CN110696944A - 一种仿生机器人的腿部远程控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种仿生机器人的腿部远程控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种仿生机器人的腿部远程控制系统及其控制方法，腿部远程控制系统包括腿部控制总成和腿部机械总成；腿部控制总成上设置有用于感应操作员大腿动作的大腿传感模块和/或用于感应操作员小腿动作的小腿传感模块和/或用于感应操作员脚掌动作的脚掌传感模块、及控制器通信模块；大腿传感模块和/或小腿传感模块和/或脚掌传感模块通信连接控制器通信模块；腿部机械总成上设置有机器人通信模块、电动推拉杆、及控制主板；控制主板根据姿态数据控制电动推拉杆工作；机器人通信模块与控制器通信模块通信连接，使腿部控制总成与腿部机械总成实现沟通互联。本仿生机器人的腿部远程控制系统控制方式灵活、可适用于不同地形、操作便捷。

Description

一种仿生机器人的腿部远程控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种机器人，具体是一种仿生机器人的腿部远程控制系统及其控制方法。
背景技术
市场上现有的腿部机械总成的远程控制行走是经过电脑编程控制方式实现，其普遍有以下两种控制方式：一、遥控器方式，机器人根据遥控器发出的指令来完成动作，通过遥控器上的各种操作按键和/或编程键等进行动作编程，编程完成后可以进行基本功能操作和动作回放，本控制方式操作十分麻烦，操作员需要接受控制培训，尽管如此控制难度还是比较大；二、计算机控制方式，由于腿部机械总成的结构复杂，导致控制过程繁琐，需要用精准的算法来编辑机器人行走的轨迹和步伐的大小，但所有动作都是由计算机来控制完成，形成动作的局限性，不能更好地发挥机器人作用，因此不能适应不同地形，且远程控制环境要求也非常高。
因此，需要进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，而提供一种仿生机器人的腿部远程控制系统及其控制方法，其控制方式灵活、可适用于不同地形、操作便捷。
本发明的目的是这样实现的：
一种仿生机器人的腿部远程控制系统，其特征在于：包括佩戴于操作员上的腿部控制总成和设置于仿生机器人上的腿部机械总成；所述腿部控制总成上设置有用于感应操作员大腿动作的大腿传感模块和/或用于感应操作员小腿动作的小腿传感模块和/或用于感应操作员脚掌动作的脚掌传感模块、及控制器通信模块；所述大腿传感模块和/或小腿传感模块和/或脚掌传感模块通信连接控制器通信模块；所述腿部机械总成上设置有机器人通信模块、用于驱动腿部机械总成完成不同动作的电动推拉杆、及用于向电动推拉杆发送推拉指令的控制主板；所述控制主板根据来自腿部控制总成的姿态数据控制电动推拉杆工作；所述机器人通信模块与控制器通信模块通信连接，使腿部控制总成与腿部机械总成实现沟通互联。
所述腿部控制总成包括佩戴于操作员大腿位置的大腿控制器和/或佩戴于操作员小腿位置的小腿控制器和/或佩戴于操作员脚掌位置的脚掌控制器；所述大腿传感模块设置于大腿控制器上；所述小腿传感模块设置于小腿控制器上；所述脚掌传感模块设置于脚掌控制器上；所述控制器通信模块设置于大腿控制器、小腿控制器或脚掌控制器上。
所述腿部机械总成包括机器人大腿和机器人小腿；所述电动推拉杆包括用于驱动机器人大腿活动的大腿推拉杆和用于驱动机器人小腿活动的小腿推拉杆，大腿推拉杆和小腿推拉杆分别受控于控制主板。
所述腿部机械总成上设置有用于确定电动推拉杆初始位置的机器人传感模块，机器人传感模块受控于控制主板。
所述腿部机械总成上设置有用于拍摄腿部机械总成周围环境的摄像模块，摄影模块通信连接控制主板；所述机器人通信模块通信连接有用于播报摄像模块拍摄画面的显示屏。
上述腿部远程控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤
（1）操作员佩戴腿部控制总成，启动腿部机械总成，确保腿部控制总成与腿部机械总成相互沟通互联；
（2）操作员腿部做动作，大腿传感模块感应操作员大腿的角度变化和/或小腿传感模块感应操作员小腿的角度变化和/或脚掌传感模块感应操作员脚掌的角度变化；大腿传感模块和/或小腿传感模块和或脚掌传感模块根据感应的角度变化生成相应的姿态数据；
（3）控制主板接收来自腿部控制总成的姿态数据，并通过算法计算出与姿态数据对应的推拉指令；
（4）控制主板将推拉指令发送至相应的电动推拉杆上，以控制相应的电动推拉杆根据推拉指令要求的推拉距离工作，使腿部机械总成做出相应动作。
所述腿部机械总成上设置有用于存储推拉指令的储存模块，操作员可随时调取储存模块中的推拉指令。
所述腿部远程控制系统还包括用于存储推拉指令的云端服务器，操作员可随时调取云端服务器中的推拉指令。
本发明的有益效果如下：
通过腿部控制总成可对腿部机械总成实现远程行走控制，其通过传感模块直接感应操作员的腿部动作并将其转换成姿态数据，控制主板根据姿态数据控制机器人腿部做出相应动作；本控制系统根据操作员的动作实时控制腿部机械总成，操作员无需进行相关控制培训，且操作十分简单便捷。腿部控制总成包括大腿控制器、小腿控制器和脚掌控制器，各控制器的佩戴方便，体积小巧，能够减少操作员身上控制器的数量及控制器带来的负载，因此可灵活操作腿部机械总成，仿生使机器人的行走动作更接近人类腿部动作，动作准确性更高，同步性更强，以更好的适应全部地形，与传统的履带式机器人、轮式机器人相对，本双足式机器人在面对各种障碍物时，适应性更强，操作更方便，进而可进入危险地进行搜救或救援等工作，因此具备本腿部远程控制系统的腿部机械总成可广泛应用于抢险救灾、排雷排爆、地址勘探、娱乐及民用等领域。此外，通过在腿部机械总成上设置摄像模块，以使腿部机械总成周围环境可通过显示屏进行实时播放，以便操作员根据显示屏进行操作，实现远距离操控和远程同步。
附图说明
图1为本发明一实施例的框线图。
图2为本发明一实施例中佩戴好腿部控制总成的操作员的主视图。
图3为本发明一实施例中佩戴好腿部控制总成的操作员的右视图。
图4为本发明一实施例中佩戴好腿部控制总成的操作员的左视图。
图5为本发明一实施例中操作员抬脚动作的右视图。
图6为本发明一实施例中腿部机械总成抬脚动作的右视图。
图7为本发明一实施例中操作员抬脚动作的主视图。
图8为本发明一实施例中腿部机械总成抬脚动作的主视图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
参见图1-图8，本仿生机器人的腿部远程控制系统，包括佩戴于操作员腿部的腿部控制总成和设置于仿生机器人上的腿部机械总成，腿部控制总成与腿部机械总成沟通互联；腿部控制总成配合操作员的左右腿设置两套，腿部机械总成左右对称的设置两套；本实施例的腿部控制总成上设置有用于感应操作员大腿动作的大腿传感模块、用于感应操作员小腿动作的小腿传感模、用于感应操作员脚掌动作的脚掌传感模块、及控制器通信模块，大腿传感模块、小腿传感模块和脚掌传感模块分别通信连接控制器通信模块；腿部机械总成上设置有机器人通信模块、用于驱动腿部机械总成完成不同动作的电动推拉杆、及用于向电动推拉杆发送推拉指令的控制主板（本实施例的控制主板为STM32控制主板），控制主板根据来自腿部控制总成的姿态数据控制电动推拉杆工作；机器人通信模块与控制器通信模块通信连接，使腿部控制总成与腿部机械总成实现沟通互联，彼此间以5.8G信号（4G通信、蓝牙或WIFI等）进行通信。
进一步地，腿部控制总成包括佩戴于操作员大腿位置的大腿控制器1、佩戴于操作员小腿位置的小腿控制器2和佩戴于操作员脚掌位置的脚掌控制器3；大腿传感模块设置于大腿控制器1上；小腿传感模块设置于小腿控制器2上；脚掌传感模块设置于脚掌控制器3上；控制器通信模块设置于大腿控制器1上，控制器通信模块用于接收大腿传感模块、小腿传感模块和脚掌传感模块的体感信号，并将各体感信号整合成腿部的姿态数据，随后将腿部的姿态数据发送到腿部机械总成的机器人通信模块上。
进一步地，腿部机械总成包括机器人大腿和机器人小腿，机器人大腿、机器人小腿和机器人脚掌共同组成机器人腿部总成；电动推拉杆包括用于驱动机器人大腿活动的大腿推拉杆7和用于驱动机器人小腿活动的小腿推拉杆8，大腿推拉杆7和小腿推拉杆8分别受控于控制主板。机器人通信模块接收姿态数据，并将姿态数据发送至控制主板上，由控制主板进行数据分析处理，继而控制相应的推拉杆伸缩，通过对不同部位的推拉杆进行伸缩控制实现对机器人腿部总成的控制。
进一步地，腿部机械总成上设置有用于确定电动推拉杆初始位置的机器人传感模块，机器人传感模块受控于控制主板。机器人传感模块接收来自控制主板的信号，以确定初始位置；具体是，要确定初始位置，腿部机械总成上的大腿推拉杆7和小腿推拉杆8都会在一个初始位置，这个位置的电动推拉杆处于未完全伸展或未完全收缩的状态，但又可以让仿生机器人平稳地站立起来；电动推拉杆的这个状态要先与穿戴好的各控制器配对好，如果控制器穿戴不正确，位置会相差甚远，系统便会提示要重新正确穿戴各控制器，但无论如何偏差还是会存在的，所以在配对初始位置时，系统便会把偏差因素设定为一个参数并加入算法，使往后的动作受初始状态偏差的影响减致最低。
进一步地，腿部机械总成上设置有用于拍摄腿部机械总成周围环境的摄像模块，摄影模块通信连接控制主板；机器人通信模块通信连接有用于播报摄像模块拍摄画面的显示屏。操作员通过显示屏可实时观察腿部机械总成周围的环境，进而方便操作员进行远程控制。
进一步地，腿部机械总成包括大腿组件、小腿组件、活动式连接大腿组件和小腿组件的中关节座10、及活动式连接小腿组件的脚踝组件；
大腿组件包括大腿后连接件9、大腿前连接件15和大腿推拉杆7；大腿推拉杆7设置两组，且左右对称布局；当两大腿推拉杆7同时伸长时，大腿组件就会向前摆；当两大腿推拉杆7同时缩短时，大腿组件就会向后摆；当左侧的大腿推拉杆7伸长、而右侧的大腿推拉杆7缩短时，大腿组件就会向左摆；当右侧的大腿推拉杆7伸长、而左侧的大腿推拉杆7缩短时，大腿组件就会向右摆；大腿推拉杆7顶端铰接仿生机器人躯体；大腿推拉杆7底端活动式连接大腿前连接件15；大腿后连接件9顶端和大腿前连接件15顶端分别铰接仿生机器人躯体；
小腿组件包括小腿后连接件11、小腿前连接件12和小腿推拉杆8；小腿推拉杆8设置两组，且左右对称布局；当两小腿推拉杆8同时伸长时，大腿组件就会向前摆；当两小腿推拉杆8同时缩短时，大腿组件就会向后摆；当左侧的小腿推拉杆8伸长、而右侧的小腿推拉杆8缩短时，大腿组件就会向左摆；当右侧的小腿推拉杆8伸长、而左侧的小腿推拉杆8缩短时，大腿组件就会向右摆；小腿推拉杆8一定程度可控制脚踝组件的角度，以使仿生机器人行走顺畅、稳定；大腿后连接件9底端和大腿前连接件15底端分别铰接中关节座10；小腿后连接件11顶端和小腿前连接件12顶端分别铰接中关节座10；小腿推拉杆8顶端铰接小腿前连接件12；
脚踝组件包括脚踝连接座16、及活动式连接脚踝连接座16的脚踝底座19；小腿后连接件11底端和小腿前连接件12底端分别铰接脚踝连接座16；小腿推拉杆8底端铰接脚踝底座19；
本腿部机械总成采用电动推拉杆代替传统机器人使用的舵机，用相同行程的推拉杆来控制腿部的运动，保证了腿部的轻质和简便，支架不易变形，利于仿生机器人的行走；每套腿部机械总成由四个电动推拉杆来控制，可以做到一些相对动作角度的动作和不同的脚步运动，有着良好的自由度，动作自如、稳定度高，能够实现机器人的双足行走和相关动作，令步态更接近人类正常行走时的步态，运动过程中不会失去重心；由于使用的是电动的推拉杆，所以当仿生机器人突然失电时，仿生机器人会保持断电时的动作，不会因为没有电而失去平衡突然倒下，平常不使用时可稳定的维持着静止的站立动态，保证人们的人生安全。
上述腿部远程控制系统的控制方法包括以下步骤
（1）操作员佩戴腿部控制总成，启动腿部机械总成，确保腿部控制总成与腿部机械总成相互沟通互联；必要时需要确定初始位置，使电动推拉杆的状态与腿部控制总成配对好；
（2）操作员腿部做动作，大腿传感模块感应操作员大腿的角度变化和/或小腿传感模块感应操作员小腿的角度变化和/或脚掌传感模块感应操作员脚掌的角度变化；大腿传感模块和/或小腿传感模块和或脚掌传感模块根据感应的角度变化生成一组唯一对应的姿态数据（如：操作员提起大腿，大腿控制器1的大腿传感模块会感应到是由垂直角度变成水平角度，并将角度变化通过控制器通信模块传送到控制主板上）；
（3）控制主板接收来自腿部控制总成的姿态数据，并通过算法计算出与姿态数据对应的推拉指令；
（4）控制主板将推拉指令发送至相应的电动推拉杆上，以控制相应的电动推拉杆根据推拉指令要求的推拉距离工作，使腿部机械总成做出相应动作。
进一步地，腿部机械总成上设置有用于存储推拉指令的储存模块，操作员可随时调取储存模块中的推拉指令。
进一步地，腿部远程控制系统还包括用于存储推拉指令的云端服务器，操作员可随时调取云端服务器中的推拉指令。
上述为本发明的优选方案，显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种仿生机器人的腿部远程控制系统，其特征在于：包括腿部控制总成和腿部机械总成；所述腿部控制总成上设置有用于感应操作员大腿动作的大腿传感模块和/或用于感应操作员小腿动作的小腿传感模块和/或用于感应操作员脚掌动作的脚掌传感模块、及控制器通信模块；所述大腿传感模块和/或小腿传感模块和/或脚掌传感模块通信连接控制器通信模块；所述腿部机械总成上设置有机器人通信模块、用于驱动腿部机械总成完成不同动作的电动推拉杆、及用于向电动推拉杆发送推拉指令的控制主板；所述控制主板根据来自腿部控制总成的姿态数据控制电动推拉杆工作；所述机器人通信模块与控制器通信模块通信连接，使腿部控制总成与腿部机械总成实现沟通互联。
2.根据权利要求1所述的仿生机器人的腿部远程控制系统，其特征在于：所述腿部控制总成包括佩戴于操作员大腿位置的大腿控制器和/或佩戴于操作员小腿位置的小腿控制器和/或佩戴于操作员脚掌位置的脚掌控制器；所述大腿传感模块设置于大腿控制器上；所述小腿传感模块设置于小腿控制器上；所述脚掌传感模块设置于脚掌控制器上；所述控制器通信模块设置于大腿控制器、小腿控制器或脚掌控制器上。
3.根据权利要求2所述的仿生机器人的腿部远程控制系统，其特征在于：所述腿部机械总成包括机器人大腿和机器人小腿；所述电动推拉杆包括用于驱动机器人大腿活动的大腿推拉杆（7）和用于驱动机器人小腿活动的小腿推拉杆（8），大腿推拉杆（7）和小腿推拉杆（8）分别受控于控制主板。
4.根据权利要求2所述的仿生机器人的腿部远程控制系统，其特征在于：所述腿部机械总成上设置有用于确定电动推拉杆初始位置的机器人传感模块，机器人传感模块受控于控制主板。
5.根据权利要求1所述的仿生机器人的腿部远程控制系统，其特征在于：所述腿部机械总成上设置有用于拍摄腿部机械总成周围环境的摄像模块，摄影模块通信连接控制主板；所述机器人通信模块通信连接有用于播报摄像模块拍摄画面的显示屏。
6.如权利要求1所述腿部远程控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤
(1)操作员佩戴腿部控制总成，启动腿部机械总成，确保腿部控制总成与腿部机械总成相互沟通互联；
(2)操作员腿部做动作，大腿传感模块感应操作员大腿的角度变化和/或小腿传感模块感应操作员小腿的角度变化和/或脚掌传感模块感应操作员脚掌的角度变化；大腿传感模块和/或小腿传感模块和或脚掌传感模块根据感应的角度变化生成相应的姿态数据；
(3)控制主板接收来自腿部控制总成的姿态数据，并通过算法计算出与姿态数据对应的推拉指令；
(4)控制主板将推拉指令发送至相应的电动推拉杆上，以控制相应的电动推拉杆根据推拉指令要求的推拉距离工作，使腿部机械总成做出相应动作。
7.根据权利要求6所述腿部远程控制系统的控制方法，其特征在于：所述腿部机械总成上设置有用于存储推拉指令的储存模块，操作员可随时调取储存模块中的推拉指令。
8.根据权利要求6所述腿部远程控制系统的控制方法，其特征在于：所述腿部远程控制系统还包括用于存储推拉指令的云端服务器，操作员可随时调取云端服务器中的推拉指令。
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