CN111142523B - 一种轮腿式移动机器人运动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轮腿式移动机器人运动控制系统，由意识层、协调层、反射层和结构层四部分组成。意识层的作用是感知环境变化、路径规划以及接收运动指令；协调层的作用是解算各轮、腿的行为参数和动作序列，协同各轮、腿共同动作；反射层根据力检测单元和扭矩测量单元测得的力和力矩信息，通过轮地接触力估计模型进行计算得到轮地接触力信息，并向驱动单元发出相应的驱动指令，以使滚轮与地面保持支撑力和摩擦力。结构层的作用是根据反射层传递来的驱动信号进行作动，调整轮地接触力，保持机身运动的平稳性。机器人运动控制系统适应多种复杂非结构化地形，同时保证机器人运动的快速、平稳性，提高机器人的机动能力和作业效率。
Description
技术领域
本发明涉及机器人及自动控制技术领域，具体地说，涉及一种轮腿式移动机器人运动控制系统，以及基于轮地接触力感知再分配的轮腿式移动机器人运动控制方法。
背景技术
随着机器人技术的飞速发展，移动机器人已经广泛运用于军事、工业、农业、医疗、救援诸多领域。轮腿移动机器人不仅具备轮式移动机器人的高机动性，而且相比于传统的轮式或履带式移动机器人，具有更强的地形适应能力，尤其是在不规则的复杂地形上。此外，轮腿式移动机器人在跨越复杂地形的同时，能够保证机身运动的平稳性，这样将使得安装在机身上的任务载荷不受运动干扰，大大提高作业效率。目前很多履带式移动机器人虽然能一定程度上适应缓慢变化的地形，但对于突变地形的跨越稳定性就显得不足，也无法保证机身的运动平稳性。
中国专利CN201310264334公开了“一种分步式液压四足机器人控制系统及控制方法”，该控制系统及控制方法是将四足机器人的控制方法分为智能、躯干运动控制以及腿部动力控制三部分，采用分布式结构使其构成一个有机的整体。但该控制系统及控制方法只是针对四足机器人而设计，而非轮腿机器人。
发明专利CN201510784762提出了“一种轮式机器人控制系统”，该控制系统包括中央处理模块、终端执行模块、运动模块、无线通讯及传感器模块。该控制系统应用于轮式机器人，而非带有主动悬架的轮腿式移动机器人。
发明针对多自由度四轮腿式移动机器人设计了一种运动控制系统，以及基于轮地接触力感知再分配的运动控制方法，目的是在适应多种复杂非结构化地形的同时，保证机器人运动的快速、平稳性，提高机器人的机动能力和作业效率。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种轮腿式移动机器人运动控制系统；在适应多种复杂非结构化地形，同时保证机器人运动的快速、平稳性，提高机器人的机动能力和作业效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:运动控制系统由意识层、协调层、反射层和结构层组成，意识层的作用是感知环境变化、路径规划及接收运动指令；协调层的作用是解算各滚轮、腿的行为参数和动作序列，协同各滚轮、腿共同动作；反射层根据力检测单元和扭矩测量单元测得的力和力矩信息，通过轮地接触力估计模型进行计算得到轮地接触力信息，并向驱动单元发出相应的驱动指令，以使滚轮与地面保持支撑力和摩擦力；结构层根据反射层传输的驱动信号进行作动，调整轮地接触力，保持机身运动的平稳性；
所述意识层包括环境信息采集模块、信息综合模块和决策输出模块，环境信息采集模块感知外界环境，实时获取地形信息；信息综合模块将外界环境信息和运动指令信息进行综合分析；决策指令模块则根据外界环境信息进行路径规划，意识层将路径规划信息与三维运动指令输入协调层进行行为解算和协同；
所述协调层包括解算控制器，根据意识层输入的路径规划信息与三维运动指令，进行行为解算，包含滚轮方向协调、轮地接触力协调两方面的协调控制；根据急停、原地转向、半径转向、侧行、斜行、前进与倒退运动要求，对机器人各滚轮转向和滚轮转速进行协调控制；对于不同的地形在运动过程中对滚轮与地面的接触力进行协调控制；
所述反射层包括轮腿机器人各单腿模型中的驱动单元、力检测单元，驱动单元由伺服电机和传动机构组成，力检测单元由各种力和力矩传感器组成，通过在运动过程中实时采集单腿模型中各个关节的力和力矩信息，经过轮地接触力估计模型解算获得滚轮与地面的接触力信息，并对驱动单元发出驱动信号；
所述结构层由单腿机构和被动力调节单元组成，单腿机构为轮腿机器人运动和支撑的主体，被动力调节单元用于减少机器人在非结构化地形中受到的冲击，防止各构件受到损害，结构层直接作用在地形环境中，抵抗外界扰动；其运动控制方法如下:意识层接收三维运动指令，或者通过环境采集模块获取外界环境信息并进行路径规划，向协调层输出滚轮位置信息，经逆运动学计算，得出伺服电机或者直线运动机构驱动单元的运动参数，协调层向反射层发出驱动指令，驱动单元作动使结构层运动；同时，根据单腿机构上安装的力检测单元获取的各驱动力和关节力矩信息，经过接触力估计模型计算得到滚轮与地面的接触力，在保持机身平稳的前提下，与运动稳定模型的理论接触力进行比较，反射层驱动单元持续作动，调整轮腿机器人的轮腿结构，以重新分配轮腿机器人滚轮与地面的接触力，使各滚轮与地面接触力与理论接触力基本相等，使机器人在运动过程中保持机身平稳与运动稳定。
有益效果
本发明提出的一种轮腿式移动机器人运动控制系统，能够适应多种非结构化的地形，如平面、坡面、台阶面、油包卵石面等，同时对于急转弯与负载偏置等外界扰动也能自动适应，提高了机器人在各种复杂环境中的运动及作业能力。
本发明轮腿式移动机器人运动控制系统分为意识层、协调层、反射层和结构层四大部分，各部分完成特定的功能，减少了各部分控制器负载，降低了系统功耗，提高系统效率；同时层与层之间通过信息流进行交互，紧密联系成完整的系统，提高了控制系统的稳定性和可靠性。
本发明轮腿式移动机器人运动控制系统中的控制方法属于反应式力调控方法，根据各关节上安装的力传感器实时采集信息，运用轮地接触力估计方法计算轮地接触力，对接触力进行再分配，同时进行各轮腿的协调控制，能够在适应复杂地形的同时，保证机器人机身平稳，使得安装在机身上的作业系统不受运动干扰，提高其作业效率。
本发明轮腿式移动机器人运动控制系统内各组成部分选择多样，可采用PC机、单片机、NI控制器等作为主控单元，力传感器、扭矩传感器、加速度传感器作为检测单元，伺服电机、电动缸、液压缸等作为驱动单元，可根据实际需要进行选择，具有很强的灵活性和可扩展性。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种轮腿式移动机器人运动控制系统作进一步详细说明。
图1为本发明轮腿式移动机器人运动控制系统原理图。
图2为本发明运动控制系统的控制方法原理图。
具体实施方式
本实施例是一种轮腿式移动机器人运动控制系统。
参阅图1、图2，本实施例轮腿式移动机器人运动控制系统，由意识层、协调层、反射层和结构层四部分组成。意识层的作用是感知环境变化、路径规划以及接收运动指令；协调层的作用是解算各滚轮、腿的行为参数和动作序列，协同滚轮、腿共同动作；反射层根据力检测单元和扭矩测量单元测得的力和力矩信息，通过轮地接触力估计模型进行计算得到轮地接触力信息，据此向驱动单元发出相应的驱动指令，以使滚轮与地面保持必要的支撑力和摩擦力；结构层的作用是根据反射层传递来的驱动信号进行作动，调整轮地接触力，保持机身运动的平稳性。
本实施例中，意识层包含一个环境信息采集模块、一个信息综合模块和一个决策输出模块，环境信息采集模块感知外界环境，实时获取地形信息；信息综合模块将两类信息进行综合分析：一类是外界环境信息，一类是运动指令信息；决策指令模块则根据外界环境信息进行路径规划，最后，意识层将路径规划信息与三维运动指令输入协调层进行行为解算和协同。协调层包含一个解算控制器，根据意识层输入的路径规划信息与三维运动指令，进行行为解算，包含四轮方向协调、轮地接触力协调两方面的协调控制。根据急停、原地转向、半径转向、侧行、斜行、前进与倒退等运动要求，对机器人各个轮子转向和轮子转速进行协调控制；对于不同的地形如平面、坡面、台阶面、油包卵石面，在运动过程中对轮子与地面的接触力进行协调控制。反射层由轮腿机器人各单腿模型中的驱动单元及力检测单元组成，驱动单元由伺服电机和传动机构组成，力检测单元由各种力和力矩传感器组成，通过在运动过程中实时采集单腿模型中各个关节的力和力矩信息，经过轮地接触力估计模型解算获得各轮与地面的接触力信息，据此对驱动单元发出驱动信号。结构层由单腿机构和被动力调节单元组成，单腿机构是轮腿机器人运动和支撑的主体，被动力调节单元的作用是减少机器人在非结构化地形中受到的冲击，防止各构件受到损害，提高零件的使用寿命。结构层直接作用在地形环境中，抵抗外界扰动。
本实施例中，轮腿式移动机器人运动控制系统的运动控制方法是一种基于轮地接触力感知再分配的轮腿式移动机器人运动控制方法。其控制方法如下：意识层接收三维运动指令或者通过环境采集模块获取外界环境信息并进行路径规划，向协调层输出轮端位置信息，经逆运动学计算，得出伺服电机或者直线运动机构等驱动单元的运动参数，协调层向反射层发出驱动指令，驱动单元作动使结构层运动；此时，根据四条单腿机构上安装的力检测单元获取的各驱动力和关节力矩信息，经过接触力估计模型计算得到各滚轮与地面的接触力，在保持机身平稳的前提下与运动稳定模型的理论接触力进行比较，反射层驱动单元持续作动，调整轮腿机器人各轮腿结构，以重新分配轮腿机器人各滚轮与地面的接触力，使滚轮与地面接触力与理论接触力基本相等，使机器人在运动过程中保持机身平稳与运动稳定。
本实施例中，在轮腿式移动机器人从平面驶上斜坡的过程中，前轮滚上斜坡时，各轮与路面的接触力将发生变化，安装在轮腿各关节处的力传感器和扭矩传感器在运动过程中实时采集力和力矩信息，经过反射层中的轮地接触力估计模型得到各轮地接触力，将计算所得轮地接触力与理论稳定模型的轮地接触力进行比较，在保证机身水平前提下，协调层协调各轮腿共同动作，向轮腿驱动单元发出驱动指令，驱动单元持续作动改变轮腿结构；同时为了不与地形相撞，对机身高度进行控制。在上坡过程中前轮腿缓慢向上抬起，使得前轮地接触力与后轮地接触力重新分配，实际轮地接触力趋近于理论接触力，消除在上坡运动中因轮地接触力产生的倾覆力矩。当后轮开始滚上斜坡时，各轮与路面的接触力将发生变化，安装在轮腿各关节处的力传感器和扭矩传感器在运动过程中实时采集力和力矩信息，经过反射层中的轮地接触力估计模型得到各轮地接触力，将计算所得轮地接触力与理论稳定模型的轮地接触力进行比较，在保证机身水平前提下，协调层协调各轮腿共同动作，向轮腿驱动单元发出驱动指令，驱动单元持续作动改变轮腿结构，使实际轮地接触力趋近于理论接触力，消除在上坡运动中因轮地接触力产生的倾覆力矩；同时为了不与地形相撞，对机身高度进行控制。
在轮腿式移动机器人急转弯过程中，意识层将决策运动指令输入协调层控制器，协调层不仅要协调控制各轮与地面的接触力，同时也需要协调各轮方向，以保证顺利完成转弯而不产生打滑。以向左急转弯为例，在机器人向左急转弯时，解算控制器根据转弯半径，即外界环境信息确定各轮方向，从而控制转向伺服电机转动一定角度，保证机器人在行驶过程中顺利转弯且轮子与地面不发生打滑。在急转弯过程中，安装在轮腿各关节处的力传感器和扭矩传感器实时采集力和力矩信息，经过反射层中的轮地接触力估计模型得到各轮地接触力，协调层根据反射层反馈的轮地接触力信息，对反射层中的驱动单元发出驱动指令，驱动单元作动带动结构层中单腿机构运动，改变轮腿结构从而重新分配各轮与地面接触力，维持机器人动态平衡，稳定转弯。
在轮腿式移动机器人跨越台阶面的过程中，机器人轮子抱死不动，此时的机器人形似一个四足机器人。协调层控制器接收到来自意识层的三维运动指令，经轮端插值、逆运动学计算得出伺服电机，或者直线运动机构的驱动单元的运动参数，协调层向反射层发出驱动指令，驱动单元作动使单腿机构运动。在第一条腿抬起过程中，安装在轮腿各关节处的力传感器和扭矩传感器实时采集力和力矩信息，经过反射层中的轮地接触力估计模型得到各轮地接触力，协调层根据反射层反馈的轮地接触力信息，对落于地面的三条腿各驱动单元发出驱动指令，改变轮腿结构以重新分配各轮与地面接触力，使得机器人的合质心始终落在落地三条轮腿构成的支撑区域内，直到抬起的那条腿落在台阶面上。第一条腿落在台阶面上后，第二条腿根据轮端位置信息和机身姿态信息，经逆运动学计算后得出该轮腿上各驱动单元运动参数，驱动单元收到协调层指令作动，第二条腿抬起。第二条腿抬起过程中，同理，地面上三条腿的轮腿结构实时改变，以调整各轮与地面的接触力，使得机器人的合质心始终落在落地三条腿构成的支撑区域内，直到抬起的那条腿落在台阶面上。在前面两条腿都落在台阶面上，轮腿机身根据台阶面高度进行抬高或者降低，之后重复上述类似的抬腿及接触力调整的一系列动作，最终使得机器人越过台阶面。
Claims (1)
1.一种轮腿式移动机器人运动控制系统，其特征在于：运动控制系统由意识层、协调层、反射层和结构层组成，意识层的作用是感知环境变化、路径规划及接收运动指令；协调层的作用是解算各滚轮、腿的行为参数和动作序列，协同各滚轮、腿共同动作；反射层根据力检测单元和扭矩测量单元测得的力和力矩信息，通过轮地接触力估计模型进行计算得到轮地接触力信息，并向驱动单元发出相应的驱动指令，以使滚轮与地面保持支撑力和摩擦力；结构层根据反射层传输的驱动信号进行作动，调整轮地接触力，保持机身运动的平稳性；
所述意识层包括环境信息采集模块、信息综合模块和决策输出模块，环境信息采集模块感知外界环境，实时获取地形信息；信息综合模块将外界环境信息和运动指令信息进行综合分析；决策指令模块则根据外界环境信息进行路径规划，意识层将路径规划信息与三维运动指令输入协调层进行行为解算和协同；
所述协调层包括解算控制器，根据意识层输入的路径规划信息与三维运动指令，进行行为解算，包含滚轮方向协调、轮地接触力协调两方面的协调控制；根据急停、原地转向、半径转向、侧行、斜行、前进与倒退运动要求，对机器人各滚轮转向和滚轮转速进行协调控制；对于不同的地形在运动过程中对滚轮与地面的接触力进行协调控制；
所述反射层包括轮腿机器人各单腿模型中的驱动单元、力检测单元，驱动单元由伺服电机和传动机构组成，力检测单元由各种力和力矩传感器组成，通过在运动过程中实时采集单腿模型中各个关节的力和力矩信息，经过轮地接触力估计模型解算获得滚轮与地面的接触力信息，并对驱动单元发出驱动信号；所述结构层由单腿机构和被动力调节单元组成，单腿机构为轮腿机器人运动和支撑的主体，被动力调节单元用于减少机器人在非结构化地形中受到的冲击，防止各构件受到损害，结构层直接作用在地形环境中，抵抗外界扰动；
其运动控制方法如下：意识层接收三维运动指令，或者通过环境采集模块获取外界环境信息并进行路径规划，向协调层输出滚轮位置信息，经逆运动学计算，得出伺服电机或者直线运动机构驱动单元的运动参数，协调层向反射层发出驱动指令，驱动单元动作使结构层运动；同时，根据单腿机构上安装的力检测单元获取的各驱动力和关节力矩信息，经过接触力估计模型计算得到滚轮与地面的接触力，在保持机身平稳的前提下，与运动稳定模型的理论接触力进行比较，反射层驱动单元持续作动，调整轮腿机器人的轮腿结构，以重新分配轮腿机器人滚轮与地面的接触力，使各滚轮与地面接触力与理论接触力基本相等，使机器人在运动过程中保持机身平稳与运动稳定；
在轮腿式移动机器人从平面驶上斜坡的过程中，前轮滚上斜坡时，各轮与路面的接触力将发生变化，安装在轮腿各关节处的力传感器和扭矩传感器在运动过程中实时采集力和力矩信息，经过反射层中的轮地接触力估计模型得到各轮地接触力，将计算所得轮地接触力与理论稳定模型的轮地接触力进行比较，在保证机身水平前提下，协调层协调各轮腿共同动作，向轮腿驱动单元发出驱动指令，驱动单元持续作动改变轮腿结构；同时为了不与地形相撞，对机身高度进行控制；在上坡过程中前轮腿缓慢向上抬起，使得前轮地接触力与后轮地接触力重新分配，实际轮地接触力趋近于理论接触力，消除在上坡运动中因轮地接触力产生的倾覆力矩；当后轮开始滚上斜坡时，各轮与路面的接触力将发生变化，安装在轮腿各关节处的力传感器和扭矩传感器在运动过程中实时采集力和力矩信息，经过反射层中的轮地接触力估计模型得到各轮地接触力，将计算所得轮地接触力与理论稳定模型的轮地接触力进行比较，在保证机身水平前提下，协调层协调各轮腿共同动作，向轮腿驱动单元发出驱动指令，驱动单元持续作动改变轮腿结构，使实际轮地接触力趋近于理论接触力，消除在上坡运动中因轮地接触力产生的倾覆力矩；
在轮腿式移动机器人急转弯过程中，意识层将决策运动指令输入协调层控制器，协调层不仅要协调控制各轮与地面的接触力，同时也需要协调各轮方向，以保证顺利完成转弯而不产生打滑；在机器人向左急转弯时，解算控制器根据转弯半径，即外界环境信息确定各轮方向，从而控制转向伺服电机转动一定角度，保证机器人在行驶过程中顺利转弯且轮子与地面不发生打滑；在急转弯过程中，安装在轮腿各关节处的力传感器和扭矩传感器实时采集力和力矩信息，经过反射层中的轮地接触力估计模型得到各轮地接触力，协调层根据反射层反馈的轮地接触力信息，对反射层中的驱动单元发出驱动指令，驱动单元作动带动结构层中单腿机构运动，改变轮腿结构从而重新分配各轮与地面接触力，维持机器人动态平衡，稳定转弯；
在轮腿式移动机器人跨越台阶面的过程中，机器人轮子抱死不动，此时的机器人形似一个四足机器人；协调层控制器接收到来自意识层的三维运动指令，经轮端插值、逆运动学计算得出伺服电机，或者直线运动机构的驱动单元的运动参数，协调层向反射层发出驱动指令，驱动单元作动使单腿机构运动；在第一条腿抬起过程中，安装在轮腿各关节处的力传感器和扭矩传感器实时采集力和力矩信息，经过反射层中的轮地接触力估计模型得到各轮地接触力，协调层根据反射层反馈的轮地接触力信息，对落于地面的三条腿各驱动单元发出驱动指令，改变轮腿结构以重新分配各轮与地面接触力，使得机器人的合质心始终落在落地三条轮腿构成的支撑区域内，直到抬起的那条腿落在台阶面上；第一条腿落在台阶面上后，第二条腿根据轮端位置信息和机身姿态信息，经逆运动学计算后得出该轮腿上各驱动单元运动参数，驱动单元收到协调层指令作动，第二条腿抬起；第二条腿抬起过程中，同理，地面上三条腿的轮腿结构实时改变，以调整各轮与地面的接触力，使得机器人的合质心始终落在落地三条腿构成的支撑区域内，直到抬起的那条腿落在台阶面上；在前面两条腿都落在台阶面上，轮腿机身根据台阶面高度进行抬高或者降低，之后重复上述类似的抬腿及接触力调整的一系列动作，最终使得机器人越过台阶面。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 轮腿式机器人控制系统及姿态算法设计与实验;罗洋 等;《计算机工程与设计》;20140531;第35卷(第5期);第1612-1618页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111142523A (zh) | 2020-05-12 |
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