CN112433535A - 轮步复合移动平台及越障模式下多关节协同的自回稳方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种轮步复合移动平台及越障模式下多关节协同的自回稳方法，其中，所述自回稳方法包括S1：在越障过程中，通过IMU读取移动平台本体翻转角度，并根据翻转角度进行平台站立行进和倒地复位的判断；S2：计算单元根据IMU惯性测量单元反馈的平台本体翻转角度进行姿态解算，计算出腿式运动机构应该调整的关节角度；S3：控制单元根据计算单元计算的关节角度控制腿部模型实现整体的初步姿态调控；S4：控制单元根据IMU惯性测量单元读取的翻转数据，控制侧摆关节进行相应方向和幅度摆动，在电机有效范围内，侧摆角度与平台翻转关系近似于线性模型。本方法使轮步复合移动平台在越障模式下具备了较强的稳定性和一定的倒地自复位能力，为平台充分发挥出轮步复合的越障优势提供了有力保障。
Description
技术领域
本发明属于移动机器人技术领域，尤其涉及一种轮步复合移动平台及越障模式下多关节协同的自回稳方法。
背景技术
地面移动机器人大致可分为三类：轮式、履带式和足式机器人，车辆属于典型的轮式机器人，它可以轻松将我们送达各种目的地，但自然界有许多地形是传统轮式或履带式难以到达的，而哺乳动物却能在这些地形行走自如，这充分显示了四足移动方式的灵活性。目前较完善的四足机器人研发成果有：波士顿Spot、MIT Cheetah、已经参与美军军演的Ghost Robotics、瑞士苏黎世联邦理工学院的轮腿复合四足机器人Anymal等等。
四足以及轮步复合四足机器人有着强大的越障优势，但优势发挥前提在于平台能够稳定的行进，移动平台在通过某些极端复杂的路面障碍时，难免会出现侧翻的现象，此时将彻底失去行动能力，针对侧翻问题，波士顿动力早期借助机械臂来帮助自己站立，如图1所示；也有人提出“一种基于深度强化学习的四足机器人跌倒自复位控制方法”，如图2所示。这些手段都有着不错的效果，但机械臂方案增加了移动平台负载，能耗较大，而深度强化学习训练过程繁琐，训练时间长，并且以上的方案都是专一针对倒地复位问题提出的，对平台的自稳问题并没有帮助，移动平台的倒地自复位与自我稳定割裂考虑，缺乏一个连贯的越障过程中从自稳到稳定失效倒地复位的处理逻辑。
现有技术的客观缺点：
1、轮步复合移动平台倒地后几乎丧失行动能力，现有稳定性算法难以保证百分百的越障稳定实现。
2、依据机械臂等设备的倒地自复位，增加了移动平台的负载与能耗；
3、基于深度强化学习的倒地复位，需要较长的控制器训练时间
4、越障过程的自稳算法和倒地复位算法大多属于不同的控制策略，缺乏一个连贯的自回稳控制逻辑。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明公开了一种轮步复合移动平台及越障模式下多关节协同的自回稳方法，以解决现有技术的不足。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
轮步复合移动平台，包括腿部模型，所述腿部模型包括轮式运动机构和腿式运动机构；所述轮式运动机构包括动力元件以及安装于腿式运动机构末端的轮子，所述动力元件与轮子连接，以驱动轮子转动；所述腿式运动机构采取全膝式布置形式。
进一步地，所述腿式运动机构包含侧摆关节、髋关节、第一支腿、膝关节、第二支腿，所述侧摆关节与髋关节可活动连接，所述髋关节与第一支腿可活动连接，所述第一支腿与第二支腿通过膝关节可活动连接。
进一步地，所述轮步复合移动平台还包括平台本体，所述侧摆关节与平台本体可活动连接。
进一步地，所述平台本体配置有检测其翻转角度的IMU惯性测量单元和控制单元，所述平台本体配置有计算单元。
进一步地，所述IMU惯性测量单元与计算单元连接，所述计算单元与控制单元连接，所述控制单元与腿部模型连接，以实现整体的初步姿态调控。
进一步地，所述IMU惯性测量单元与控制单元连接，所述控制单元与侧摆关节连接，以控制侧摆关节进行相应方向和幅度摆动。
轮步复合移动平台的越障模式下多关节协同的自回稳方法，包括如下步骤：
S1：在越障过程中，通过IMU(Inertial measurement unit惯性测量单元)读取移动平台本体翻转角度，并根据翻转角度进行平台站立行进和倒地复位的判断；
S2：计算单元根据IMU惯性测量单元反馈的平台本体翻转角度进行姿态解算，计算出腿式运动机构应该调整的关节角度；
S3：控制单元根据计算单元计算的关节角度控制腿部模型实现整体的初步姿态调控；
S4：控制单元根据IMU惯性测量单元读取的翻转数据，控制侧摆关节进行相应方向和幅度摆动，以使在电机有效范围内，侧摆角度与平台翻转关系近似于线性模型。
进一步地，所述步骤S1具体包括：
S11：初始化：系统初始化，进入相应越障模式，以楼梯越障为例，移动平台进入爬越楼梯模式，腿式运动机构完成各关节角度的初态调整，平台本体采用综合速度与稳定性的Trot步态行进，同时辅助轮式运动机构的转动；
S12：IMU翻转角度测量：爬越过程中，IMU惯性测量单元时刻检测平台本体翻转情况，根据翻转角度判断平台本体此时是稳定行进还是倒地状态，以平台发生侧翻动作为分界点，平台分别处于站立稳定与跌倒两种状态，即分界点之前(小于分界点)定义为平台的自稳定控制阶段，分界点之后(大于分界点)则属于平台的倒地自恢复阶段，两个阶段合称为移动平台越障模式下的自回稳控制。
进一步地，所述步骤S2具体包括：
IMU惯性测量单元会将读取移动平台翻转角度反馈给计算单元，以修正平台本体到稳定的目标姿态，计算单元计算出目标姿态下的各足位置坐标，代入运动学逆解求解出腿式运动机构各关节角度的调整角度。
本发明具有如下有益效果：
1、本方法使轮步复合移动平台在越障模式下具备了较强的稳定性和一定的倒地自复位能力，为平台充分发挥出轮步复合的越障优势提供了有力保障。
2、越障过程中，平台稳定性保持与倒地复位采用同一种自回稳控制逻辑，都是通过各关节协同运动实现，只是根据IMU惯性测量单元读取平台本体翻转角度的不同，关节调节幅度有所差异，具有控制策略的连贯性，一种控制策略兼具了两种功能的实现，既提高了平台的稳定性，增大了移动平台的侧翻阈值，又实现了平台倒地时的自我复位，算法简化，一举两得，应用起来简单有效。
3、本发明在倒地复位过程不需要借助任何外部设备，可自行完成，减少了平台的负载与能耗；此外复位方法也比较简单，不需经过深度强化学习等的复杂训练。
附图说明
图1为现有技术借助机械臂来帮助自己站立的复合移动平台的结构示意图；
图2为现有技术的一种基于深度强化学习的四足机器人跌倒自复位控制方法的流程图；
图3为本发明提供的一种轮步复合移动平台的结构示意图；
图4为本发明提供的一种轮步复合移动平台及越障模式下多关节协同控制的逻辑图；
其中：1-腿式运动机构；2-轮式运动机构；11-侧摆关节；12-髋关节；13-第一支腿；14-膝关节；15-第二支腿。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
轮步移动平台具有较强的越障能力，在地震救援、警用防爆等方面有着良好的应用前景，但其自身稳定性并不如轮式以及履带式结构。在灾后废墟、城市楼房等环境中，存在诸多如石砾、台阶等复杂障碍，在翻越的过程中，一旦移动平台稳定失效发生侧翻事故，将丧失行动能力，因此需要一个简便有效的保持稳定以及倒地复位的自回稳方法来保证平台成功越障。
如图3所示，轮步复合移动平台，包括腿部模型，所述腿部模型包括轮式运动机构2和腿式运动机构1；所述轮式运动机构2包括动力元件以及安装于腿式运动机构1末端的轮子，所述动力元件与轮子连接，以驱动轮子转动；所述腿式运动机构1采取全膝式布置形式；所述腿式运动机构1包含侧摆关节11、髋关节12、第一支腿13、膝关节14、第二支腿15，所述侧摆关节11与髋关节12可活动连接，所述髋关节12与第一支腿13可活动连接，所述第一支腿13与第二支腿15通过膝关节14可活动连接；所述轮步复合移动平台还包括平台本体，所述侧摆关节11与平台本体可活动连接。
在本实施例中，所述平台本体配置有检测其翻转角度的IMU惯性测量单元和控制单元，所述平台本体配置有计算单元；所述IMU惯性测量单元与计算单元连接，所述计算单元与控制单元连接，所述控制单元与腿部模型连接，以实现整体的初步姿态调控。
在本实施例中，所述平台本体配置有检测其翻转角度的IMU惯性测量单元和控制单元，所述平台本体配置有计算单元；所述IMU惯性测量单元与控制单元连接，所述控制单元与侧摆关节11连接，以控制侧摆关节进行相应方向和幅度摆动。
轮步复合移动平台的越障模式下多关节协同的自回稳方法，包括如下步骤：
(1)在越障过程中，通过IMU(Inertial measurement unit惯性测量单元)读取移动平台本体翻转角度，并根据翻转角度进行平台站立行进和倒地复位的判断；
(2)计算单元根据IMU惯性测量单元反馈的平台本体翻转角度进行姿态解算，计算出腿式运动机构应该调整的关节角度；
(3)控制单元根据计算单元计算的关节角度控制腿部模型实现整体的初步姿态调控；
(4)控制单元根据IMU惯性测量单元读取的翻转数据，控制侧摆关节11进行相应方向和幅度摆动，以使在电机有效范围内，侧摆角度与平台翻转关系近似于线性模型。
选取城市环境中的典型越障工况---楼梯为例，结合逻辑图4，轮步复合移动平台的多关节协同自回稳方法具体如下：
Step1：初始化：系统初始化，进入相应越障模式，移动平台进入爬越楼梯模式，腿式运动机构完成各关节角度的初态调整，平台本体采用综合速度与稳定性的Trot步态行进，同时辅助轮式运动机构的转动；
Step2：IMU翻转角度测量：爬越过程中，IMU惯性测量单元时刻检测平台本体翻转情况，根据翻转角度判断平台本体此时是稳定行进还是倒地状态，以平台发生侧翻动作为分界点，平台分别处于站立稳定与跌倒两种状态，即分界点之前(小于分界点)定义为平台的自稳定控制阶段，分界点之后(大于分界点)则属于平台的倒地自恢复阶段，两个阶段合称为移动平台越障模式下的自回稳控制。
Step3：姿态解算调控：根据Trot步态特点，移动平台对角足交替处于支撑、摆动状态，运动本身有一定的不稳定性，轮子的辅助滚动使平台始终具有向前的运动速度，轮式运动机构的加入虽然提高了平台楼梯越障的通过速度，但也增加了运动的不稳定程度，因此平台在爬越楼梯过程中，难免会出现小幅度侧倾或者失稳侧翻的意外情况。IMU惯性测量单元会将读取移动平台翻转角度反馈给计算单元，以修正平台本体到稳定的目标姿态，计算单元计算出目标姿态下的各足位置坐标，代入运动学逆解求解出腿式运动机构各关节角度的调整角度，完成平台初步姿态解算调控。
Step4：侧摆关节摆动：初步的姿态解算调控，不足以抵抗较大的外部干扰，以及完成平台的倒地自复位，越障过程中，小幅度侧倾只是会降低平台的的通过效率，平台尚能继续行进，但接近侧翻分界点的意外扰动，可能导致移动平台剧烈摆动甚至侧翻倒地，彻底失去行动能力，因此还需要在姿态调控的基础上，对侧摆关节11进行额外控制，在自稳定阶段，侧摆关节随着平台翻转发生相应幅度的外摆，摆动方向与侧翻方向一致使平台整体重心回归到平衡状态，配合着位姿调控，不同侧腿部机构的伸缩与伸长，多关节协动，维持平台的稳定性，这种多关节协作的方式大大提升了移动平台在爬越楼梯等越障过程中的侧翻阈值，平台在受到侧向干扰时会迅速调整自身姿态，继续完成越障；同样，若移动平台在爬越过程中，扰动过强，平衡失效而发生侧翻，此时进入倒地自复位控制阶段，配合平台姿态解算的调节关节，倒地一侧腿部机构伸长，另一侧腿部机构收缩，侧摆关节向倒地方向摆动辅助完成整体的翻转动作，实现最终的倒地复位。在电机有效范围内，侧摆角度与平台翻转关系近似于线性模型。
从逻辑图4可以看出，整体平台在越障模式下的自回稳算法，无论是行进稳定性还是倒地复位，采用同一种控制逻辑，只是腿部机构各关节运动角度随平台本体翻转角度的不同而有所调节，算法得到了简化，应用起来十分方便。简言之，多关节协动的自回稳控制方法，既提高了轮步复合移动平台在越障模式下稳定性，增大了侧翻阈值，又实现了平台倒地时的自我恢复，一举两得。这种关节控制方法，在Webots仿真平台中通过爬越楼梯的仿真已得以论证，效果显著，控制方便。
本发明采用IMU进行平台本体的姿态测量，其他如陀螺仪等传感器也可进行姿态的监控，这并不影响整体控制方法的实施，原理是一样的，只是输入的变化，因此本发明采用IMU进行平台本体的姿态测量并不限制本发明的保护范围。
本发明侧摆关节随平台翻转角度的变化是一种简单的近似线性模型，后期可以不断优化，换成更加可靠有效的变化模型。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，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.轮步复合移动平台，其特征在于，包括腿部模型，所述腿部模型包括轮式运动机构和腿式运动机构；所述轮式运动机构包括动力元件以及安装于腿式运动机构末端的轮子，所述动力元件与轮子连接，以驱动轮子转动；所述腿式运动机构采取全膝式布置形式。
2.根据权利要求1所述的轮步复合移动平台，其特征在于，所述腿式运动机构包含侧摆关节、髋关节、第一支腿、膝关节、第二支腿，所述侧摆关节与髋关节可活动连接，所述髋关节与第一支腿可活动连接，所述第一支腿与第二支腿通过膝关节可活动连接。
3.根据权利要求2所述的轮步复合移动平台，其特征在于，所述轮步复合移动平台还包括平台本体，所述侧摆关节与平台本体可活动连接。
4.根据权利要求3所述的轮步复合移动平台，其特征在于，所述平台本体配置有检测其翻转角度的IMU惯性测量单元和控制单元，所述平台本体配置有计算单元。
5.根据权利要求4所述的轮步复合移动平台，其特征在于，所述IMU惯性测量单元与计算单元连接，所述计算单元与控制单元连接，所述控制单元与腿部模型连接，以实现整体的初步姿态调控。
6.根据权利要求4所述的轮步复合移动平台，其特征在于，所述IMU惯性测量单元与控制单元连接，所述控制单元与侧摆关节连接，以控制侧摆关节进行相应方向和幅度摆动。
7.轮步复合移动平台的越障模式下多关节协同的自回稳方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在越障过程中，通过IMU(Inertial measurement unit惯性测量单元)读取移动平台本体翻转角度，并根据翻转角度进行平台站立行进和倒地复位的判断；
S2：计算单元根据IMU惯性测量单元反馈的平台本体翻转角度进行姿态解算，计算出腿式运动机构应该调整的关节角度；
S3：控制单元根据计算单元计算的关节角度控制腿部模型实现整体的初步姿态调控；
S4：控制单元根据IMU惯性测量单元读取的翻转数据，控制侧摆关节进行相应方向和幅度摆动，在电机有效范围内，侧摆角度与平台翻转关系近似于线性模型。
8.根据权利要求7所述的自回稳方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
S11：初始化：系统初始化，进入相应越障模式，以楼梯越障为例，移动平台进入爬越楼梯模式，腿式运动机构完成各关节角度的初态调整，平台本体采用综合速度与稳定性的Trot步态行进，同时辅助轮式运动机构的转动；
S12：IMU翻转角度测量：爬越过程中，IMU惯性测量单元时刻检测平台本体翻转情况，根据翻转角度判断平台本体此时是稳定行进还是倒地状态，以平台发生侧翻动作为分界点，平台分别处于站立稳定与跌倒两种状态，即分界点之前(小于分界点)定义为平台的自稳定控制阶段，分界点之后(大于分界点)则属于平台的倒地自恢复阶段，两个阶段合称为移动平台越障模式下的自回稳控制。
9.根据权利要求7所述的自回稳方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：IMU惯性测量单元会将读取移动平台翻转角度反馈给计算单元，以修正平台本体到稳定的目标姿态，计算单元计算出目标姿态下的各足位置坐标，代入运动学逆解求解出腿式运动机构各关节角度的调整角度。
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