CN111331603B - 一种轮腿机器人应激式运动姿态转换方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种轮腿机器人应激式运动姿态转换方法及系统，通过建立轮腿机器人非结构环境的数据库，对机器人建模得到应激式运动姿态模块及各运动姿态相互稳定转换的控制模块，建立非结构环境的外界刺激程度评价函数。轮腿机器人对外界非结构环境的刺激进行实时检测，并跟踪自身运动姿态。利用刺激程度评价函数判断对应的反应模式，利用运动转换模块实现姿态转换，使轮腿机器人根据环境的变化实现快速应激式运动决策，从而增强机器人在复杂非结构动态环境下的灵活性与适应能力。

Description

一种轮腿机器人应激式运动姿态转换方法及系统
技术领域
本发明属于机器人控制技术领域，尤其涉及一种轮腿机器人应激式运动姿态转换方法及系统。
背景技术
轮腿机器人是一种结合了轮式机器人的高机动性和腿式机器人的高环境适应性的机器人形态，其在国防安全、灾害救援等方面可替代人类完成作业任务，具有巨大的应用需求。目前，轮腿机器人面向环境突变时的反应速度与人类相距甚远，根本原因在于机器人控制上尚无人类的应激式反应机制，无法根据突变的环境应激的产生闪躲、避让、蜷缩等快速运动模式，制约了其实用化进程，因此机器人模拟人类的应激式反应运动机理是一个亟需解决的基础科学问题。现有技术中也有一些对轮腿机器人对应激式的控制，如CN108594661 A公开了一种基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法，包括步骤为：步骤1，CPG网络模型建立；步骤2，节律信号输出；步骤3，函数映射和步骤4，运动执行。本发明根据机器人轮、腿运动模式的不同，将周期性变化信号映射为相应模式的运动控制函数，实现轮、腿运动模式的平稳快速切换。CN 103373407 A涉及轮腿机器人及轮腿的智能切换方法，机器人检测并计算要行走路况前后、左右倾斜情况，并与对应的设定倾斜范围进行比较，以判断是否进行行走方式的切换，若是需要进行切换，则通过舵机控制器控制各舵机动作进行轮腿切换，若是无需切换，则继续先前的行走方式继续行进；
CN 104589348 A提供了一种仿人机器人多模态运动转换方法，所述仿人机器人包括机器人状态感知器，运动数据库，运动控制转换器以及运动稳定控制器。
但是目前机器人多工作在结构环境，因此运动控制方式单一，动作转换时需要操作人员实时控制或预先设定，无法根据实时环境进行运动姿态变换，且运动姿态转换速度慢。其次轮腿式机器人工作有两种控制模式，一种是轮式运动模式，另一种式足式运动模式，两种模式的动力学模型差异较大，两种基本运动模式下的各动作的控制算法也不尽相同，在相互转换时存在运动模式及模态切换时面临控制算法结构或主要参数突变的问题易失稳。无法实现轮腿机器人在非结构环境中工作。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种轮腿机器人应激式运动姿态转换方法及系统，提高轮腿机器人对复杂非结构环境的响应速度，提高机器人对非结构动态环境的下的灵活性与适应能力。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的。
一种轮腿机器人应激式运动姿态转换方法，分别构建非结构环境数据库和预设反应行为模块库，利用非结构环境的外界刺激评价函数F＝aS+bM将非结构环境数据库与预设反应行为模块库进行关联；进而实现机器人在非结构环境工作时能根据环境的变化实现多种运动姿态相互快速转换，其中，a、b分别为外界刺激评价函数的系数，S代表机器人本体在刺激时刻的姿态信息，M代表外界环境的刺激信息。
进一步，所述非结构环境数据库内存储机器人工作时所有可能遇到的环境情况即机器人所有可能受到的刺激；
进一步，所述预设反应行为模块库内存有应激式运动姿态；所述应激式运动姿态包括轮式运动和腿式运动姿态，能实现轮式运动和腿式运动之间的切换。
一种轮腿机器人应激式运动姿态转换系统，包括基于信号依次连接的机器人感知单元、刺激程度评价单元、行为控制单元和动作执行单元；所述刺激程度评价单元内设有环境数据库模块和外界刺激评价模块，通过感知单元采集机器人自身状态与环境信息并输入刺激程度评价单元，经环境数据库模块和外界刺激评价模块依次处理后输出行为控制指令，行为控制单元根据行为控制指令控制动作执行单元完成相应动作，实现应激式运动姿态转换。
进一步，所述机器人感知单元具体包括设置在机器人身上的视觉传感器、力传感器、加速度计、激光雷达的传感器。
进一步，所述环境数据库模块是将所采集的机器人的环境信息与环境数据库模块内预存的信息进行匹配并确定此时机器人所受到的刺激。
进一步，所述外界刺激评价模块是根据其内存的外界刺激评价函数对刺激进行判断并选择相对应的行为控制指令。
进一步，所述行为控制单元、动作执行单元为机器人完成相应动作的各个关节驱动装置、传动装置及机器人本体机械零件。
有益效果：
1、本发明解决现有轮腿机器人在非结构环境工作时无法根据环境的变化实现多种运动姿态相互快速转换的问题，以及运动模式及模态转换的速度与稳定性难以兼顾的问题，从而增强机器人在复杂非结构动态环境下的灵活性与适应能力，从而提轮腿高机器人的工作效率。
2、本发明简化了轮腿机器人的动力学建模，在非机构环境要求机器人具备大范围与多模态的运动能力，导致多自由度、多约束及高耦合度的轮腿机器人动力学建模非常困难，使现有机器人理论和方法可以直接应用。
附图说明
图1为本发明应激式运动姿态转换方法流程框图；
图2为本发明应激式运动姿态转换系统框图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
1、建立非结构环境数据库，非结构环境数据库内存储机器人工作时所有可能遇到的环境情况即机器人所有可能受到的刺激，环境情况具体分为自然环境变化数据和人为环境变化数据，自然环境变化数据具体包括：风、雨、雪等自然现象及与之相关的物体移动；人为环境变化数据具体包括：运动当中的人、动物以及被人类操作的工具；
2、根据非结构环境数据库资料，将轮腿机器人的外形，自由度等特征输入电脑进行建模形成机器人模型，并利用机器人模型得到应激式运动姿态，建立预设反应行为模块库，预设反应行为模块库内包括闪避、避碰、急停、拮抗、蜷缩、跳跃、轮腿切换等应激式运动姿态；如检测到前方存在未规划在机器人工作环境内的障碍物，此时障碍物便是环境中的刺激条件，机器人根据的刺激强弱，即障碍物的高度、宽度等信息，做出应对应激反应。若刺激程度较大，影响机器人正常工作，例如障碍物尺寸过大无法通过，机器人通过急停来保护本体。若刺激程度较小，不影响机器人正常工作，例如障碍物尺寸较小，机器人忽略刺激继续按照规划工作模式运行。若刺激程度在一定范围内，即障碍物需要机器人转换姿态通过，机器人立即转换姿态通过障碍物。例如当障碍物高度小、宽度大，机器人将立即转换成跳跃姿态，跳跃通过障碍物；当障碍物高度大而宽度小，机器人则通过避碰的方式来通过障碍物。还可以实现在行动过程中根据环境特点进行轮式运动和腿式运动之间的切换。
3、建立非结构环境的外界刺激评价函数如下式：
F＝aS+bM
利用外界刺激评价函数对机器人受到的刺激进行判断，并选择相对应的反应模式应对外界刺激；外界刺激评价函数F通过系数a，b分别衡量了刺激时机器人本体实时姿态信息和外界环境的实时刺激程度，然后将两者所得结果相结合得到最后的评价函数F。其中S代表机器人本体在刺激时刻的姿态信息，M代表外界环境的刺激信息。
为了实现上述轮腿机器人应激式运动姿态转换，本发明还设计了一种轮腿机器人应激式运动姿态转换系统如图2，包括基于信号依次连接的机器人感知单元、刺激程度评价单元、行为控制单元和动作执行单元。
机器人感知单元具体包括设置在机器人身上的视觉传感器、力传感器、加速度计、激光雷达等传感器，用于感知机器人自身状态与环境信息；并将感知单元根据所检测到的机器人的环境信息输入刺激程度评价单元；
刺激程度评价单元内存有环境数据库模块和外界刺激评价模块，将所采集的机器人的环境信息与环境数据库模块内预存的信息进行配确定此时机器人所受到的刺激i，刺激i输入外界刺激评价模块，根据外界刺激评价模块内存的外界刺激评价函数对刺激i进行判断并选择相对应的行为控制指令；
行为控制单元接收行为控制指令，并发出相应的动作指令，具体的，当刺激程度评价单元判断为某一种刺激时且刺激达到影响机器人正常工作的程度，则机器人的运动姿态需要转换为应对外界刺激的反应行为，此时行为控制单元根据行为控制指令输出相应的反应式指令给动作执行单元，由动作执行单元工作使机器人完成运动姿态的转换。若刺激程度评价单元判断的刺激未达到影响机器人正常工作的程度时或者当外界刺激结束时，行为控制单元发出驱动式指令，由动作执行单元继续执行目标驱动行为。
动作执行单元为机器人完成相应动作的各个关节驱动装置、传动装置及机器人本体机械零件，其中，驱动装置包括机器人的关节舵机、电机、液压泵等；传动装置包括连杆传动、带传动、齿传动、螺纹传动等。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种轮腿机器人应激式运动姿态转换系统，其特征在于，包括基于信号依次连接的机器人感知单元、刺激程度评价单元、行为控制单元和动作执行单元；所述刺激程度评价单元内设有环境数据库模块和外界刺激评价模块，通过感知单元采集机器人自身状态与环境信息并输入刺激程度评价单元，经环境数据库模块和外界刺激评价模块依次处理后输出行为控制指令，行为控制单元根据行为控制指令控制动作执行单元完成相应动作，实现应激式运动姿态转换；所述环境数据库模块是将所采集的机器人的环境信息与环境数据库模块内预存的信息进行匹配并确定此时机器人所受到的刺激；所述外界刺激评价模块是根据其内存的外界刺激评价函数对刺激进行判断并选择相对应的行为控制指令；具体利用非结构环境的外界刺激评价函数F＝aS+bM将非结构环境数据库与预设反应行为模块库进行关联；进而实现机器人在非结构环境工作时能根据环境的变化实现多种运动姿态相互快速转换，其中，a、b分别为外界刺激评价函数的系数，S代表机器人本体在刺激时刻的姿态信息，M代表外界环境的刺激信息。
2.根据权利要求1所述的一种轮腿机器人应激式运动姿态转换系统，其特征在于，所述机器人感知单元具体包括设置在机器人身上的视觉传感器、力传感器、加速度计、激光雷达的传感器。
3.根据权利要求1所述的一种轮腿机器人应激式运动姿态转换系统，其特征在于，所述行为控制单元动作执行单元为机器人完成相应动作的各个关节驱动装置、传动装置及机器人本体机械零件。
4.一种基于权利要求1-3中任意一项权利要求所述运动姿态转换系统的轮腿机器人应激式运动姿态转换方法，其特征在于，分别构建非结构环境数据库和预设反应行为模块库，利用非结构环境的外界刺激评价函数F＝aS+bM将非结构环境数据库与预设反应行为模块库进行关联；进而实现机器人在非结构环境工作时能根据环境的变化实现多种运动姿态相互快速转换，其中，a、b分别为外界刺激评价函数的系数，S代表机器人本体在刺激时刻的姿态信息，M代表外界环境的刺激信息；
所述非结构环境数据库内存储机器人工作时所有可能遇到的环境情况即机器人所有可能受到的刺激。
5.根据权利要求4所述的一种轮腿机器人应激式运动姿态转换方法，其特征在于，所述预设反应行为模块库内存有应激式运动姿态。
6.根据权利要求4所述的一种轮腿机器人应激式运动姿态转换方法，其特征在于，所述应激式运动姿态包括轮式运动和腿式运动姿态，能根据环境的特点选择轮式运动或腿式运动，并进行运动方式切换。
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