CN111823274A - 一种基于拉线编码器原理的足式机器人行走测试保护平台 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种基于拉线编码器原理的足式机器人行走测试保护平台，包括：布置在足式机器人上方且通过拉绳与足式机器人连接的随动平板，与随动平板连接的至少两个牵引保护装置；牵引保护装置包括：一端与随动平板连接的牵引绳索，由牵引绳索绕过的定滑轮，与定滑轮同轴安装且拉线一端与随动平板连接的拉线编码器，驱动牵引绳索释放和拉紧的伺服电机，和处理器，根据拉线编码器的数据，控制伺服电机进行牵引绳索释放或拉紧，调节牵引绳索的长度。本发明选用拉线编码器来实现对足式机器人的定位与随动，并利用拉线编码器的数据信息来实现主动牵引机构的牵引控制算法，为足式机器人行走测试提供简单有效的牵引保护方案，减少保护系统安装布置成本。

Description

一种基于拉线编码器原理的足式机器人行走测试保护平台

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种基于拉线编码器原理的足式机器人行走测试保护平台。

背景技术

足式机器人可以适应多种不同的地面环境，包括平地、楼梯、斜坡等，相比于一般形态的轮式机器人，对人类的工作与生活环境适应性更佳。近年来国内外大量足式机器人样机乃至产品涌现，足式机器人的研发与应用推广已经形成了一股热潮。

由于足式机器人与地面接触的状态为离散状态，且足式机器人往往有十多个乃至数十个自由度，相关控制理论与方法在实物上表现地并不够理想。足式机器人系统自身的不稳定导致在实物测试时会有各种摔倒等状态，容易造成机器人机械结构、电气驱动等硬件受损。因此需要在进行行走开发和测试过程中需要配置对应的保护装置系统，防止在调试时机器人发生摔倒造成硬件损坏。

当前已有的测试保护系统，按照连接方式可以分为硬约束和软牵引两个大类。硬约束主要针对特殊的测试目标和测试场景，例如约束机器人只能1个自由度或2个自由度运动。该种方式无法实现复杂多样的运动模式；软牵引方式主要针对完整运动自由度的机器人，使用软绳索将机器人主体悬挂在龙门架式的装置下，机器人运动测试时软绳索松弛，当机器人出现摔倒倾向时软绳索收紧进行保护。为了配合机器人的行走，龙门架上往往需要配置滑轨装置或推动龙门架伴随机器人一起运动，调试时需要额外调整龙门架的人手。

现有技术中，公开号为CN 108001552 A的专利申请文件提供一种足式机器人行走保护装置，该装置可以实现一定范围下的行走保护，但结构过于庞大，搭建安装成本过高。同时，测试过程中需要专人对保护装置进行随动操作。另外，公开号为CN 110375733 A的专利申请文件提供一种十字龙门足式机器人测试平台，该测试平台无法适应大范围机器人的行走，仅仅适用于原地运动测试。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本申请提供一种基于拉线编码器原理的足式机器人行走测试保护平台，选用拉线编码器来实现对足式机器人的定位与随动，并利用拉线编码器的数据信息来实现主动牵引机构的牵引控制算法，为足式机器人行走测试提供简单有效的牵引保护方案，减少保护系统安装布置成本。

为实现上述发明目的，本申请采用的技术方案如下：

一种基于拉线编码器原理的足式机器人行走测试保护平台，包括：

布置在足式机器人上方且通过拉绳与足式机器人连接的随动平板，

与所述随动平板连接的至少两个牵引保护装置；

所述的牵引保护装置包括：

一端与所述随动平板连接的牵引绳索，

由所述牵引绳索绕过的定滑轮，

与所述定滑轮同轴安装且拉线一端与随动平板连接的拉线编码器，

驱动所述牵引绳索释放和拉紧的伺服电机，

和处理器，根据所述拉线编码器的数据，控制伺服电机进行牵引绳索释放或拉紧，调节牵引绳索的长度。

本发明中，伺服电机采用位置控制方式，其输出轴上同轴安装滚轮，滚轮上根据应用需求缠绕一定长度的牵引绳索，牵引绳索穿过定滑轮调整方向，最终连接到机器人上方的随动平板上。拉线编码器安装在定滑轮同轴上，其拉线的另一端安装在与该定滑轮通过的牵引绳索所连接的随动平板的对应位置上。在双足机器人行走测试时，随动平板处于机器人上方，在机器人摔倒和即将摔倒时，调节牵引绳索的长度，提供向上的拉力，执行保护。

作为优选的，所述的牵引保护装置还包括一数据采集控制卡，用于采集拉线编码器的数据并传给处理，并向所述伺服电机发送处理器输出的牵引绳索长度控制信号。

模块化的牵引保护装置由牵引绳索、定滑轮、伺服电机及控制器、拉线编码器、数据采集控制卡、PC机(处理器)构成，通过由数据采集控制卡采集拉线编码器数据，传给PC机(处理器)，通过程序发送控制指令给数据采集控制卡，控制伺服电机，进而实现对单根牵引绳索的长度控制。机器人上方布置有一块随动平板，可根据实际需要选择与2-4个上述模块化牵引保护装置的牵引绳索相连。随动平板通过软绳与机器人本体相连。

作为优选的，所述的数据采集控制卡包括：

电源模块，用于为拉线编码器和伺服电机供电；

通讯模块，用于处理器与伺服电机的通讯；

和数据采集模块，用于采集拉线编码器信号，处理后得到拉线编码器的数据。

本申请中，数据采集控制卡由电源模块、通讯模块、数据采集模块组成，电源模块用于为拉线编码器、伺服电机及控制器供电，通讯模块负责用于与PC机(处理器)、伺服电机的控制器通讯，数据采集模块用于对拉线编码器信号采集、滤波、A/D转换并得到拉线编码器状态信息。PC机 (处理器)通过数据采集模块得到各个拉线编码器的数据后，可以通过内部程序计算得到机器人随动平板的当前状态信息，根据得到的实时监测状态信息，执行对应的控制策略，发送对应的控制指令，最后对应的伺服电机根据控制指令到达预定的位置。

作为优选的，所述的处理器根据拉线编码器的数据，计算得到随动平板当前的高度信息，根据所述的高度信息判断是否执行保护。

作为优选的，在足式机器人的直立状态进行初始化，根据所处位置信息，保持各牵引保护装置内的牵引绳索张紧使随动平板保持水平，并记录各牵引绳索的长度数据。

作为优选的，所述的处理器根据足式机器人所处位置信息，计算获取保护状态和非保护状态的绳长信息，具体的运算方法如下：

给出空间内两点A(x1,y1,z1)、B(x2,y2,z2)之间距离的计算公式为 f(A,B)＝sqrt[(x1-x2)^2+(y1-y2)^2+(z1-z2)^2]；

对于非保护状态，当足式机器人运动到(x,y)时，随动平板四个连接点的坐标位置分别为Q1(x-m/2,y+m/2,h+S1)、Q2(x-m/2,y-m/2,h+S1)、 Q3(x+m/2,y-m/2,h+S1)和Q4(x+m/2,y+m/2,h+S1)，求解绳长分别为 l1＝f(Q1,P1)、l2＝f(Q2,P2)、l3＝f(Q3,P3)、l4＝f(Q4,P4)；

对于保护状态，当足式机器人运动到(x,y)时，随动平板向上运动至 (h+S0)高度，四个连接点的坐标位置分别为Q1’(x-m/2,y+m/2,h+S0)、Q2’ (x-m/2,y-m/2,h+S0)、Q3’(x+m/2,y-m/2,h+S0)和Q4’(x+m/2,y+m/2,h+S0)，求解绳长分别为l1’＝f(Q1’,P1)、l2’＝f(Q2’,P2)、l3’＝f(Q3’,P3)、l4’＝f(Q4’,P4)。

作为优选的，所述的处理器当前足式机器人位置信息计算非保护状态下绳长l1、l2、l3、l4，并与初始化的绳长信息做差，得到上电时刻的牵引绳索拉动的绳长。

作为优选的，在足式机器人的测试过程中，处理器根据拉线编码器的数据，实时获取的机器人位置信息(x,y)，更新绳长信息l1、l2、l3、l4和 l1’、l2’、l3’、l4’控制牵引绳索释放和拉伸，使随动平板随机器人运动。

作为优选的，所述的处理器根据拉线编码器的绳长数据，计算得到足式机器人的位姿信息，判断机器人是否处于稳定行走状态；

当位姿信息超过稳定行走的阈值时，判定为摔倒，进入牵引保护状态，各牵引绳索的长度调至l1’、l2’、l3’和l4’长度，实现对足式机器人的保护。

本发明的有益效果是：通过模块化的牵引保护装置可以实现多范围场景的测试保护装置搭建；直接通过拉线编码器来感知绳索状态，对环境的鲁棒性比较好，简单易行，成本较低，可以进一步开发只用单片机来实现控制程序，成本低且可靠度高；随动平板的跟随功能还可以记录机器人运动时的空间位置轨迹，便于后续数据分析；装置整体可以快速反应，实现对机器人本体的自动有效保护，提高了保护装置的自动化水平。

附图说明

图1为本实施例基于拉线编码器原理的足式机器人行走测试保护平台的示意图；

图2为足式机器人行走测试保护平台的组成框图；

图3为控制策略流程框图。

图4为长方形空间内双足机器人的行走测试主动牵引系统布置示意主视图；

图5为长方形空间内双足机器人的行走测试主动牵引系统布置示意右视图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。本文中所涉及的方位词“上”、“下”、“左”和“右”，是以对应附图为基准而设定的，可以理解，上述方位词的出现并不限定本发明的保护范围。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示为本实施的足式机器人行走测试保护平台结构图，机器人模块化的牵引保护装置由电机绳索牵引装置1，定滑轮2，拉线编码器7 构成。电机绳索牵引装置1包括伺服电机及控制器以及固定支架等。电机绳索牵引装置1的牵引绳索穿过定滑轮2与机器人随动平板3的1个角连接。拉线编码器7安装在定滑轮2的旋转轴上，拉线编码器7的拉线一端与机器人随动平板3的1个角相连。每个电机牵引装置1的伺服电机都受到数据采集控制板卡5控制，同时数据采集板卡5会实时采集每个拉线编码器7的位置值，并通过简单处理后传递给PC机6，PC机6通过运行内在判断控制程序，执行对应策略并发送相关指令到数据采集控制板卡5。

如图2所示为本实施例的系统框图，机器人随动平板3的牵拉位置会被每个拉线编码器采集并实时反馈角度位置信息给数据采集控制板卡5，数据采集控制板卡5简单处理数据后反馈位置信息给PC机6。PC机6执行内在程序后，发送控制指令给数据采集控制板卡5，数据采集控制板卡根据控制指令再发送控制信号到对应的电机绳索牵引装置1，电机绳索牵引装置1执行对应指令，进行对应绳索牵引动作，调节机器人随动平板3 的姿态，从而实现对应功能。

本实施例中，随动平板3与足式机器人存在有两种状态：

(1)非保护状态：机器人上方随动平板在机器人本体上方保持水平。随动平板与机器人之间的绳索为松弛状态；

(2)保护状态：机器人随动平板在机器人本体的上方保持水平。随动平板与机器人之间的绳索张紧，使机器人本体上半身竖直，机器人处于松弛非倾倒状态。

如图3所示为本实施例的控制策略流程框图，为PC机6中运行的程序逻辑框图。通过机器人随动平板状态实时监测程序可以得到机器人随动平板3的实时状态，将机器人随动平板的高度值与设定的摔倒状态阈值做对比，当高度值大于设定阈值时，执行跟随程序；当高度值小于等于设定阈值时，执行保护程序，进入保护状态。具体的，保护程序执行时，先根据机器人随动平板3的状态计算得到电机绳索调节装置1的调整值并执行动作，同时监测随动平板3是否回归安全高度，若为否继续循环执行直到回归安全高度；若为是，保证静止并等待初始化信号，若检测到初始化信号，执行初始化程序，机器人保护装置回归初始状态；若为否，继续保持静止并等待。当执行随动程序时，机器人通过比较随动平板状态中的平面位置与阈值，检测是否移动。若为否，保持静止不动；若为是，读取拉线编码器机构7反馈的位移值，赋值计算得到的位移差值，调节电机绳索牵引装置1，从而实现跟随机器人移动。

本实施例中，以4个模块化牵引保护装置构成的测试系统为例，测试过程中4个模块化牵引保护装置可通过拉线编码器采集随动平板4个角到测试空间4个角上定滑轮的距离，通过计算得到随动平板的当前高度并与设定的高度阈值进行对比。当机器人本体具有摔倒倾向时，PC机通过程序判断执行保护策略，发出保护指令，控制伺服电机，调整绳索长度，使得随动平板抬升，给机器人本体向上的牵引力，保护机器人避免机器人摔倒，从而造成本体损坏。当机器人本体没有表现出摔倒倾向时，机器人正常行走会轻微拖动随动平板，从而使得4个模块的拉线编码器的拉线被拖动，通过计算分析判断，执行随动策略程序，即可实现随动平板的跟随功能。

图4和图5分别为图1的主视图和右视图，为方便对算法进行描述，在附图1、图4和5中对运算所需变量进行了标注，标注的物理量信息分别为：

L,W,H分别为矩形空间的长度，宽度和高度，以图示左下角的长方体顶点为坐标原点建立直角坐标系，沿长度方向向右为x轴正方向，沿宽度方向向内为y轴正方向，沿高度方向向上为z轴正方向；

m,n分别为机器人随动平板3的长度和宽度；

l1,l2,l3,l4分别为自定滑轮2至机器人随动平板3角之间的绳索长度；

h是机器人直立状态下，机器人绳索安装点的竖直高度；

S0是系统在张紧保护状态下，机器人随动平板与机器人绳索安装点之间的竖直距离，S1是系统在非保护状态下，机器人随动平板与机器人绳索安装点之间的竖直距离；

机器人所处的位置在xy平面上的投影位置为(x,y)；

房顶四顶点分别记为P1,P2,P3,P4；机器人随动平板四个安装点分别记为Q1,Q2,Q3,Q4；

为方便说明，在下述计算中忽略定滑轮安装位置与正方体四个顶角之间的位置偏差，即四个定滑轮的坐标分别为P1(0,W,H),P2(0,0,H),P3(L,0,H) 和P4(L,W,H)。

结合控制算法，对本专利所述的系统的工作流程进行详细说明：

1)在空间中完成系统布局后，首先进行初始化。机器人保持正常行走姿态的直立状态，机器人所处位置即为(x0,y0)，手动控制各个模块的电机绳索牵引装置1，控制绳索张紧，将机器人随动平板提升至(S0+h)高度并保持水平，记录此时拉线编码器机构7位置数据为初始状态，四条绳长数据为l10,l20,l30,l40；

2)对于机器人所处的实时位置(x,y)，进行空间几何解算，分别获取保护状态和非保护状态的绳长信息，具体的运算方法如下：

给出空间内两点A(x1,y1,z1),B(x2,y2,z2)之间距离的计算公式为 f(A,B)＝sqrt[(x1-x2)^2+(y1-y2)^2+(z1-z2)^2]；

对于非保护状态，当机器人运动到(x,y)时，机器人随动平板四个连接点的坐标位置分别为Q1(x-m/2,y+m/2,h+S1)、Q2(x-m/2,y-m/2,h+S1)、 Q3(x+m/2,y-m/2,h+S1)和Q4(x+m/2,y+m/2,h+S1)，求解绳长分别为 l1＝f(Q1,P1)、l2＝f(Q2,P2)、l3＝f(Q3,P3)、l4＝f(Q4,P4)；

对于保护状态，当机器人运动到(x,y)时，机器人随动平板向上运动至 (h+S0)高度，四个连接点的坐标位置分别为Q1’(x-m/2,y+m/2,h+S0)、Q2’ (x-m/2,y-m/2,h+S0)、Q3’(x+m/2,y-m/2,h+S0)和Q4’(x+m/2,y+m/2,h+S0)，求解绳长分别为l1’＝f(Q1’,P1)、l2’＝f(Q2’,P2)、l3’＝f(Q3’,P3)、l4’＝f(Q4’,P4)；

3)在每次上电使用时，系统根据当前机器人位置信息计算非保护状态下绳长l1,l2,l3,l4，并与初始化绳长信息l10,l20,l30,l40做差，dl1＝l1-l10、dl2＝l2-l20、dl3＝l3-l30、dl4＝l4-l40，差值信息由PC机计算得到，根据初始化时记录的编码装置数据和差值，运算得到上电时刻的所需的转动位置信息，拉动绳索实现所需绳长l1,l2,l3,l4；

4)测试过程中，根据实时获取的机器人位置信息(x,y)，更新绳长信息 l1,l2,l3,l4和l1’,l2’,l3’,l4’，实现机器人随动平板随机器人运动；

5)测试过程中，时刻获取的四根拉线编码器绳长的信息，计算得到位姿信息。当机器人位姿信息超过稳定行走阈值，判定为摔倒时，牵引保护系统切换至保护状态，各模块牵引绳索至l1’,l2’,l3’,l4’长度，实现对机器人的保护，切换至保护状态后，需用户对机器人进行初始化，解除保护状态，各模块牵引绳索恢复至l1,l2,l3,l4长度。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于拉线编码器原理的足式机器人行走测试保护平台，其特征在于，包括：

布置在足式机器人上方且通过拉绳与足式机器人连接的随动平板，

与所述随动平板连接的至少两个牵引保护装置；

所述的牵引保护装置包括：

一端与所述随动平板连接的牵引绳索，

由所述牵引绳索绕过的定滑轮，

与所述定滑轮同轴安装且拉线一端与随动平板连接的拉线编码器，

驱动所述牵引绳索释放和拉紧的伺服电机，

和处理器，根据所述拉线编码器的数据，控制伺服电机进行牵引绳索释放或拉紧，调节牵引绳索的长度。

2.如权利要求1所述的基于拉线编码器原理的足式机器人行走测试保护平台，其特征在于，所述的牵引保护装置还包括一数据采集控制卡，用于采集拉线编码器的数据并传给处理，并向所述伺服电机发送处理器输出的牵引绳索长度控制信号。

3.如权利要求2所述的基于拉线编码器原理的足式机器人行走测试保护平台，其特征在于，所述的数据采集控制卡包括：

电源模块，用于为拉线编码器和伺服电机供电；

通讯模块，用于处理器与伺服电机的通讯；

和数据采集模块，用于采集拉线编码器信号，处理后得到拉线编码器的数据。

4.如权利要求1所述的基于拉线编码器原理的足式机器人行走测试保护平台，其特征在于，所述的处理器根据拉线编码器的数据，计算得到随动平板当前的高度信息，根据所述的高度信息判断是否执行保护。

5.如权利要求4所述的基于拉线编码器原理的足式机器人行走测试保护平台，其特征在于，在足式机器人的直立状态进行初始化，根据所处位置信息，保持各牵引保护装置内的牵引绳索张紧使随动平板保持水平，并记录各牵引绳索的长度数据。

6.如权利要求4所述的基于拉线编码器原理的足式机器人行走测试保护平台，其特征在于，所述的处理器根据足式机器人所处位置信息，计算获取保护状态和非保护状态的绳长信息，具体的运算方法如下：

给出空间内两点A(x1,y1,z1)、B(x2,y2,z2)之间距离的计算公式为f(A,B)＝sqrt[(x1-x2)^2+(y1-y2)^2+(z1-z2)^2]；

对于非保护状态，当足式机器人运动到(x,y)时，随动平板四个连接点的坐标位置分别为Q1(x-m/2,y+m/2,h+S1)、Q2(x-m/2,y-m/2,h+S1)、Q3(x+m/2,y-m/2,h+S1)和Q4(x+m/2,y+m/2,h+S1)，求解绳长分别为l1＝f(Q1,P1)、l2＝f(Q2,P2)、l3＝f(Q3,P3)、l4＝f(Q4,P4)；

对于保护状态，当足式机器人运动到(x,y)时，随动平板向上运动至(h+S0)高度，四个连接点的坐标位置分别为Q1’(x-m/2,y+m/2,h+S0)、Q2’(x-m/2,y-m/2,h+S0)、Q3’(x+m/2,y-m/2,h+S0)和Q4’(x+m/2,y+m/2,h+S0)，求解绳长分别为l1’＝f(Q1’,P1)、l2’＝f(Q2’,P2)、l3’＝f(Q3’,P3)、l4’＝f(Q4’,P4)。

7.如权利要求6所述的基于拉线编码器原理的足式机器人行走测试保护平台，其特征在于，所述的处理器当前足式机器人位置信息计算非保护状态下绳长l1、l2、l3、l4，并与初始化的绳长信息做差，得到上电时刻的牵引绳索拉动的绳长。

8.如权利要求7所述的基于拉线编码器原理的足式机器人行走测试保护平台，其特征在于，在足式机器人的测试过程中，处理器根据拉线编码器的数据，实时获取的机器人位置信息(x,y)，更新绳长信息l1、l2、l3、l4和l1’、l2’、l3’、l4’控制牵引绳索释放和拉伸，使随动平板随机器人运动。

9.如权利要求8所述的基于拉线编码器原理的足式机器人行走测试保护平台，其特征在于，所述的处理器根据拉线编码器的绳长数据，计算得到足式机器人的位姿信息，判断机器人是否处于稳定行走状态；

当位姿信息超过稳定行走的阈值时，判定为摔倒，进入牵引保护状态，各牵引绳索的长度调至l1’、l2’、l3’和l4’长度，实现对足式机器人的保护。

Images