CN112327860A - 一种水陆两栖仿生机器人自适应运动控制系统 - Google Patents

一种水陆两栖仿生机器人自适应运动控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水陆两栖仿生机器人自适应运动控制系统，包括：中央控制器、双目视觉系统、姿态传感器和深度传感器；中央控制器读取双目视觉系统、姿态传感器识别的环境信息和机器人姿态信息，并读取驱动机器人足蹼可切换腿动作的的力矩电机的力矩反馈信息和深度传感器的水深信息，规划相应的步态，控制机器人足蹼可切换腿进行变形，进行节律运动或非节律运动，赋予机器人在不同地形环境中的运动能力。本发明通过融合多传感器反馈信息，机器人能够自主分辨所处的介质环境和地形；通过中央控制器和中枢模式发生器自适应控制两栖机器人足蹼变形和运动步态，使机器人能够自适应滩涂、沙地、沼泽等地形环境，满足两栖多足机器人的工作要求。

Description

一种水陆两栖仿生机器人自适应运动控制系统
技术领域
本发明涉及用于水陆两栖环境的仿生机器人，更详细地涉及一种在陆地通过轮式腿行进，水中通过蹼型腿游动的具备水陆两栖环境下运动能力的多足机器人。
背景技术
随着仿生机器人技术的不断发展，仿生机器人的种类不断增多，应用领域不断拓展。现有的仿生机器人通常仅具有单一的陆地行走或水中行进功能，而实际使用中，机器人多用于复杂的非结构化地形，针对单一环境的仿生机器人环境适应能力有限，难以适应水陆交替环境，例如滩涂、水网、沼泽等地形。而现实中存在大量的水陆交替环境，这就要求机器人具有两栖行进能力，即能够在硬地、砾石、沙土、沼泽和浅滩等复杂地形条件下行进的机器人。
目前现有的六足仿生机器人系统，比较具有代表性的是波士顿动力学公司的RHEX系列机器人，其能够在陆地快速行进，具备一定的越障能力。但是不具备在水中的行进能力。麦吉尔大学在RHEX的基础上研制研制出两栖机器人“AQUA”，AQUA可较好地实现水陆两栖的运动，但不足之处是需要两套移动驱动机构且需要人工更换以实现水陆两栖环境的匹配。要使两栖机器人具备水陆两栖运动能力，除了需要能够在水陆两栖运动的足部结构之外，还需要相应的具备水陆两栖自适应能力的控制系统。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：克服已有两栖机器人控制系统的不足之处，满足水陆两栖六足机器人陆地和水下运动控制，通过基于多种反馈信号的CPG反馈控制模型，为两栖机器人提供水陆两栖自适应运动步态，以解决六足机器人的运动控制问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种水陆两栖仿生机器人自适应运动控制系统，组成如下：控制系统由中央控制器、视觉系统、姿态传感器等组成。运行于中央控制器的控制算法通过串口读取视觉系统和姿态传感器识别的环境信息和机器人姿态信息，并读取力矩电机的力矩反馈信息和深度传感器的水深信息，规划相应的步态；并传给中枢模式发生器算法，通过中枢模式发生器算法产生CPG构型，控制两栖机器人足蹼进行变形，并进行节律运动或非节律运动；从而赋予机器人在不同地形环境中的运动能力，为了保证机器人在水中的自由运动，机器人采用零浮力设计，保证机器人在水中的自由上浮和下潜。
上述能够在水陆两栖环境下行进的六足仿生机器人包括：机器人本体；多个足，设于上述机器人本体。
上述各足以上述机器人本体的中心线为界限，以相对应的数量对称布置在上述机器人本体两侧，可为四足、六足等偶数组合。
上述的中央控制器位于机器人本体内部，采用PC104架构；上面集成有中央控制算法和中枢模式发生器算法。
上述的双目视觉系统安装于机器人本体的前部，采用双目视觉识别工作环境和障碍。
上述的力矩反馈信息通过力矩电机获得，为机器人提供每条足的力矩信息，通过力矩信息能够判断机器人当前所处的地面介质环境。
上述的深度传感器安装在机器人本体下表面，获取水中深度信息，为机器人足蹼变形和潜深控制提供水深信息支持。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的水陆两栖仿生机器人自适应运动控制系统，通过融合多传感器反馈信息，特别是双目视觉信息和力矩反馈信息，机器人能够自主分辨所处的介质环境和地形；并通过中央控制器和中枢模式发生器自适应控制两栖机器人足蹼变形和运动步态，混合采用多种步态扩大机器人的环境适应能力，使机器人能够自适应滩涂、沙地、沼泽等地形环境，满足两栖多足机器人的工作要求。
附图说明
图1两栖机器人陆地行进状态示意图。
图2两栖机器人水中游动状态示意图。
图3两栖机器人控制系统结构框图。
图4两栖机器人控制流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
参照图1至图4所示，本实施例机器人本体1上成对安装有足蹼可切换腿，足式腿2和蹼式腿3通过足蹼变形电机4进行切换，从而使得两栖机器人在陆地上通过“C”型的足式腿2行进，在水中通过直线型的蹼式腿3游动，足式腿2和蹼式腿3的转动均由力矩电机5驱动。在机器人本体前端装有双目摄像头6，双目摄像头6能够获取机器人前方图像信息，经过安装于机器人本体1内的图像采集卡7中的图像处理算法，能够得到前方障碍物的距离、大小等数据和前方地形环境信息，双目摄像头6和图像采集卡7共同组成双目视觉系统8。
机器人本体1内安装有中央控制器9，中央控制器9内集成有中央控制算法10和中枢模式发生器算法11，其中中央控制算法10用于控制机器人本体的全部传感器，中枢模式发生器算法11采用CPG方法，用于产生陆地和水中的不同步态，通过电机驱动器12控制足式腿2或蹼式腿3产生节律或非节律运动。
机器人本体1内还安装有深度传感器13和姿态传感器14，两者分别向中央控制器9提供水深和姿态信息。深度传感器13用于获取水深信息，为控制两栖机器人潜深提供深度数据；姿态传感器14用于获取机器人实时姿态信息，为机器人姿态控制提供姿态数据。
机器人进行运动规划是：首先深度传感器13获得机器人本体1的深度信息，并将它传给中央控制器9的中央控制算法10，中央控制算法10根据深度信息判断机器人是处于水中，还是处于陆地。
当机器人本体1处于水中时，中央控制器确定当前涉水深度和机器人姿态，之后确定机器人腿部状态处于足式腿2还是蹼式腿3，当机器人处于足式腿2时通过电机驱动器12驱动足蹼变形电机4将足式腿2切换为蹼式腿3，最后中央控制器9根据机器人的姿态信息进行运动规划，并通过中枢模式发生器算法11产生节律或非节律运动控制机器人上浮、下潜、前进或转向。
当机器人本体1处于水中时，中央控制器确定当前涉水深度和机器人姿态，之后确定机器人腿部状态处于足式腿2还是蹼式腿3，当机器人处于足式腿2时通过电机驱动器12驱动足蹼变形电机4将足式腿2切换为蹼式腿3，最后中央控制器9根据机器人姿态传感器14的姿态信息进行运动规划，并通过中枢模式发生器算法11产生节律或非节律运动控制机器人上浮、下潜、前进或转向。
当机器人本体1处于陆地时，中央控制器确定机器人腿部状态处于足式腿2还是蹼式腿3，当机器人处于蹼式腿3时通过电机驱动器12驱动足蹼变形电机4将蹼式腿3切换为足式腿2，然后中央控制器9中的中央控制算法根据力矩电机5的力矩反馈信息、双目视觉系统8的双目视觉信息和姿态传感器14的姿态信息综合判断当前所处的地形介质和环境，当处于浅滩地形时采用二足步态，沙地和沼泽时采用利于脱困的四足步态，处于硬地环境时采用三足步态。最后通过中枢模式发生器算法11产生节律或非节律运动控制机器人前进、后退或转向。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水陆两栖仿生机器人自适应运动控制系统，其特征在于，包括：中央控制器、双目视觉系统、姿态传感器和深度传感器；中央控制器读取双目视觉系统、姿态传感器识别的环境信息和机器人姿态信息，并读取驱动机器人足蹼可切换腿动作的的力矩电机的力矩反馈信息和深度传感器的水深信息，规划相应的步态，控制机器人足蹼可切换腿进行变形，进行节律运动或非节律运动，赋予机器人在不同地形环境中的运动能力。
2.如权利要求1所述的水陆两栖仿生机器人自适应运动控制系统，其特征在于，所述中央控制器安装在机器人本体内，中央控制器内集成有中央控制算法单元和中枢模式发生器算法单元，中央控制算法单元用于控制机器人本体的全部传感器，中枢模式发生器算法单元采用CPG方法，用于产生陆地和水中的不同步态，驱动机器人足蹼可切换腿进行节律运动或非节律运动。
3.如权利要求2所述的水陆两栖仿生机器人自适应运动控制系统，其特征在于，所述足蹼可切换腿包括足式腿和蹼式腿，足式腿和蹼式腿的转动均由力矩电机驱动，中枢模式发生器算法单元通过电机驱动器驱动力矩电机，控制足式腿或蹼式腿产生节律或非节律运动。
4.如权利要求3所述的水陆两栖仿生机器人自适应运动控制系统，其特征在于，所述足式腿和蹼式腿成对安装在机器人本体上，足式腿和蹼式腿通过足蹼变形电机进行切换，使得机器人在陆地上通过“C”型的足式腿行进，在水中通过直线型的蹼式腿游动。
5.如权利要求4所述的水陆两栖仿生机器人自适应运动控制系统，其特征在于，所述深度传感器和姿态传感器安装在机器人本体内，分别向中央控制器提供水深和姿态信息；深度传感器用于获取水深信息，为控制两栖机器人潜深提供深度数据；姿态传感器用于获取机器人实时姿态信息，为机器人姿态控制提供姿态数据。
6.如权利要求5所述的水陆两栖仿生机器人自适应运动控制系统，其特征在于，所述双目视觉系统包括安装在机器人本体前端的双目摄像头和图像采集卡，双目摄像头获取机器人前方图像信息，经过安装于机器人本体内的图像采集卡中的图像处理，得到前方障碍物的距离、大小和前方地形环境信息。
7.如权利要求5所述的水陆两栖仿生机器人自适应运动控制系统，其特征在于，所述足式腿和蹼式腿以机器人本体的中心线为界限，以相对应的数量对称布置在机器人本体两侧。
8.如权利要求5所述的水陆两栖仿生机器人自适应运动控制系统，其特征在于，所述足式腿和蹼式腿均为四足或六足的偶数组合。
9.如权利要求5所述的水陆两栖仿生机器人自适应运动控制系统，其特征在于，所述中央控制器采用PC104架构。
10.基于权利要求1-9中任一项水陆两栖仿生机器人自适应运动控制系统的水陆两栖仿生机器人自适应运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先深度传感器获得机器人本体的深度信息，并将它传给中央控制器的中央控制算法单元，中央控制算法单元根据深度信息判断机器人是处于水中，还是处于陆地；
当机器人本体处于水中时，中央控制器确定当前涉水深度和机器人姿态，之后确定机器人腿部状态处于足式腿还是蹼式腿，当机器人处于足式腿时通过电机驱动器驱动足蹼变形电机将足式腿切换为蹼式腿，最后中央控制器根据机器人的姿态信息进行运动规划，并通过中枢模式发生器算法单元产生节律或非节律运动控制机器人上浮、下潜、前进或转向；
当机器人本体处于水中时，中央控制器确定当前涉水深度和机器人姿态，之后确定机器人腿部状态处于足式腿还是蹼式腿，当机器人处于足式腿时通过电机驱动器驱动足蹼变形电机将足式腿切换为蹼式腿，最后中央控制器根据机器人姿态传感器的姿态信息进行运动规划，并通过中枢模式发生器算法单元产生节律或非节律运动控制机器人上浮、下潜、前进或转向；
当机器人本体处于陆地时，中央控制器确定机器人腿部状态处于足式腿还是蹼式腿，当机器人处于蹼式腿时通过电机驱动器驱动足蹼变形电机将蹼式腿切换为足式腿，然后中央控制器中的中央控制算法根据力矩电机的力矩反馈信息、双目视觉系统的双目视觉信息和姿态传感器的姿态信息综合判断当前所处的地形介质和环境，当处于浅滩地形时采用二足步态，沙地和沼泽时采用利于脱困的四足步态，处于硬地环境时采用三足步态；最后通过中枢模式发生器算法单元产生节律或非节律运动控制机器人前进、后退或转向。
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