CN112363523A - 一种实时模拟四足动物运动的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实时模拟四足动物运动的方法和系统，方法包括：通过步态控制器确立四足动物的腿部间及脊柱关节间的相对时序关系，并根据四足动物的腿部及脊柱关节的运动特点构建出控制器模型；将控制器模型的输出信号通过映射变换构建出四足动物的足端运动轨迹模型和脊柱关节运动模型，将足端运动轨迹模型和脊柱关节运动模型的输出作为四足动物的运动控制信号来驱动四足动物；对四足动物的运动状态进行实时监测，步态控制器根据监测信息调整控制器模型的模型参数，以修正四足动物的运动姿态和足端轨迹。本发明可根据监测到的路面状态实时调整四足动物的运动姿态和运动轨迹，使得四足动物具备更强的地形适应能力。
Description
技术领域
本发明涉及运动模拟技术领域，具体涉及一种实时模拟四足动物运动的方法和系统。
背景技术
相比于传统的轮式和履带式移动机器人，四足机器人在复杂地形上运动具有更强的适应能力，可适用于电力巡检、灾后救援等领域。目前对于四足机器人运动的模拟研究主要集中在如何确保四足机器人在运动过程中的四足协调性和躯体平衡性，以使得四足机器人作出的模拟运动更加逼真、自然，更加接近真实的四足动物的运动姿态。但当四足机器人在运动过程中遇到障碍物需要避障或者地面上出现凹坑需要控制腿部收缩以不陷入凹坑中时，需要及时调整四足机器人的运动控制参数，以及时修正或调整机器人的运动姿态，越过障碍物，排除路面异常状况，并保持运动姿态平衡，但目前对于如何实现对四足机器人的运动状态的实时监测，并根据监测信息及时调整运动控制参数，驱动机器人改变运动姿态，确保运动顺畅、姿态平衡的研究很少，而且真实的四足动物为脊柱型的柔性动物，但现有的对于控制四足机器人运动的研究主要集中在刚性的四足机器人中，没有考虑到脊柱关节在运动过程中的变化对于躯体姿态的影响，导致四足机器人运动不自然，不够真实、逼真。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实时模拟四足动物运动的方法和系统，以解决上述技术问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
提供一种实时模拟四足动物运动的方法，包括如下步骤：
1)通过步态控制器确立四足动物的腿部间及脊柱关节间的相对时序关系，并根据四足动物的腿部及脊柱关节的运动特点构建出控制器模型；
2)将控制器模型的输出信号通过映射变换构建出四足动物的足端运动轨迹模型和脊柱关节运动模型，将足端运动轨迹模型的输出作为四足动物的步态控制信号，将脊柱关节运动模型的输出作为四足动物的脊柱运动控制信号来驱动四足动物；
3)对四足动物的运动状态进行实时监测，所述步态控制器根据监测信息临时调整所述控制器模型的模型参数，以修正四足动物的运动姿态和足端轨迹，并在修正完成后重新控制四足动物恢复到原先规划的运动轨迹。
优选地，对四足动物运动状态的监测包括对四足动物足端与水平地面间的倾角的实时监测，捆绑在四足动物足端的角度传感器实时监测四足动物足端与水平地面间的倾角，并在足端倾角大于一倾角阈值时，判定四足动物当前运动状态异常并生成异常信息发送给所述步态控制器，
所述步态控制器根据接收到的所述异常信息调整所述控制器模型的模型参数，以改变所述控制器模型的输出信号，进而修正四足动物的足端轨迹，并在修正完成后控制四足动物重新恢复到原先规划的足端运动轨迹。
优选地，对四足动物运动状态的监测包括对四足动物是否发生碰撞的实时检测，当捆绑在四足动物足端的足端力传感器检测到四足动物发生碰撞时，所述足端力传感器向所述步态控制器发送碰撞信息，所述步态控制器根据接收到的碰撞信息调整腿部关节的运动参数，并通过所述控制器模型修正四足动物的腿部运动姿态以越过障碍物。
优选地，对四足动物运动状态的监测包括对四足动物在运动时是否踏空的实时检测，当捆绑在四足动物足端的足端力传感器检测到四足动物踏空时，所述足端力传感器向所述步态控制器发送一踏空信号，所述步态控制器根据接收到的踏空信号调整腿部关节的运动参数，并通过所述控制器模型修正四足动物的腿部运动姿态以避免踏空。
优选地，对四足动物运动状态的监测包括对作用在四足动物上的外作用力的实时检测，当捆绑在四足动物躯体上的加速度传感器感知到感知方向上的加速度时，判定加速度值是否大于一预设阈值，若是，则判定当前有外部作用力作用在四足动物上，并生成作用力信息发送给所述步态控制器，所述步态控制器根据接收到的所述外作用力信息调整四足动物的运动参数，并通过所述控制器模型改变输出信号以调整四足动物的运动姿态，维持四足动物的运动平衡。
本发明还提供了一种实时模拟四足动物运动的系统，可实现所述的方法，该系统包括：
四足动物运动时序关系确定模块，用于通过步态控制器确立四足动物的腿部间和脊柱关节间的相对时序关系；
控制器模型构建模块，用于根据四足动物的腿部及脊柱关节的运动特点构建出控制器模型；
四足动物足端运动估计模型构建模块，连接所述控制器模型构建模块，用于将控制器模型的输出信号通过映射变换构建出四足动物的足端运动轨迹模型；
脊柱关节运动模型构建模块，连接所述控制器模型构建模块，用于将控制器模型的输出信号通过映射变换构建出四足动物的脊柱关节运动模型；
四足动物驱动模块，分别连接所述四足动物足端运动估计模型构建模块和所述脊柱关节运动模型构建模块，用于将足端运动轨迹模型的输出作为四足动物的步态控制信号，将脊柱关节运动模型的输出作为四足动物的脊柱运动控制信号来驱动四足动物；
运动状态实时监测模块，用于对四足动物的运动状态进行实时监测并将监测到的信息发送给所述步态控制器，所述步态控制器根据监测信息临时调整所述控制器模型的模型参数，以修正四足动物的运动姿态和足端轨迹，并在修正完成后重新控制四足动物恢复到原先规划的运动轨迹。
优选地，所述运动状态实时监测模块包括：
地面倾角监测单元，用于实时监测四足动物足端与水平地面的倾角；
倾角异常判断单元，连接所述地面倾角监测单元，用于在监测到的足端倾角大于一倾角阈值时，判定四足动物当前运动状态异常，生成异常信息并发送给所述步态控制器；
碰撞检测单元，用于对四足动物在运动过程中是否发生碰撞进行实时检测，并在检测到四足动物发生碰撞时生成碰撞信息并发送给所述步态控制器；
踏空检测单元，用于对四足动物在运动过程中是否踏空进行实时检测，并在检测到四足运动当前踏空时生成踏空信息发送给所述步态控制器；
外作用力检测单元，用于对四足动物上是否存在外作用力进行实时检测，并在检测到外作用力时生成作用力信息发送给所述步态控制器。
优选地，所述地面倾角监测单元为角度传感器。
优选地，所述碰撞检测单元和所述踏空检测单元为测力传感器；
优选地，所述外作用力检测单元为加速度传感器。
本发明通过步态控制器规划四足动物的运动轨迹，并在四足动物运动过程中实时检测运动状态，并在监测到四足动物运动姿态异常时，通过步态控制器临时调整控制器模型的模型参数，以修正四足动物的运动姿态和足端轨迹，保持四足运动的协调性和躯体姿态平衡，并在修正完成后重新控制四足动物恢复到原先规划的运动轨迹，使得四足动物具备更强的地形适应能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的实时模拟四足动物运动的方法的步骤图；
图2是本发明一实施例提供的实时模拟四足动物运动的系统结构图；
图3位所述实时模拟四足动物运动的系统中的所述运动状态实时监测模块的内部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明一实施例提供的一种实时模拟四足动物运动的方法，如图1所示，包括：
S1，通过步态控制器确立四足动物的腿部间及脊柱间的相对时序关系，并根据四足动物的腿部及脊柱关节的运动特点构建出控制器模型；
S2，将控制器模型的输出信号通过映射变换构建出四足动物的足端运动轨迹模型和脊柱关节运动模型，将足端运动轨迹模型的输出作为四足动物的步态控制信号，将脊柱关节运动模型的输出作为四足动物的脊柱运动控制信号来驱动四足动物；
S3，对四足动物的运动状态进行实时监测，步态控制器根据监测信息临时调整控制器模型的模型参数，以修正四足动物的运动轨迹和足端轨迹，并在修正完成后重新控制四足动物恢复到原先规划的运动轨迹。
上述的四足动物为模拟真实的四足动物运动的四足机器人。
步骤3)中，对四足动物运动状态的监测包括对四足动物足端与水平地面间的倾角的实时监测，通过捆绑在四足动物足端的角度传感器实时监测四足动物足端与水平地面间的倾角，并在足端倾角大于一倾角阈值时，判定四足动物当前运动状态异常并生成异常信息发送给步态控制器，
步态控制器则根据接收到的异常信息调整控制器模型的模型参数，以改变控制器模型的输出信号，进而修正四足动物的足端轨迹，并在修正完成后控制四足动物重新恢复到原先规划的足端运动轨迹。
步骤3)中，对四足动物运动状态的监测还包括对四足动物是否发生碰撞的实时检测，当捆绑在四足动物足端的足端力传感器检测到四足动物发生碰撞时，足端力传感器向步态控制器发送碰撞信息，步态控制器根据接收到的碰撞信息调整腿部关节的运动参数，并通过控制器模型修正四足动物的腿部运动姿态以越过障碍物。
步骤3)中，对四足动物运动状态的监测还包括对四足动物在运动时是否踏空的实时检测，当捆绑在四足动物足端的足端力传感器检测到四足动物踏空时，足端力传感器向步态控制器发送一踏空信号，步态控制器根据接收到的踏空信号调整腿部关节的运动参数，并通过控制器模型修正四足动物的腿部运动姿态以避免踏空。
步骤3)中，对四足动物运动状态的监测还包括对作用在四足动物上的外作用力的实时检测，当捆绑在四足动物躯体上的加速度传感器感知到感知方向上的加速度时，判定加速度值是否大于一预设阈值，若是，则判定当前有外部作用力作用在四足动物上，并生成作用力信息发送给步态控制器，步态控制器根据接收到的外作用力信息调整四足动物的运动参数，并通过控制器模型改变输出信号以调整四足动物的运动姿态，维持四足动物的运动平衡。
本发明还提供了一种实时模拟四足动物运动的系统，如图2所示，该系统包括：
四足动物运动时序关系确定模块，用于通过步态控制器确立四足动物的腿部间和脊柱关节间的相对时序关系；
控制器模型构建模块，用于根据四足动物的腿部及脊柱关节的运动特点构建出控制器模型；
四足动物足端运动估计模型构建模块，连接控制器模型构建模块，用于将控制器模型的输出信号通过映射变换构建出四足动物的足端运动轨迹模型；
脊柱关节运动模型构建模块，连接控制器模型构建模块，用于将控制器模型的输出信号通过映射变换构建出四足动物的脊柱关节运动模型；
四足动物驱动模块，分别连接四足动物足端运动估计模型构建模块和脊柱关节运动模型构建模块，用于将足端运动轨迹模型的输出作为四足动物的步态控制信号，将脊柱关节运动模型的输出作为四足动物的脊柱运动控制信号来驱动四足动物；
运动状态实时监测模块，用于对四足动物的运动状态进行实时监测并将监测到的信息发送给步态控制器，步态控制器根据监测信息临时调整控制器模型的模型参数，以修正四足动物的运动姿态和足端轨迹，并在修正完成后重新控制四足动物恢复到原先规划的运动轨迹。
如图3所示，运动状态实时监测模块中具体包括：
地面倾角监测单元，用于实时监测四足动物足端与水平地面的倾角；地面倾角监测单元优选为角度传感器；
倾角异常判断单元，连接地面倾角监测单元，用于在监测到的足端倾角大于一倾角阈值时，判定四足动物当前运动状态异常，生成异常信息并发送给所述步态控制器；
碰撞检测单元，用于对四足动物在运动过程中是否发生碰撞进行实时检测，并在检测到四足动物发生碰撞时生成碰撞信息并发送给所述步态控制器；碰撞检测单元优选为测力传感器；
踏空检测单元，用于对四足动物在运动过程中是否踏空进行实时检测，并在检测到四足运动当前踏空时生成踏空信息发送给步态控制器；踏空检测单元同样优选为测力传感器；
外作用力检测单元，用于对四足动物上是否存在外作用力进行实时检测，并在检测到外作用力时生成作用力信息发送给所述步态控制器。外作用力检测单元优选为加速度传感器。
本发明通过步态控制器规划四足动物的运动轨迹，并在四足动物运动过程中实时检测运动状态，并在监测到四足动物运动姿态异常时，通过步态控制器临时调整控制器模型的模型参数，以修正四足动物的运动姿态和足端轨迹，保持四足运动的协调性和躯体姿态平衡，并在修正完成后重新控制四足动物恢复到原先规划的运动轨迹，使得四足动物具备更强的地形适应能力。
需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。
Claims (10)
1.一种实时模拟四足动物运动的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)通过步态控制器确立四足动物的腿部间及脊柱关节间的相对时序关系，并根据四足动物的腿部及脊柱关节的运动特点构建出控制器模型；
2)将控制器模型的输出信号通过映射变换构建出四足动物的足端运动轨迹模型和脊柱关节运动模型，将足端运动轨迹模型的输出作为四足动物的步态控制信号，将脊柱关节运动模型的输出作为四足动物的脊柱运动控制信号来驱动四足动物；
3)对四足动物的运动状态进行实时监测，所述步态控制器根据监测信息临时调整所述控制器模型的模型参数，以修正四足动物的运动姿态和足端轨迹，并在修正完成后重新控制四足动物恢复到原先规划的运动轨迹。
2.根据权利要求1所述的实时模拟四足动物运动的方法，其特征在于，对四足动物运动状态的监测包括对四足动物足端与水平地面间的倾角的实时监测，捆绑在四足动物足端的角度传感器实时监测四足动物足端与水平地面间的倾角，并在足端倾角大于一倾角阈值时，判定四足动物当前运动状态异常并生成异常信息发送给所述步态控制器，
所述步态控制器根据接收到的所述异常信息调整所述控制器模型的模型参数，以改变所述控制器模型的输出信号，进而修正四足动物的足端轨迹，并在修正完成后控制四足动物重新恢复到原先规划的足端运动轨迹。
3.根据权利要求1所述的实时模拟四足动物运动的方法，其特征在于，对四足动物运动状态的监测包括对四足动物是否发生碰撞的实时检测，当捆绑在四足动物足端的足端力传感器检测到四足动物发生碰撞时，所述足端力传感器向所述步态控制器发送碰撞信息，所述步态控制器根据接收到的碰撞信息调整腿部关节的运动参数，并通过所述控制器模型修正四足动物的腿部运动姿态以越过障碍物。
4.根据权利要求1所述的实时模拟四足动物运动的方法，其特征在于，对四足动物运动状态的监测包括对四足动物在运动时是否踏空的实时检测，当捆绑在四足动物足端的足端力传感器检测到四足动物踏空时，所述足端力传感器向所述步态控制器发送一踏空信号，所述步态控制器根据接收到的踏空信号调整腿部关节的运动参数，并通过所述控制器模型修正四足动物的腿部运动姿态以避免踏空。
5.根据权利要求1所述的实时模拟四足动物运动的方法，其特征在于，对四足动物运动状态的监测包括对作用在四足动物上的外作用力的实时检测，当捆绑在四足动物躯体上的加速度传感器感知到感知方向上的加速度时，判定加速度值是否大于一预设阈值，若是，则判定当前有外部作用力作用在四足动物上，并生成作用力信息发送给所述步态控制器，所述步态控制器根据接收到的所述外作用力信息调整四足动物的运动参数，并通过所述控制器模型改变输出信号以调整四足动物的运动姿态，维持四足动物的运动平衡。
6.一种实时模拟四足动物运动的系统，可实现如权利要求1-5任意一项所述的方法，其特征在于，该系统包括：
四足动物运动时序关系确定模块，用于通过步态控制器确立四足动物的腿部间和脊柱关节间的相对时序关系；
控制器模型构建模块，用于根据四足动物的腿部及脊柱关节的运动特点构建出控制器模型；
四足动物足端运动估计模型构建模块，连接所述控制器模型构建模块，用于将控制器模型的输出信号通过映射变换构建出四足动物的足端运动轨迹模型；
脊柱关节运动模型构建模块，连接所述控制器模型构建模块，用于将控制器模型的输出信号通过映射变换构建出四足动物的脊柱关节运动模型；
四足动物驱动模块，分别连接所述四足动物足端运动估计模型构建模块和所述脊柱关节运动模型构建模块，用于将足端运动轨迹模型的输出作为四足动物的步态控制信号，将脊柱关节运动模型的输出作为四足动物的脊柱运动控制信号来驱动四足动物；
运动状态实时监测模块，用于对四足动物的运动状态进行实时监测并将监测到的信息发送给所述步态控制器，所述步态控制器根据监测信息临时调整所述控制器模型的模型参数，以修正四足动物的运动姿态和足端轨迹，并在修正完成后重新控制四足动物恢复到原先规划的运动轨迹。
7.根据权利要求6所述的实时模拟四足动物运动的方法，其特征在于，所述运动状态实时监测模块包括：
地面倾角监测单元，用于实时监测四足动物足端与水平地面的倾角；
倾角异常判断单元，连接所述地面倾角监测单元，用于在监测到的足端倾角大于一倾角阈值时，判定四足动物当前运动状态异常，生成异常信息并发送给所述步态控制器；
碰撞检测单元，用于对四足动物在运动过程中是否发生碰撞进行实时检测，并在检测到四足动物发生碰撞时生成碰撞信息并发送给所述步态控制器；
踏空检测单元，用于对四足动物在运动过程中是否踏空进行实时检测，并在检测到四足运动当前踏空时生成踏空信息发送给所述步态控制器；
外作用力检测单元，用于对四足动物上是否存在外作用力进行实时检测，并在检测到外作用力时生成作用力信息发送给所述步态控制器。
8.根据权利要求7所述的实时模拟四足动物运动的系统，其特征在于，所述地面倾角监测单元为角度传感器。
9.根据权利要求7所述的实时模拟四足动物运动的系统，其特征在于，所述碰撞检测单元和所述踏空检测单元为测力传感器。
10.根据权利要求7所述的实时模拟四足动物运动的系统，其特征在于，所述外作用力检测单元为加速度传感器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210212 |