和/或着陆表面190。
具有程序120的控制器116可以处理传感器数据131以确定/计算机器人的本体114的当前取向143和姿态141以及当前速度135。然后，控制器116及其程序120以周期性(或几乎连续的)方式使用全部或一部分的传感器数据131和所确定的参数来预测机器人的旋转/自旋(或其他移动)112是否应该被改变/控制，以在飞行期间和/或在与着陆表面190接触时实现目标取向142和/或目标姿态140。如果是，则具有程序120的控制器116确定自旋/移动112的期望改变以更好地命中这些目标140、142。例如，本体114的惯性的移位或移动可以由惯性移动组件180提供，其可以实现自旋112的改变，并且作为响应，生成控制信号181以操作组件180的驱动机构，以移动/移位本体114的惯性，从而实现自旋/旋转112的确定的改变。在其他情况下，确定可致动部件184的移动，其对于改变移动112以实现目标140、142是有用的。在弹道机器人110的飞行期间周期性地(例如，几乎连续地)重复该控制过程，以控制旋转/自旋112以在飞行期间和/或着陆时实现目标取向142和目标姿态140中的一个或两个。
特别是关于受控运动/移动，机器人110可包括定位在本体114的内部空间115中的惯性移动(或移位)组件180。组件180配置为选择性地移位或移动机器人本体114的惯性(例如，在一个、两个或更多个平面中的任一方向上(例如，在水平平面中和/或在垂直平面中))。组件180可以采取2017年9月9日提交的题为“Robot With Inertia ShiftingAssembly Providing Spin Control During Flight”的美国专利申请No.15/719,847中具体描述的任何惯性移动组件的形式，该专利申请以其全部内容并入本文。
此外，机器人110可以包括在本体114的一个或多个外表面上的被动阻力特征部182，以在飞行期间实现本体114的期望运动112。另外，一个或多个可致动部件184可包括在本体114上或作为本体114的一部分，其可响应于来自控制器116的控制信号185而被致动，在系统操作期间改变机器人110的运动/移动112，以更好地实现目标姿态140或目标取向142，或者提供本体114的特定杂技或特技移动。例如，部件184可以包括在飞行期间改变本体114的一个或多个表面上的阻力的主动阻力特征部。在另一示例中，机器人的本体114可具有一个或多个关节，所述关节可经由致动器/驱动机构操作以改变机器人110的形状/姿态(例如，以使本体折叠和展开)，以在一个或多个平面中改变自旋，例如通过将臂(或其他附件)伸出或将它们拉向本体114的躯干等(并且如下面更详细地讨论的)。
在系统100的一些实施例中，可能是有用的是，通过用发射机构102发射机器人110来提供弹道电子动画，并且使机器人110在轨迹104上完全在发射时所施加的能量下完成所需的操纵。然而，在一些实施方式中，以固定能量操作是对飞行长度和可以实现的各种操纵的不期望的约束。为了解决该问题，系统100可以包括飞行中助推器系统186，其适于施加力187以向机器人110添加能量以使其偏离发射轨迹104，例如，具有到着陆表面190的更高、更快、更长或以其他方式不同的轨迹(其可以远离发射机构102移动以适应由系统186提供的更长的轨迹/飞行路径)。
系统186可以采用各种形式对弹道飞行机器人110添加(或移除)能量。例如，系统186可以适于在机器人110从机构102飞行到捕捉系统190和着陆表面192时，将移动对象与机器人110机械地联接和解除联接。在系统186的一个实施方式中，使用对象在其飞行中有意地撞击机器人110以加速或减慢机器人110(例如，从发射轨迹104改变其轨迹)和/或改变其自旋112和/或其姿态和/或取向。在系统186的另一实施方式中，机器人110被系统186的移动构件捕获(或临时联接)，以将能量传递到机器人本体114的“手”或其他部分中，并且惯性移位和自旋移位机构可用于改变整个机器人的本体114的运动。在一种情况下，系统186包括吊架杆(主动或被动)，并且机器人110适于捕获吊架杆或与另一个电子动画装置相互作用以获得或释放能量以改变其当前的轨迹和/或以赋予机器人110的期望移动(例如，改变其姿态或取向和/或执行特定的杂技动作)。在另一种情况下，系统186配置为在其从发射机构102飞行到着陆表面192期间，为机器人的本体114施加空气流或喷气(puff)以将能量或力187赋予给机器人的本体114。
系统100提供的弹道电子动画的一个目标是提供诸如机器人110的机构，其在从发射或推进机构102释放之后飞行并使用一个或多个致动器(作为机载移动控制系统的一部分)控制它们的位置和空中移动，例如用惯性移动组件180和/或可致动的部件184。例如，提供对飞行中移动的控制的一种方式是，通过在致动器的控制下在机器人的本体内移动质量来传递惯性。这很像体操运动员或杂技演员改变他们在中途飞行中的位置的方式，并且通过选择性地使用惯性移动组件180来实现这种控制。移动或运动控制的第二示例是自旋或无扭矩旋转，并且这可以提供低惯性部件结合高的致动受控自旋，以改变飞行中的位置和运动，其被提供作为由控制器116和程序120控制的可致动部件184的一部分。移动控制的第三示例是提供致动和被动空气动力学表面(在部件184中提供并且作为被动表面/特征部182)。在机器人本体的外表面上明显地放置的空气动力学表面或在本体的表面上艺术性地伪装的空气动力学表面可用于产生升力和阻力以改变附件的局部运动或整个机器人的整体运动。在另一示例中，可致动部件(或运动控制部件)184可包括机载的压缩气体(或甚至推进器/引爆装置)以选择性地释放能量以在飞行期间改变角动量或以其他方式改变机器人110的取向143。
发明人设计了系统100的原型以提供飞行电子动画或机器人，其在飞行期间通过改变姿态/位置和取向来制作动画。最初的努力使用摆动/钟摆为弹道发射机构102提供致动释放，以向飞行对象/机器人110提供初始能量(以在轨迹104上发射它)。与摆动断开连接的飞行对象中的能量由其初始条件确定，例如释放点处的高度、发生释放的摆动弧中的位置(例如，发射角度)、以及由发射机构对机器人/飞行对象施加的扭转。使用钟摆发射系统的先前工作依赖于钟摆系统的物理部件的定时和仔细控制，以试图实现可重复的发射和对象轨迹。这种较低级别的控制对于制造娱乐环境是不够的，同时可能非常限制可以用飞行对象实现的动画。
因此，发明人发现，将符合期望的是，对发射机构102装备测量仪器，而不是依靠发射器的定时和可重复性来感测和监测影响施加给飞行对象的能量的因素。感测的信息(例如，来自非机载传感器124，其至少部分地可以被提供给监测机构102)可以用于精确地计算机器人110应该从钟摆或其他发射机构102释放/发射的时刻。在系统100的更复杂的变型中，将关于发射机构102的操作的感测信息作为传感器数据131馈送到机载控制器116(或机载致动系统)，以实现对发射条件的变化的飞行中补偿，例如，当发射138处的计算轨迹与发射136处的目标轨迹不匹配时，通过控制机器人的部件来进行调整。
在简单的实施方式中，系统100可以感测高度134，其可以用于在发射机构102的操作期间触发从发射机构释放而不是基于定时。更复杂的实施方式可以感测或知晓机器人110的重量132、初始位置、钟摆构件(例如，线)上的应变和扭矩、掉落速率、扭转率，和/或其他参数以为释放计算提供更多的信息(由控制器116和程序120执行，或者当发射机构102释放机器人110而不是机器人110释放钟摆构件或机构102的其他联接元件时，由操作发射机构102的控制器执行)。还可以调整飞行中的行为以利用向飞行路径/轨迹104添加有用能量的发射变化(例如系统100的室外实施方式中的支持风)，从而当计算出的轨迹138以正方式与目标轨迹136不同时，允许在到达着陆表面之前执行额外的滚动或翻转(或者当以负方式不同时，进行少一次的滚动/翻转或移动)。
诸如机器人110之类的弹道对象的飞行控制或飞行中运动控制可以仅用机载仪器执行，例如利用控制程序120处理来自机载传感器122的传感器数据131。这可以迫使机器人110设计包括传感器122以及用于生成控制信号181、185的计算机和电源(用于控制器116)的一些附加重量，由于尺寸、重量、和/或功率因素，这可能会限制其有效性。
考虑到这一点，发明人确定利用机载传感器122和非机载传感器124(在某些情况下，可包括非机载的处理和/或仪器)的组合通常是有用的。在这样的实施方式中，机载传感器122可以包括相机、LIDAR、红外传感器等，其可以经由控制器116和控制程序120(其控制/改变惯性、自旋和/或空气动力学控制表面)感测姿态141和速度135以供机载致动器180、184使用。传感器122中的测距仪(例如，激光器测距仪、超声波测距仪等)可用于在指向下方等时获得位置以确定机器人的当前高度134。另外，可以使用非机载传感器/仪器124来观察运动特性并将该信息(作为传感器数据)传送到机载控制系统以增加由机载传感器122收集的数据131。
在一个有用的示例中，非机载的生成的激光片组件与机载传感器122结合使用以检测激光交叉，以便准确地确定机器人110在其发射轨迹104上的当前位置(例如，当断开光束时，机器人知道其在空气/空间103中的位置，这是由于在机载传感器122中使用检测何时通过激光平面的光传感器/光电二极管)。非机载传感器124还可以包括运动捕捉系统，以将数据131中的准确位置信息和移动信息提供给机器人控制器116。在另一个实施例中，在非机载传感器124中提供泛光灯(floodlight)，其以特定方式极化，使得机载传感器122中的光电二极管可以与极化的滤波器一起使用，使得控制器116可以处理其输出以从泛光灯接收光时确定取向。
在一些实施例中，飞行中受控运动160用于控制机器人110的飞行移动，其中，在表面192上的着陆隐藏在观察者视野之外。在某些情况下，这可能是限制性的，使得系统100的一些实施例配置为提供对着陆轨迹195的观察和对表面190的影响，因为能够良好并且以适合角色的方式进行着陆显著地增加娱乐或表演价值。着陆取向142和姿态140主要由飞行中性能决定，进而由发射时的初始条件(包括发射轨迹104)决定。另外，尽管如此，控制器116可以实现着陆前受控运动170，以在捕捉系统190的表面192上着陆或撞击时设定姿态172和取向174。特别地，致动系统(在部件184和/或惯性移动组件180中)可以在着陆之前(着陆轨迹期间)、撞击之时和着陆之后不久继续发挥作用，同时机器人110耗散其最终能量以转动、滚动并将附件移动到所需位置。由控制程序120实现的控制算法170可以类似于飞行中算法160，但是考虑了对着陆系统190的一组力和能量快速消散。
在一些情况下，着陆前受控运动/控制算法170配置为使机器人110在本体114的特定部分/部件(或部分/部件)上着陆，例如在其背部或另一个稳健部分上(以折叠或平坦/伸出的姿态，其中臂移动到期望的位置)或以接触表面192的较大表面积以分散力。着陆前受控运动170可以通过角度或角速度(或两者)提供校正，例如通过改变姿态172(例如，经由运动160在飞行期间折叠，然后在着陆之前作为运动170的一部分展开，作为着陆前运动170的一部分伸出臂和/或其他附件以添加阻力并减慢机器人，等等)。
如上所述，发射机构102可以采用简单的摆动和/或钟摆装置的形式。在另一个实施例中，具有快速释放的鞭状构件可以最初与可以在地面或发射平台上提供的机器人110联接。重物可以附接到鞭状构件的另一端(或施加到鞭状构件的另一个发射力)，并且鞭状构件可以在一个、两个、三个或更多个滑轮上延伸，从而产生鞭状动作，以用比简单的钟摆机构更大的力量发射机器人110。
在系统100的另一个实施例中，发射机构102提供上钟摆，其以特定速度来回移动，而机器人110本身充当根据发射前受控运动150旋转的下钟摆(例如，机器人具有大致线性或长形的本体114)。运动150可以在轨迹104上发射时设定姿态152和取向154，以便设定偏移角和/或以获得机器人110的更多旋转。替代地，运动150可以移动机器人110以获得(由机器人110组成的下钟摆的)第二振荡，以便将能量“泵送”到下钟摆中并以更多能量的产生发射(更高或更快的抛射体，因此可以在没有机器人110移动的情况下实现轨迹104的改变)。
飞行中受控运动160可以包括姿态162和/或取向164的变化，以在着陆在表面192上之前实现一个或多个期望的移动或特技。例如，可以选择运动160以改变机器人本体114的惯性矩，例如通过使机器人的可致动部件(与致动器等的关节)操作以使本体从展开姿态转换成折叠姿态以具有较小的惯性，从而增加自旋速率112(或增加角速度)(或反之亦然)。在另一个动作160中，机器人的本体114可以简单地致动折叠和展开。在又一示例性飞行中受控运动160中，可致动部件184(例如臂)可被移动以使本体114与角动量不对准，以在飞行期间增加自旋和/或引起翻转。
考虑系统100及其操作，对于这一点，在说明书中使用机器人110的特定但非限制性的实施例来描述弹道机器人系统的具体实施方式可能是有用的。人们认识到，人类表演者在数千年的体操艺术实践中已经开发出令人印象深刻的杂技技巧。与此同时，机器人已经开始变得更具移动性和自主性，并且发明人认识到，可以使机器人以戏剧性和信息化的方式模仿人类进行的杂技技巧或特技。以下描述提供了一种简单的两自由度(DOF)机器人，其使用重力驱动的钟摆发射，并且在着陆之前产生各种空翻特技。机器人使用IMU和激光器测距仪(两者都是机载的)的输出估计其飞行途中的状态并致动机载部件，以改变其在基于钟摆的发射机构上和离开其之后的运动(例如，作为飞行前致动或受控运动以及飞行中控制或致动运动)。机器人行为的动态也在杂技能力的上下文中详细描述，支持提供实验结果文档的新系统。
为了量化杂技表演以及用作弹道体或抛射体的杂技机器人，定义一些衡量给定设计性能的基本指标可能会有所帮助。围绕给定的本体轴线的数量可以是一个有用的品质因数，因为这是在潜水和体操中分类空中特技的主要方式。所涵盖的峰值高度和总水平距离也是任何弹道飞行的感兴趣的度量，因为他们都给出了运动的规模的感觉。在下面的讨论中利用水平距离，因为发明人试验台的室内位置对峰值高度设置了实际限制。
除了上面提到的广泛能力之外，杂技弹道机器人也可以通过其落地的精度(在最终位置和最终取向两方面)来判断。这些能力可以被认为是在机器人的发射设备(例如，飞行前受控运动与发射机构功能相结合)和机器人在飞行期间影响运动的能力之间共享的。跳跃机器人机载携带其发射装置，而飞行或动力飞行机器人使用空气动力学在飞行期间显著改变其质心的轨迹。
与之相比，发明人在设计弹道机器人系统时的方法使用单独的发射系统，并使空气动力学效应最小化。如果我们将“发射”定义为弹道机器人(由于其配置提供2个自由度，可与弹道机器人互换地称为杆状人(“Stickman”))从弹道发射机构的钟摆释放的点，这意味着最终位置(捕捉系统的着陆表面将位于弹道机器人系统中)几乎完全是发射条件(初始轨迹)的函数。在最终状态(着陆时)之前的最终取向和旋转量(在垂直平面中)是由发射提供的角动量和初始角度(或发射角度)以及机器人在飞行期间改变其角速度弹道的能力的函数。在以下描述中，示出了系统及其机器人的若干能力，包括：(a)执行零次、一次和两次翻转飞行；(b)将机器人远离发射机构的钟摆的枢轴水平投掷5至10米之间；(c)将着陆位置控制在0.3米的标准差内；以及(d)将着陆取向控制在30度的标准差内。
图2是用于本说明书的弹道机器人系统的机器人200的侧面透视图，例如人身长度(例如，约7英尺)的杂技机器人。图3A-3C示出了图2的机器人200在三个操作状态下的侧视图，用于在弹道飞行中执行空中特技(例如，翻转/空翻和着陆的期望的姿态和取向)，并且具体地，图3A示出了机器人200，它启动移动以移动进入折叠配置；图3B示出了机器人200，它继续执行折叠；图3C示出了机器人，它完成了(多个)受控运动而移动进入了完全折叠或完全已折叠的配置。
机器人200(或“杆状人”)包括在两个关节211、213处/由两个关节211、213相互连接的三个长形连杆210、212、214。机器人200包括在下连杆210上的可调节质量220(可调节位置)。活塞形式的两个致动器230在其端部处连接到两个相邻的连杆(即，连杆210和212以及连杆212和214)，并且它们通过气体的释放而被激励或供能，气体来自固定在中间或中部连杆212(或作为其一部分)上的压缩空气罐236。机器人200包括微控制器形式的控制器240(具有适当的软件)，其操作阀组选择性地从罐236释放空气以激活每个活塞/致动器230，以使机器人200执行受控运动(例如，飞行前、飞行中和着陆前运动，如上面参考图1所讨论的)。电池形式的电源244安装在上连杆214(或作为其一部分)上，以为控制器240和一组机载传感器250(例如，IMU和测距仪250(其可以采取偏移一些角度(例如12.5度)的三个激光器测距仪(前缘、中心和尾缘测距仪)的形式))供电，其操作以向控制器240提供传感器数据以用于定时或触发致动器230，以提供机器人200的受控运动。另外，机器人200包括掉落闩锁260(其可以是联接到钟摆线缆/构件的端部处的环的伺服驱动的快速释放闩锁)，其可以用于将机器人200联接到发射机构(例如，钟摆或摆动件)并且稍后由控制器240致动/操作，以将机器人200释放为轨迹或飞行路径上的抛射体或弹道体。
在一个原型机中，机器人200由三个铝连杆210、212、214制成，它们通过铰链211、213连接，这允许机器人200的本体从收缩的“Z”形或折叠的配置过渡到近似平面或直线形的配置(完全展开配置)，如图3A-3C所示。当展开时，原型机器人200被设计成7英尺高，以接近人类特技表演者将他们的手臂抬起超过其头部的高度。空气罐236存储用于致动的能量，并且12伏的锂聚合物(或Lipo)电池组为控制致动器230的电磁阀240供电。
原型机器人200的基本构造受到易于重新配置、快速修复和高峰值致动器强度和功率的需求的影响。T型槽铝挤出件用于连杆210、212和214，以允许基于增量发现(incremental finding)的各种部件的可重新配置性。空气活塞230的两端可以沿着它们的连杆210和212或212和214的长度进行调节，从而允许扭矩曲线的变化。可以将大的额外重量220添加到顶部或底部连杆214或210，以便调整机器人的质心位置和改变惯性矩。由于其高的功率密度，在原型机中选择气动致动器230并且其由电磁阀致动，所述电磁阀由阿尔杜伊诺(Arduino)微控制器板触发(在该示例机器人200中，两者构成控制器240)。上部或顶部连杆214配备有LIDAR-Lite v3激光器测距仪和6轴Invensense ICM 20602惯性测量单元(IMU)，它们是机载传感器，提供到机器人的控制器240的主输入。
图4示出了本说明书中的弹道机器人系统400，用于将机器人200作为弹道体或抛射体在朝向着陆表面(未示出)的轨迹/飞行路径上发射。机器人200以操作状态200(1)-200(10)示出，其从初始状态200(1)前进到着陆状态200(10)以执行空翻(somersault)特技。在初始状态下，机器人200(1)处于折叠或线性/平面配置(或完全伸展)，并且附接到钟摆式发射组件410的刚性钟摆构件412的端部，并且机器人200(1)升高到期望的初始高度(例如，在原型系统400的一次测试中，高于地面/着陆表面高度约6米)，这设定影响二阶钟摆的振幅和相位的初始角度和势能。
当从该初始位置释放时，机器人200(2)在重力的作用下开始以弧形向下摆动/移动，如箭头415所示。机器人200(3)使用其IMU来监测一阶和二阶钟摆响应。然后，机器人200(4)开始折叠(例如，在预定时间)，在释放之前具有折叠时间，以提供在旋转和平移能量之间的折衷。机器人200(5)已完成折叠，并且经由掉落闩锁从线缆/钟摆构件412的端部自行释放(例如，在一些示例中在第二预定时间)，释放定时提供在水平和垂直平移能量之间的折衷。然后，机器人200(6)和200(7)尝试估计其高度和速度以计算在空中的剩余时间(通过控制器及其控制程序处理传感器数据)。机器人200(6)是释放后不久的状态，其中激光器测距仪垂直指向，并且IMU校正角度，假设在大平坦表面/地面的情况下，控制器计算距离地面的距离/高度和速度。
机器人200(8)现在正在掉落或处于轨迹的着陆前阶段，其中，由控制器计算飞行或空中的角速度和剩余时间。机器人200(9)的展开开始并且旋转减慢，并且在机器人200(10)着陆之前正好完成展开(或完全伸展)。展开被定时以提供最佳的着陆角度/取向和姿态(例如，以分配制动力和/或模拟现场杂技演员的着陆)。当机器人200(8)预测展开将导致正确的着陆取向时(如机器人200(10)所示)，机器人的控制器命令展开受控运动(例如，一个或多个致动器的激活)并且相对平缓地以其背面着陆在泡沫垫或捕捉组件(图4中未示出，但从图1中可以理解)的其他着陆表面上。
如系统400中所示，重力驱动的钟摆410可用于发射杆状人200。通过将机器人200(1)几乎升高到天花板或升高到期望的初始高度，发射组件410能够将大量的能量注入发射(如机器人200(6)所示)。用箭头415示出的长摆动在大的距离上实施加速度，从而产生相对平缓的加速度。此外，长摆动增加了机器人200以视觉上引人注目的方式进行表演的时间长度。将机器人200附接到钟摆臂/构件412的关节(闩锁260)可具有范围从理论极值零(销关节)到无限(刚性连杆)的刚度。刚性关节会将整个系统转变成简单的复摆，其具有非常可预测的行为，可能会增加着陆位置的可重复性。然而，这也将角速度限制为线速度的函数，从而限制了空翻能力的范围。销关节形成双摆，其是对初始条件具有高灵敏度的混沌系统。然而，结果可以将角速度与线速度解耦，并在系统400中产生更大范围的发射条件。尽管未在图4中示出，但是在系统400中的原型机测试期间使用Optitrack运动捕捉系统(一种非机载传感器)提供机器人200(1)-200(10)的参考位置数据。
图5示出了操作机器人或杆状人以执行图4中所示的特技的方法的流程图500(或由其控制器和执行的代码实现的机器人控制方案的逻辑流程)。在步骤505，机器人经由其联接构件(例如，掉落闩锁260)放置在从钟摆臂的端部悬挂的初始位置。步骤510验证是否已经操作/拉动启动按钮或触发器以开始发射。当在510接收到触发信号时，方法500在515继续，开始等待时间的倒计时以开始发射，并且步骤520验证倒计时完成的时间。当完成时，方法500激活在机器人在一端联接的钟摆构件的释放/掉落。
步骤530以开始时间开始机载时钟，并检索预定义的折叠启动时间。然后，在步骤535，方法500继续确定摆动时间何时超过时间以启动折叠运动。当超过时，控制器启动折叠运动(例如，将机器人移动到折叠配置)。在540，控制器启动另一个时钟以测量机器人以折叠配置摆动的时间量，并且检索启动从钟摆构件释放的时间。在545，控制器确定折叠和摆动时间何时超过释放时间，并且当释放时，控制器从钟摆构件释放机器人(例如，通过激活掉落闩锁)。
在步骤560，机器人的控制器将机器人保持在折叠配置并等待开始最终的取向计算(以在着陆时实现目标取向和姿态)。在步骤565，控制器用于确定当前角度何时指示机器人开始掉落或进入轨迹的着陆前阶段。当发生这种情况时，方法500继续开始估计，通过在570评估高度和速度并通过计算最终取向(如果在当前时间步骤执行展开)。如果不是575的目标取向，则重复评估步骤570。当估计展开将在当前时间步骤实现目标取向时，方法500继续，控制器触发展开运动，然后在580，机器人保持未展开或完全伸展并旋转直到撞击。方法500可以在585继续，确定自冲击/着陆以来的时间何时超过某个预定义的延迟时间，并且当它确定时，存储的数据可以被发送到跟踪/原型评估系统。然后，方法500可以在590结束，例如重置以通过执行步骤505进行下一次发射。
在说明书的这一点上，提供对弹道机器人的动态的讨论可能是有用的。关于(钟摆上的)摆动动力学，双摆是混沌系统的典型例子，并且当如上所述引入机器人/下钟摆的折叠的可能性时，它变得更加复杂。为了评估这种复杂性和弹道机器人系统400的功能范围，发明人创建了详细的模型，该模型使用了Matlab的Simscape Multibody工具箱。该模型包括双连杆钟摆(刚性扭转弹簧将钟摆的上半部连接到下半部，以帮助接近梁的第一振荡模式)、用于机器人的三个刚体、以及模拟活塞的两个无质量伸缩式致动器，如图6的图示600所示。
发明人认为该模型(在图6的示意图600中示出)很好地抓取了系统的一般行为，使得它是用于理解弹道机器人系统400的能力和限制的有用工具。图7提供了曲线图700，其示出了典型的空翻动画的模型对比实验结果，图8提供了曲线图800，其示出了早折叠和晚释放动作(headplant)的模型对比实验结果。在曲线图700和800中，虚线表示模拟角速度，而实线表示由设置为机器人200的机载传感器250的一部分的机载陀螺仪测量的实际角速度。
关于空中动力学，运动的飞行中物理学对于弹道机器人来说相对简单。如果主惯性矩与角动量矢量紧密对齐，则可以说明：
L＝Iω 公式(1)
其中，I是绕旋转轴的惯性矩，且ω是角速度。
如果惯性矩从I1变为I2，则速度的变化由下式给出：
如果惯性从一种状态到另一种状态的变化是平滑、快速和单调的，并且如果角速度与所需的旋转轴良好对齐，则这是最简单的。在实践中，发明人发现，在释放之前稍微折叠有助于减缓或消除扭转。所使用的气缸提供了快速过渡但是欠阻尼并产生强烈的振铃效应(ringing effect)，这使得该阶段的精确测量和模拟更加困难。如果忽略这种振铃效应，展开的结果可以通过在展开事件之前、期间和之后的平均角速度来表征。由于展开事件改变了每个本体段的相对角度，可以改变该分析，因此可以将恒定的角位移θoffset添加到结果中。
使用机载加速度计、机载激光器测距仪和预期动力学的模型，可以基于给定时间t0的高度和垂直速度的估计来估计在空中剩余的时间量Ta：
其中，h0是时间t0的估计高度，v0是时间t0的估计的速度的垂直分量，且g是重力引起的加速度。
如果要立即命令释放，则下面的公式可用于估计最终取向θfinal：
θfina1＝θ+θoffset+ωRtTt+ωRf(Ta-(t-t0)-Tt) 公式(4)
其中，θ是当前估计的角度，θoffset是由于肢体的重新配置而产生的预期位移，ω是当前角速度，Rt是当前角速度和过渡期间的平均角速度之间的预测比率，Tt是过渡的预测时间，Rf是当前速度和最终速度之间的预测比率，t是当前时间，t0是最后估计Ta的时间。
关于预测的能力，就可能的空翻的数量和可能的着陆位置的范围而言，发射能力受到系统的总可用能量的限制。对于图2中200所示的杆状人机器人设计，存储在空气罐中的能量比在摆动开始时以势能存储的能量小约一个数量级。因此，能力的主要决定因素是能量在每个轴线中的线性和角动量之间分配的方式。对于以下大多数分析，假设只有在机器人从钟摆释放后(发射后)才会发生折叠。在杆状人的基于钟摆的发射中，线性和角动量之间的关系受刚性体运动学的约束。只允许那些保持两个钟摆连杆的绝对长度的速度。
在给定用于测试原型弹道机器人系统的实验装置的情况下，数值模拟全范围的运动学可能的速度配置给出了角速度和线速度组合可能的上限。然后可以使用这些速度来计算机器人的最终位置和总旋转，如图9中的曲线图910、920、930和940所示，其示出了具有各种约束的可到达状态，曲线图910示出了运动学和能量可能性，曲线图920示出了给定最大第二连杆幅度的运动可能性，曲线图930示出了在不同的折叠时间上的完全模拟扫描，并且曲线图940示出了在不同初始角度上的完全模拟扫描。
这种宽范围的可能结果略有误导，因为它包括运动上可能但实际上不可行的情况。为了更合理地估计总能力，可以限制第二连杆的角速度，以防止它在典型的负载条件下超过180度的振幅。然后可以进行先前的运动学分析，并且可以丢弃任何导致角速度大于该值的结果，这产生图9的曲线图920。当机器人在钟摆(发射机构)上时，该理论上限成为衡量建议的控制方案的方式。如果建议的方法覆盖的可能状态的区域覆盖了理论上限的很大一部分，则可以确信机器人的能力可能不受控制方法的人为限制。
现在可以使用杆状人弹道机器人设计的完整动态模型来探索和比较两种潜在的控制方法。第一种方式是简单地改变机器人的初始角度，同时满足机器人的任何部分都不允许穿过钟摆/发射机构上方的天花板或表面的约束。该控制方法在变化的释放时间上的结果在图9的曲线图930中示出。探索的第二种控制方法是在仍然在钟摆上时开始折叠(如图4所示)。这改变了弹道机器人的长度和惯性，从而改变了二阶钟摆行为的频率并改变了角度和线性动量的相对相位。该控制方法的结果在图9的曲线图940中示出。
一旦进入空中(发射后)，机器人在弹道轨迹撞击地面之前有可用的固定量的角动量和固定量的时间。机器人的空中轨迹可以通过在给定初始角动量的情况下能够多大程度上改变其最终角度来测量。在杆状人机器人200的情况下，折叠和展开的惯性矩之间的比率约为1比3，这意味着对于能够在展开位置产生三分之二空翻的飞行，机器人可以实现三分之二旋转和两个完整旋转之间的旋转数。
为了回顾原型测试的结果，杆状人/机器人200能够在系统400中实现范围为5到11米的总飞行距离。没有进行认真的努力以控制最终位置的批次控制(run-to-run)，但是典型的动画显示，对于五次试验，着陆位置的标准偏差约为20厘米。基于建模和迭代细化的组合，杆状人/机器人200实现了三个不同的旋转轮廓：零、一和两个后空翻。在原型研究期间捕获这三种不同动画的图像序列。如果使用足够大的初始角度，模拟还预测了执行一半的正向翻转的能力。追求该目标(特技/移动)的测试在仍然在钟摆上时实现了必要的角速度，但是闩锁上的过度负载导致干扰效应，这阻止机器人在正确的时间释放，这可以在系统400和/或机器人200的未来设计中解决。
发明人使用一种简单的控制法来试图确保机器人与垫/着陆表面粗对齐。使用对过去十次试验中距离测量之间差异的简单估计，操作机器人以试图计算空中剩余的时间并适应其测量的角速度和估计的飞行时间。机器人使用来自IMU的角度估计来校正激光器测距仪收集特定读数的角度。将得到的高度估计值与来自运动捕捉系统的基本实况进行比较，结果显示在图10的曲线图1010、1020、1030和1040中。
在测试期间，机器人降落的平均角度误差为27度过度旋转，标准偏差为28度。还可以通过使用IMU估计垂直加速度来估计位置和速度。这被发现在钟摆上表现良好，但是在释放时间周围遇到不连续性，结果显示在图10的曲线图1010、1020、1030和1040中。在未来的工作中，发明人打算研究融合来自IMU和激光器测距仪的信息以实现更好的高度和速度估计，从而允许最终角度控制的精度得到改善。
以机器人/杆状人200示出的弹道机器人设计即使使用有限的一组感测和致动能力，也可用于模拟人类表演者的行为。通过改变初始取向和包括折叠、释放和展开的受控移动的定时(或姿态的变化)，它能够成功地执行几种不同的空翻特技。机载传感器能够跟踪机器人在发射期间和发射后的角度、高度和速度。更先进的感测和控制策略(例如，如上参照图1所讨论的)是可设想的，其将增加机器人的可重复性。
随着机器人设计向更有趣的特技发展，可能有用的是，在其本体和/或更多DOF上提供更多可致动的部件以允许控制其他旋转轴并允许控制位置。通过不断努力改进机器人的模拟，并尝试开发为系统的行为提供更多的直觉的简化的模型，将有助于这一努力，从该描述中应该清楚的是，即使是基于观察机器人的角动量而不是其角速度的机器人和弹道机器人系统的早期模型和原型看起来也是有希望的。
图2提供了用于本说明书的弹道机器人系统的一个有用的机器人200，例如人身长度(例如，大约7英尺)的杂技机器人，但是本领域技术人员将理解，图1的弹道机器人系统100的机器人110(以及其他部件)可以用其他机器人设计和/或实施例来实现。考虑到这一点，发明人设计、构建并测试/原型设计了可致动弹道运动的“特技机器人(acrobot)”或迷你人偶，其配置与机器人200不同，以下讨论描述了该机器人或特技机器人，并提供该额外设计的分析/测试的结果。特技机器人设计旨在实现以下目标：(a)使用泵送创建后空翻/前空翻；(b)以一种方式进行具有扭转的翻转，然后以另一种方式进行具有扭转的翻转；(c)准确预测空中时间；以及(d)控制扭转。
关于弹道机器人设计和实验装置，作为对特技动作的探索，发明人构建了9DOF半尺度的人形机器人，他们称之为“特技机器人”。机器人的关节位于颈部、每个肩部、每个髋部、每个膝部、以及躯干中的两个点，如图15中提供的机器人1500所示。每个关节由一个或两个致动器(例如，DynamixelTM伺服机构等)直接驱动，其提供绝对编码器信息以及电流和扭矩感测，如下表I所示。机器人还在每个臂的范围内具有“手“伺服机构，其不驱动关节，而是控制发射线缆接口的释放机构。
表I：特技机器人中使用的关节伺服机构
特技机器人/弹道机器人携带两个机载微处理器，例如带有ESP8266的AdafruitFeather HUZZAH(其用于通信和存储预设值)，以及Teensy 3.6(其用于轮询和存储传感器数据并执行计算)。机器人配备有两个惯性测量单元，其可以是由Vector-NavTM生产的VN100和VN 110，等等。处理器和传感器安装在胸段的后部，与用于动作捕捉的三个反射标记相邻。将伺服机构覆盖在挖空的人形模具的工件中，例如由泡沫制成的模具(例如，BJB企业TC-296聚氨酯泡沫等)。然后，将其用氨纶制成的外衣覆盖。弹道机器人还配备了LED带，以直观地指示控制固件中的事件。机器人的臂向人偶的中心线弯曲，便于抓住发射机构。臀部略微张开以允许腿部在矢状和横向平面中移动，以允许更直接地控制两个平面中的偏转。
作为所采用的实验装置的概述，基本实验装置或系统1200在图12中示出。如图所示，机器人1500通过其脚部附接到地面/支撑体1240上的地面站，并且通过其手部附接到线缆系统1210的端部1211，线缆系统1210通过滑轮1214和1216布线到配重1212。在从地面/支撑体1240上的地面站释放后，机器人1500沿着发射轨迹或路径1220向前和向上推进，直到其从线缆系统1210的端部1211释放。然后，机器人1500遵循弹道轨迹或空中飞行路径1230，在此期间控制/操作机器人1500以改变其姿态以实现期望的性能标准并达到期望的着陆配置。弹道轨迹1230终止于捕捉网1250，其使机器人1500减速。
具有配重的发射提供了在长距离上的相对平缓的加速，允许机器人1500安全且重复地发射。这非常相近地模仿空中飞人(trapeze)发射，但是通过额外的能量助推允许机器人1500从地板1240上的发射场地发送到显著高度(例如，几乎到图12中未示出的天花板)，这给机器人1500提供了如图所示的进行操纵的最大可能时间。地面安装的发射点还允许机器人1500被控制/操作以准备从地平面发射，这与钟摆发射相比是重要的便利。
关于地面站，图14A和14B示出了处于两个操作状态(机器人捕捉和机器人释放)的地面站1410，并且，地面站1410被示出为包括机器人1500上的钩环1412、快速释放闩锁1414和致动器/螺线管1416。机器人1500(或更具体地，其脚部经由钩环1412)首先如图14A所示附接到两个快速释放闩锁/夹具1414，其例如经由横杆(whletletree)机构安装到地面1240。在腿长略有不同的情况下，横木机构可确保两脚之间的均匀负载，并适应释放定时同步中的小误差。释放装置1414由单独的螺线管1416驱动，并且螺线管1416由机器人的微处理器独立供电和控制。为了实现这一点，机器人1500经由可磁性释放的USB脐带(umbilical)附接到螺线管的驱动电子设备。当这些螺纹管1416致动时，闩锁1414释放机器人1500的脚部，并且配重-机器人系统的动力学向前和向上发射机器人1500，从而切断磁连接。
关于线缆1210和配重1212，机器人的手部附接到线缆1210的端部1211(例如，由3/16英寸Technora 12TM等形成的线缆)。线缆1210被布置成延伸到滑轮1216，滑轮1216在地面/地板1240上方的空中在一定距离安装，例如在空中约14英尺，然后线缆1210在机器人1500后面行进回到另一个更高安装(例如，安装在天花板上)的滑轮1214。然后，线缆1210从该滑轮1214向下延伸并附接到配重1212(例如，40磅的重量)。
图13示出了用于系统1200的手部-线缆接口1310的一个有用实施例。机器人1500的手部伺服机构1312驱动销1314，其在发射线缆1210的端部1211处与环1316(例如，3/16英寸Technora 12TM等)对接，如图13所示。这种两级附接过程保证了机器人1500将从绳索/线缆1210释放，即使其中一个伺服机构1312不能激活或相对于其对称部不对称地激活。在其弹道轨迹1230的端部，机器人1500着陆在可由氨纶(spandex)或其他类似弹性材料制成的大型捕捉网1250中。网1250可以经由诸如弹力绳(bungee cord)的弹性元件附接到金属(例如，钢或类似物)框架。测试中发现的典型减速度在50m/s2的量级。下表II提供了发明人原型设计的特技机器人或弹道机器人的一些物理特性。
表II：原型设计的弹道机器人的物理特性
现在转到发射动力学的讨论，一旦从地面站释放，线缆1210在机器人的手上在第一滑轮1216的方向上施加力。该力的确切值取决于作用在配重1212和机器人1500上的惯性和重力效应。如果机器人1500没有转动惯量，则质心将与该力成直线，并且机器人1500的旋转速度将与线缆1210的旋转速度相匹配，线缆1210用作可变长度的钟摆。这自然会导致某种后空翻。在实践中，在整个实验过程中将机器人1500保持在平面布局状态中仅产生这样的旋转，随着机器人的实际转动惯量导致其角速度交替滞后并引导线缆1210的旋转，具有一些小的偏差。
当仍然附接到线缆1210时，机器人1500可以近似为附接到较大钟摆的钟摆。通过致动机器人1500以执行泵送，机器人1500可以改变其角速度。发明人开发了一种简单的泵送模型1600，如图16所示。机器人1500在模型1600中表示为双连杆对象(具有两个连杆1610、1612)，其经由组件的顶部的销关节1620连接到世界。扭矩T可以施加在两个连杆1610、1612之间，从而引起旋转。以下等式可用于确定系统的运动：
将其馈送到数字模拟器中允许发明人评估通过泵送将能量注入系统的最有利时间，在一个实施例中，目标是幅度的最大可能变化率。具有曲线图1700、1810、1820和1830的图17和18示出了这些实验的结果，结论是泵送的最有效时间是当系统的角动量过零时。
转到弹道机器人系统中的感测，杂技表演涉及在适当的时间为机器人1500实现指定的姿态。在视觉和实践方面，着陆时的姿态和取向通常是最重要的。在视觉上，以适当的取向着陆表示操作按计划进行。实际上，复杂的机器人在撞击时将具有一组姿态和取向，这些姿势或多或少会对结构造成损害。由于这个原因，以有助于人们在着陆时预测其姿态和取向的方式来感测机器人的运动是至关重要的。
这涉及预测取向随时间的演变并预测撞击前预期的时间量。前者是以下讨论的主要调查领域，但如果也能很好地预测后者，那么它只会变得可行。最初，可能有用的是，讨论一种有用的方法来预测发明人使用的撞击时间。如果忽略空气动力学效应，则一旦机器人从发射设备脱离，则质心的弹道运动是非常可预测的。然后问题减少到估计质心的垂直位置和速度。
可以使用各种方法来解决该估计问题。例如，外部运动捕捉系统可以用于提供高分辨率位置估计，然后可以通过某种无线连接将其传输给机器人。放置标记变得有些具有挑战性，因为机器人在很大范围的线性位置上呈现出宽范围的姿态和取向。从激光器到超声波的各种飞行时间传感器可以安装在机器人上，以估计其高于地面的高度。如果运动发生在受控环境中，则可以将信标(beacon)放置在已知位置以实现位置的三角测量。由于发射和飞行的时间相当短，惯性航位推算解决方案也是有用的选择。为了帮助选择合适的传感器，可以定义飞行时间估计中的误差的目标。如果机器人以每秒几转的速度旋转，并且希望将速度控制在几十度内，则可能需要以10毫秒的量级的精度预测飞行时间。
发明人对探索使用惯性航位推算(inertial dead reckoning)的解决方案感兴趣，因为该系统已经包括用于观察角速度的IMU。为了理解对这种系统的要求，发明人的数值模拟用于预测典型发射的实际加速度和角速度。然后将加速度和角速度转换到本体框架中以产生模拟的理想传感器的输出。通过有意地将偏差和尺度误差添加到该模拟传感器，可以预测对这些非理想性的飞行时间估计的影响。图19用曲线图1900示出了由本体z轴上的加速度计偏差中的模拟误差引起的与预测轨迹的偏离。
在扫描参数空间以预测多个传感器非理想性的影响时，发明人观察到通过改变以下三个传感器产生最大的影响：本体y中的角速率传感器和本体x和z中的加速度传感器。这是因为发射期间的运动和旋转主要发生在本体xz平面中。发明人还观察到，对于所研究的误差范围，每个非理想的影响可以近似为线性效应，如图20的一组曲线图2000所示。
误差也被发现是相当独立的。当单独地应用于y轴速率传感器、x轴加速度计或z轴加速度计时，选择偏差和尺度中的误差以在着陆时间估计中产生1加/减0.01ms的误差。然后将这六种误差类型以所有可能的排列进行组合，得到的最大误差为6.05ms。基于该分析，可以预测可能导致飞行时间估计的必要准确度的感测规范的组合。图21和图22分别以曲线图2100和2200示出了为了可视化目的，在减少的集合上的各种误差组合中的可允许空间。在图21和22中，空心圈点和实心圈点来自全积分的经验扫描，黑色线来自独立的线性近似，而其他点代表评估的传感器规范。
在使用图12的机器人1500和系统1200进行测试/实验期间，发明人评估了三个传感器：(1)BNO055；(2)VN-100，以及(3)VN-110。最直接映射到偏差的规范是运行中偏置稳定性和批次控制偏差变化。为了获得最坏情况性能的感测，模型噪声可以被积极地建模为等于感兴趣频率下的信号的标准差的偏差。对于尺度误差，线性度的规范是相关的度量。每个评估的传感器的规范绘制在图21和22的约束曲线图2100和2200上。尽管VN-110具有最小的预测误差，但所有三个传感器都预测陀螺仪性能在目标公差内。对于加速度计性能，只有VN-110落入发明人的理想极限范围内。
在大多数MEMS传感器中，由于制造问题，z轴比x轴和y轴更嘈杂且更不一致。由于重要的加速轴是本体x和z轴，所以传感器可以优选地定向成使得传感器z轴沿着本体y轴指向。这意味着最不可靠的陀螺仪轴用于测量最重要的旋转轴，但是，如上所述，来自陀螺仪的预测误差远小于由加速度计引起的预测误差。一旦知道传感器的位置，就计算出质心的位置。由于质心位置随着机器人配置的变化而变化，这既涉及准确的编码器信息，也涉及机器人的质量分布的知识。
一旦选择了传感器，发明者在其机器人1500的原型中将传感器安装到测试台并将其多次发射。发明人发现，通过允许装置在发射之前保持静止几十秒以允许内部重力矢量估计稳定，性能得到了改善。在图23的曲线图2300中示出了一组八次发射(与经由Opti-track运动捕捉系统获得的地面实况数据相比)，其中，VN-110用于惯性航位推算。预测的着陆时间的平均误差为40ms，标准差为10ms。
关于翻转控制，一旦准确地估计出空中时间，就实施简单的控制器来管理着陆位置。在一个原型设计的控制器中使用以下算法：(a)通过将核心的纵向轴线投影到运动平面上并相对于垂直方向取其角度来计算机器人的取向；(b)将当前角速度乘以空中剩余的预测时间，并将结果加到当前取向中以估计最终姿态；(c)如果预测的最终姿态旋转超过目标姿态，则将机器人的肢体向完全布局位置延伸；以及(d)如果预测的最终姿态达不到目标姿态，则将机器人的肢体向紧密折叠位置缩回。在实践中，发明人能够使用该算法来实现着陆取向，由于着陆时间计算中的一致误差，标准差约为10度，恒定偏差约为45度。
关于扭转控制，机器人1500的物理原型包括多个移动构件，其移动以改变其惯性。模拟机器人在空中旋转时的运动的一种方法是将其视为具有可变惯性的刚性体。这种简化降低了所得到的3D运动方程的复杂性，但包括与传统公式不同的惯性项。忽略空气动力，自由落体中的本体将保持其角动量如下：
其中，是围绕其质心的本体惯性矩阵，且NωB是其角速度矢量。
区分角动量产生：
从公式(9)，可以用3D模拟机器人的行为，并预测惯性变化对机器人的取向的影响。例如，对于经历围绕x轴的简单旋转的刚性体，运动方程变为这里，Ixx是惯性的导数。Ixx是当前的惯性，其可以表示为其中Ixx,0是恒定的初始惯量，而t是时间。发明人将该公式与机器人的扭转行为的实际结果进行了比较，并发现其具有信息性。可以基于该方法配置机器人的控制器。在某些情况下，可能有用的是，命令机器人(例如图15的机器人1500)以假设预定的不对称姿态来查看可用的控制权限的量。
使用经验微调，发明人用他们的机器人1500的原型能够实现没有扭转的着陆，以及在他们期望的任一方向上具有半扭转。利用图12的系统1200进行测试，发现机器人1500可以控制为进行前翻转、后翻转和不反转，与泵送模型的趋势一致。进一步发现，使用适当指定的传感器可以准确地预测在空中的时间。另外，已经证明，机器人可以经由致动配置控制在两个方向上扭转。更进一步地，发明人确定，机器人/特技机器人可以在钟摆上和离开钟摆后两者使用控制，从而在弹道轨迹上执行一系列不同的特技之后，按照特技/表演设计师希望的降落的方式降落。
尽管已经以一定程度的特殊性描述和说明了本发明，但是应该理解，本公开仅通过示例的方式进行，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以采用部件组合和布置的多种变化，如本文所要求保护的。

Claims (25)

1.一种弹道机器人系统，包括：
机器人，其包括控制器、机载传感器、支撑所述控制器和机载传感器的本体、以及配置为由所述控制器致动的至少一个部件；
捕捉系统，其具有着陆表面；以及
发射机构，其与所述着陆表面间隔开一横向距离，其中，所述发射机构操作为首先在发射前过程阶段期间支撑所述机器人，在发射前过程阶段期间提供能量给所述机器人的本体，并且然后将所述机器人的本体作为弹道体以轨迹发射，所述轨迹限定与所述着陆表面交叉的飞行路径，
其中，当在所述飞行路径上飞行时，所述控制器处理由所述机载传感器收集的数据，并且作为响应生成控制信号以引起所述至少一个部件的致动，使得所述本体在与所述着陆表面撞击之前执行预定义的受控运动。
2.如权利要求1所述的系统，其中，在所述飞行路径上飞行期间，适配并定时所述预定义的受控运动，以使所述本体具有在与所述着陆表面撞击时的预定义的着陆角度、预定义的姿态或预定义的取向。
3.如权利要求2所述的系统，其中，对由所述控制器收集的数据的处理包括计算与所述着陆表面撞击之前的角速度和剩余时间。
4.如权利要求2所述的系统，其中，所述至少一个部件配置为在折叠配置和展开配置之间移动所述本体，且其中，所述预定义的受控运动是在与所述着陆表面撞击之前从所述折叠配置到所述展开配置的移动。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述机载传感器包括惯性测量单元(IMU)和至少一个测距仪，且其中，所述控制器处理由所述机载传感器收集的数据，以确定所述本体在所述飞行路径上时的当前角速度和当前高度。
6.如权利要求5所述的系统，还包括非机载传感器，其将收集的数据传送给所述控制器以进行处理，以确定所述本体在所述飞行路径上的当前位置，其中，所述当前位置用于确定触发所述控制信号的定时，且其中，所述非机载传感器包括以下至少一个：运动捕捉系统；泛光灯，其提供由所述本体上或中的第一光传感器接收的偏振光；以及激光器，其提供由所述本体上或中的第二光传感器接收的光束或光平面。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个部件包括惯性移动组件，其响应于所述控制信号操作移动所述本体的惯性矩。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个部件包括所述本体的致动器和可定位的附件或连杆，且其中，所述预定义的受控运动包括移动所述附件或所述连杆而改变所述本体围绕至少一个轴线的自旋。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述发射机构包括具有长形钟摆构件的钟摆组件，其中，所述机器人的本体与所述长形钟摆构件的端部可拆卸地联接，且其中，所述钟摆组件是基于重力的或被通电以在启动所述发射时达到预定义的速度。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述控制器在所述发射前过程阶段操作以生成第二控制信号来引起所述至少一个部件的致动，以使得所述本体在所述轨迹上发射所述本体之前以第二预定义的受控运动移动。
11.如权利要求10所述的系统，其中，所述第二控制信号由所述控制器在所述发射前过程阶段中在所述长形钟摆构件的初始移动之后的预定义时间生成，且其中，所述第二预定义的受控运动适于使所述本体在所述飞行路径上围绕至少一个轴线以预定义的方式自旋。
12.如权利要求11所述的系统，其中，所述至少一个部件配置为在折叠配置和展开配置之间移动所述本体，且其中，所述第二预定义的受控运动是在从所述发射机构发射之前从所述展开配置到所述折叠配置的移动。
13.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个部件包括可致动元件，用于改变所述机器人的本体的一个或多个外表面的空气动力学特性，以启动所述预定义的受控运动。
14.如权利要求1所述的系统，还包括飞行中助推器系统，其位于所述发射机构和所述捕捉系统之间，且操作为当所述机器人在所述飞行路径上飞行时或在与所述着陆表面撞击之前，向所述机器人的本体增加或移除能量，由此改变所述机器人的轨迹。
15.一种弹道机器人系统，包括：
机器人，其包括本体、安装在所述本体上的控制器、设置在所述本体上的包括IMU和至少一个测距仪的机载传感器、以及配置为响应于所述控制器的控制信号致动的部件；
捕捉系统，其具有着陆表面；以及
发射机构，其在轨迹上发射所述机器人的本体，所述轨迹限定飞行路径以在所述着陆表面上着陆，
其中，当在所述飞行路径上飞行时，所述控制器处理由所述机载传感器收集的数据，并且作为响应生成控制信号以引起所述部件的致动，以使得附件、连杆或内部配重从第一位置移动到第二位置，由此，所述本体在撞击所述着陆表面之前以预定义的受控运动在所述飞行路径上运动，
其中，在所述飞行路径上飞行期间，适配并定时预定义的受控运动，以使所述本体具有在与所述着陆表面撞击时的预定义的着陆角度、预定义的姿态或预定义的取向，并且
其中，对由所述控制器收集的数据的处理包括计算与所述着陆表面撞击之前的角速度和剩余时间。
16.如权利要求15所述的系统，其中，所述至少一个部件配置为在折叠配置和展开配置之间移动所述本体，且其中，所述预定义的受控运动是在与所述着陆表面撞击之前从所述折叠配置到所述展开配置的移动。
17.如权利要求15所述的系统，其中，所述机载传感器包括惯性测量单元(IMU)和至少一个测距仪，其中所述控制器处理由所述机载传感器收集的数据以确定所述本体在所述飞行路径上时的当前角速度和当前高度，其中，所述系统还包括非机载传感器，其将收集的数据传送给所述控制器以进行处理，来确定所述本体在所述飞行路径上的当前位置，其中，所述当前位置用于确定触发所述控制信号的定时，且其中，所述非机载传感器包括以下至少一个：运动捕捉系统；泛光灯，其提供由所述本体上或中的第一光传感器接收的偏振光；以及激光器，其提供由所述本体上或中的第二光传感器接收的光束或光平面。
18.一种弹道机器人系统，包括：
机器人，其包括控制器、机载传感器、以及配置为由所述控制器致动的至少一个部件；以及
发射机构，其操作为首先在发射前过程阶段期间支撑所述机器人，在所述前过程阶段期间将能量赋予所述机器人，并且然后在限定飞行路径的轨迹上发射所述机器人的本体，
其中，当在所述飞行路径上飞行时，所述控制器处理由所述机载传感器收集的数据，并且作为响应生成控制信号以引起所述至少一个部件的致动，使得所述本体在与着陆表面撞击之前执行预定义的受控运动，
其中，所述发射机构包括具有长形钟摆构件的钟摆组件，
其中，所述机器人的本体与所述长形钟摆构件的端部可拆卸地联接，
其中，所述控制器在所述发射前过程阶段期间操作以生成第二控制信号以引起所述至少一个部件的致动，以使得在所述轨迹上发射所述本体之前，所述本体以第二预定义的受控运动移动，并且
其中，所述第二预定义的受控运动适于使所述本体在所述飞行路径上围绕至少一个轴线以预定义的方式自旋。
19.如权利要求18所述的系统，其中，在所述飞行路径上飞行期间，适配并定时所述预定义的受控运动，以使所述本体具有在与所述着陆表面撞击时的预定义的着陆角度、预定义的姿态或预定义的取向。
20.如权利要求19所述的系统，其中，所述至少一个部件配置为在折叠配置和展开配置之间移动所述本体，且其中所述预定义的受控运动是在与所述着陆表面撞击之前从所述折叠配置到所述展开配置的移动。
21.如权利要求18所述的系统，其中，所述机载传感器包括惯性测量单元(IMU)和至少一个测距仪，且其中所述控制器处理由所述机载传感器收集的数据以确定所述本体在所述飞行路径上时的当前角速度和当前高度。
22.如权利要求21所述的系统，还包括非机载传感器，其将收集的数据传送给所述控制器以进行处理，来确定所述本体在所述飞行路径上的当前位置，其中所述当前位置用于确定触发所述控制信号的定时，且其中所述非机载传感器包括以下至少一个：运动捕捉系统；泛光灯，其提供由所述本体上或中的第一光传感器接收的偏振光；以及激光器，其提供由所述本体上或中的第二光传感器接收的光束或光平面。
23.如权利要求18所述的系统，其中，所述至少一个部件包括惯性移动组件，其响应于所述控制信号操作而移动所述本体的惯性矩。
24.如权利要求18所述的系统，其中，所述至少一个部件包括所述本体的致动器和可重新定位的附件或连杆，且其中所述预定义的受控运动包括移动所述附件或所述连杆以改变所述本体围绕至少一个轴线的自旋。
25.如权利要求18所述的系统，其中，所述至少一个部件配置为在折叠配置和展开配置之间移动所述本体，且其中，所述第二预定义的受控运动是在从所述发射机构发射之前从所述展开配置到所述折叠配置的移动。
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