CN111221332A - H型六足机器人及其行走控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种H型六足机器人及其行走控制方法，其中机器人包括H型机身、可转动设置于所述机身的六个C型腿和用于驱动所述C型腿转动的行走驱动系统；所述机器人的质量关于所述机身中心线对称分布；本机器人可以解决在行进过程中机身走偏的问题；该机器人的行走控制方法通过引入占地系数对CPG改进，有效解决了多种步态之间切换不平滑、不稳定的问题。

Description

H型六足机器人及其行走控制方法

技术领域

本发明涉及一种机器人及其行走控制方法，特别是一种H型六足机器人。

背景技术

随着科学技术的进步，机器人得到迅猛发展，特别是六足机器人，其作为多足机器人的代表，可以在各种非结构化环境中移动，具有较强的环境适应性。通过已有资料查询发现，一般的六足轮腿式机器人的六条腿布置在在整体机身左右两侧，每边各有三条腿，如专利号CN201210273204.3的专利。这种腿布置方式会带来一个问题：当机器人以三足步态前进时，需要两组腿交替旋转行进，每组腿在机身两边分别为一个和两个，这样会机器人在左右方向受力不均，机器人在行进过程中无法保持机身沿直线行进。

另一方面，传统的机器人运动控制方法基本是：将步态控制程序先写入单片机，通过程序一次性走完步态或者根据地形来遥控切换步态。这两种方法都会带来一个问题：不能适应环境的快速变化，传统程序基本都是每种步态对应一个程序，每次步态切换都要从当前运动状态回到另一种步态的准备状态，中间存在一个暂停状态，这样导致切换不迅速、不稳定、不平滑；

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种在行进过程中机身走偏的问题的H型六足机器人，以及通过改进CPG实现多种步态之间的平稳顺滑切换的六足机器人行走控制方法。

本发明的H型六足机器人，包括H型机身、可转动设置于所述机身的六个C型腿和用于驱动所述C型腿转动的行走驱动系统；六个所述C型腿分别为左前腿、中前腿、右前腿、左后腿、中后腿和右后腿；所述机器人的质量关于所述机身中心线对称分布；所述左前腿、中前腿和右前腿的转轴同轴，左后腿、中后腿和右后腿的转轴同轴，且所述中前腿和中后腿位于机身的中心线。

进一步，所述行走驱动系统至少包括一一对应驱动六个所述C型腿转动的电机和CPG振荡器；各所述CPG振荡器之间都相互双向耦合，输出类正弦函数波形信号，并通过映射函数将所述信号映射到机器人的关节空间，从而实现机器人的运动控制。

本发明还公开了一种用于所述的H型六足机器人的行走控制方法，包括以下步骤：

s1.根据人工遥控，向CPG网络发送步态切换控制指令；

s2.CPG网络收到切换指令后，根据模型方程，改变生成目标步态的相位差和占地系数；

s3.通过映射函数，将生成的相位差信号映射到各个关节的控制信号；

s4.机器人根据各个关节控制信号实现各种步态运动。

进一步，所述CPG振荡器采用Hopf模型建立，并选择全连接控制网络，所述控制网络的表达式为：

其中，σ为收敛因子；R为极限环的半径；ω为振荡频率；Δ为耦合项；所述耦合项Δ表示为：

其中，

为第j个神经元振荡器相对于第i个神经元振荡器的相位差，λ为耦合系数。

进一步，步骤s3中，所述映射函数表示为：

其中θ_s为支撑相，θ_t为摆动相。

进一步，步骤s2中，所述Hopf模型通过引入占地系数和关节平均转速加以改进后得到模型表示为：

其中v_ik表示k时刻第i个振荡器的状态量v的值，ω_ik表示第i个振荡器在k时刻的振荡频率。ε为占地系数，N是关节平均转速。

进一步，步骤s2中，步态切换时，使相位差和占地系数在一定时间内从当前步态对应的数值连续变化到目标步态所对应的数值，其变化过程表示为：

其中

和ε⁺是目标步态的相位差和占地系数，

和ε^-是当前步态的相位差和占地系数，t0表示收到步态切换指令的时刻，t为自t0时刻开始后的时间累积，k是调节参数变化过程快慢的常数。

本发明的有益效果是：本发明的H型六足机器人，通过腿的合理布置及步态规划，有效解决了行进过程中走偏的问题；而本发明的六足机器人行走控制方法通过引入占地系数对CPG改进，有效解决了多种步态之间切换不平滑、不稳定的问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的机器人的结构示意图；

图2为本发明的机器人采用三足步态的示意图；

图3为本发明的机器人三足步态行进时的水平面受力图；

图4为本发明的机器人采用四足步态的示意图；

图5为本发明的机器人四足步态行进时的水平面受力图；

图6为本发明中全连接控制网络结构示意图；

图7为本发明的机器人控制流程示意图。

具体实施方式

实施例一

本发明提出一种H型六足轮腿式机器人结构，主要由左前腿1、中前腿2、右前腿3、左后腿4、中后腿5、右后腿6、H型机身7、机身盖板8、电机9、控制电路10、电池11组成，如图1。采用H型机身对称结构，将整个机器人质量基本关于机身中心线对称分布，由于六条腿对称分布在机身左中右三个位置，可以使机器人在三足、四足步态行进时确保前进方向基本不变。

机器人三足步态如图2所示，其中左前腿1、右前腿3、中后腿5为一组，中前腿2、左后腿4、右后腿6为一组，呈三角形分布，相同组的腿相位完全相同，图中表示当左前腿1、右前腿3、中后腿5接触地，中前腿2、左后腿4、右后腿6腾空(另一种状态为左前腿1、右前腿3、中后腿5腾空，中前腿2、左后腿4、右后腿6接触地)，通过控制两组腿的相位差使其依次旋转摆动使机器人快速移动，任何时刻都有三条腿与地接触。三足步态行进时，其水平面受力图如图3所示(此处以左前腿1、右前腿3、中后腿5接触地作分析)，根据受力分析，机器人在水平地面上所受力F1＝F3，又F5过机身质心中心线，中前腿2、左后腿4、右后腿6腾空在水平地面不受力(故图中未画出)，故所受水平力矩为0，可以解决一般机器人在平坦地面行进过程中走偏的问题。机器人四足步态如图4所示，其中腿左前腿1、右前腿3为一组，中前腿2、中后腿5为一组，左后腿4、右后腿6为一组，图中表示当左前腿1、中前腿2、右前腿3、中后腿5接触地，左后腿4、右后腿6腾空，通过控制三组腿的相位差保证任何时刻都有四条接触地，从而实现机器人稳定移动。四足步态受力分析如图5所示，四足步态行进时，根据受力分析，有F1＝F3，F2＝F5，腿4、6腾空在水平地面不受力(故图中未画出)，机器人在水平地面所受力矩也为0，较好解决了行进过程中走不直的问题。

实施例二

本实施例为实施例一的机器人的行走控制方法，实施例一种的六足机器人每条腿由一个电机驱动，每条腿配置一个CPG振荡器，各CPG振荡器之间都相互双向耦合，输出类似于正弦函数波形的信号，通过映射函数将信号映射到机器人的关节空间，从而实现机器人的运动控制。

经过各种CPG振荡器模型对比，本专利采用Hopf模型来建立CPG振荡器，选择耦合性强的全连接控制网络，其网络结构示意图为图6。表达式为：

其中，σ为收敛因子，决定收敛速度的大小；R为极限环的半径，决定振荡器输出的幅值大小；ω为振荡频率。Δ为耦合项，表示CPG网络中其他神经元振荡器对第i个神经元振荡器的作用，表示为：

其中，

为第j个神经元振荡器相对于第i个神经元振荡器的相位差，λ为耦合系数。

为了实现机器人的运动控制，还需要通过映射函数将CPG输出信号映射到机器人的关节空间。CPG控制网络输出信号是连续平滑的，为了使关节角速度和角加速度的变化也能够连续平滑，采用三角函数进行变换。根据状态量v的正负将输出的类似正弦波信号映射到关节转动空间的0到360°，映射关系表示为：

其中θ_s为支撑相，θ_t为摆动相。

由于原始Hopf振荡器(即公式1)的输出波形中，单个周期内信号的上升阶段和下降阶段的时间相等，只适用于三角步态，此时占地系数为0.5，因此对于占地系数为2/3的四足步态和5/6的波动步态不在适用，占地系数表示一个周期内支撑相的时间与周期之比。故在原始Hopf振荡器模型上引入占地系数和关节平均转速加以改进，使其能够适用于多种步态。改进后的模型表示为：

其中v_ik表示k时刻第i个振荡器的状态量v的值，ω_ik表示第i个振荡器在k时刻的振荡频率。ε为占地系数，N是关节平均转速。

不同的步态对应不同的占地系数和相位差，通过改变CPG网络参数模型中的占地系数和相位差可以实现不同步态之间的切换。但在切换时直接改变这相位差会使得电机的目标角速度和角加速度出现冲击，并且会影响到机器人的支撑稳定性。针对这一问题，本专利采用一种参数连续变化的步态切换方式，即在步态切换时，使相位差和占地系数在一定时间内从当前步态对应的数值连续变化到目标步态所对应的数值，其变化过程表示为：

其中

和ε⁺是目标步态的相位差和占地系数，

和ε^-是当前步态的相位差和占地系数，t0表示收到步态切换指令的时刻，t为自t0时刻开始后的时间累积，k是调节参数变化过程快慢的常数。

基于上述CPG控制方法包括以下步骤：

1.六足机器人根据人工遥控，向CPG网络发送步态切换控制指令；

2.CPG网络收到切换指令后，根据上述模型方程，改变生成目标步态的相位差和占地系数；

3.通过映射函数(即公式3)，将生成的相位差信号映射到各个关节的控制信号；

4.机器人根据各个关节控制信号实现各种步态运动。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种H型六足机器人，其特征在于：包括H型机身、可转动设置于所述机身的六个C型腿和用于驱动所述C型腿转动的行走驱动系统；六个所述C型腿分别为左前腿、中前腿、右前腿、左后腿、中后腿和右后腿；所述机器人的质量关于所述机身中心线对称分布；所述左前腿、中前腿和右前腿的转轴同轴，左后腿、中后腿和右后腿的转轴同轴，且所述中前腿和中后腿位于机身的中心线。

2.根据权利要求1所述的H型六足机器人，其特征在于：所述行走驱动系统至少包括一一对应驱动六个所述C型腿转动的电机和CPG振荡器；各所述CPG振荡器之间都相互双向耦合，输出类正弦函数波形信号，并通过映射函数将所述信号映射到机器人的关节空间，从而实现机器人的运动控制。

3.一种用于权利要求1所述的H型六足机器人的行走控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1.根据人工遥控，向CPG网络发送步态切换控制指令；

s2.CPG网络收到切换指令后，根据模型方程，改变生成目标步态的相位差和占地系数；

s3.通过映射函数，将生成的相位差信号映射到各个关节的控制信号；

s4.机器人根据各个关节控制信号实现各种步态运动。

4.根据权利要求3所述的六足机器人的行走控制方法，其特征在于：所述CPG振荡器采用Hopf模型建立，并选择全连接控制网络，所述控制网络的表达式为：

其中，σ为收敛因子；R为极限环的半径；ω为振荡频率；Δ为耦合项；所述耦合项Δ表示为：

其中，

为第j个神经元振荡器相对于第i个神经元振荡器的相位差，λ为耦合系数。

5.根据权利要求4所述的六足机器人的行走控制方法，其特征在于：步骤s3中，所述映射函数表示为：

其中θ_s为支撑相，θ_t为摆动相。

6.根据权利要求5所述的H型六足机器人的行走控制方法，其特征在于：步骤s2中，所述Hopf模型通过引入占地系数和关节平均转速加以改进后得到模型表示为：

其中v_ik表示k时刻第i个振荡器的状态量v的值，ω_ik表示第i个振荡器在k时刻的振荡频率。ε为占地系数，N是关节平均转速。

7.根据权利要求6所述的H型六足机器人的行走控制方法，其特征在于：步骤s2中，步态切换时，使相位差和占地系数在一定时间内从当前步态对应的数值连续变化到目标步态所对应的数值，其变化过程表示为：

其中

和ε⁺是目标步态的相位差和占地系数，

和ε^-是当前步态的相位差和占地系数，t0表示收到步态切换指令的时刻，t为自t0时刻开始后的时间累积，k是调节参数变化过程快慢的常数。

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