CN113552830A - 一种使用牵引绳操控足式机器人的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用牵引绳操控足式机器人的系统及方法，牵引绳操控程序启动后，传感器模块获取足式机器人机械腿在受拉力作用时各关节的当前位置、关节扭矩及式机器人躯干当前位置的加速度和姿态信息；外力感知模块依据各关节扭矩和躯干姿态信息，得出机器人躯干所受到的合外力；指令生成模块生成新的运动控制指令；运动控制模块根据所受合外力的大小和方向生成关节控制指令，并最终发送给各关节电机执行，实现用户通过拉拽牵引绳按照主观意愿对足式机器人的运动控制。本发明有效降低开发和制造成本，用户较易上手，牵引绳无需供电且机器人能在快速奔跑的情况下被控制。

Description

一种使用牵引绳操控足式机器人的系统及方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种使用牵引绳操控足式机器人的系统及方法。

背景技术

机器人是一种能够半自主或全自主工作的智能机器，具有感知、决策、执行等基本特征，可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作，提高工作效率与质量，服务人类生活，扩大或延伸人的活动及能力范围。其中，足式机器人因其能够适应各种不同的路面，尤其是人造环境中的石子路、楼梯等非平面地形而日益成为移动机器人行业关注的热点。随着电机技术的发展，足式机器人也越来越多采用带有位置编码器和电流计的电机来作为关节驱动部件，结合减速机等模块构成机器人关节执行器，通过对各个关节电机的位置和扭矩的控制实现机器人的运动控制。

传统的足式机器人运动控制的操控方式主要是将用户指令，比如移动速度、朝向等，以电信号的形式通过有线或无线的方式传输到机器人的控制器，在机器人的控制器中将数字信号进一步转化为具体的移动指令来执行，近些年也出现通过麦克风采集用户语音或者通过摄像头采集用户手势信息再转化为用户指令来操控机器人的方法。

但对于该无线或有线的电信号传输形式在应用中也存在着很多缺点：

1)成本高。使用电信号传输用户指令的方式需要额外的电子设备和通信技术的支持，机器人的硬件开发和制造成本高；用户也可能需要为通信流量支付相关的费用、给遥控设备充电支付用电或者电池的费用；使用语音或者机器视觉的操控方法需要机器人自带麦克风或者摄像头，也会增加机器人的硬件开发和制造成本。

2)不易使用。对于用户，使用前必须先学习专业遥控设备的使用方法才能上手正常使用；当使用无线通信传输方式时，在无线信号较多的场合容易受到干扰；当使用语音操控方法时，容易受到环境噪声影响，户外或嘈杂室内都难有好的用户体验；当使用视觉操控方法时，使用者必须处于机器人摄像头的视野之中，并且做出标准的指令动作，还不能有其他物体的遮挡，在较为狭小或者拥挤的空间中难以正常操控。

3)遥控时长受限。使用电信号传输的方式受限于遥控设备的供电时长。

4)移动速度受限。使用语音或者视觉遥控的方式不能让机器人以较快的速度奔跑，否则也难以操控。

因此，相对传统足式机器人运动控制的操控方式中显现出的问题，本领域技术人员亟需一种新的操控足式机器人的方法来适应市场需求。

发明内容

为此，本发明提供了一种使用牵引绳操控足式机器人的系统及方法，通过采用一根连接于足式机器人背部的牵引绳来实现对足式机器人的运动控制，有效降低开发和制造成本，用户较易上手，牵引绳无需供电且机器人能实现快速奔跑并能被控制。

为实现上述目的，本发明主要采用以下技术方案：

一种使用牵引绳操控足式机器人的方法，所述方法包括以下步骤：

牵引绳操控程序启动；运动状态数据处理，所述牵引绳操控程序控制传感器模块实时更新足式机器人的机械腿的多个关节的当前位置、关节扭矩及足式机器人躯干在当前位置的加速度和姿态信息；获知躯干所受合外力，牵引绳操控程序控制外力感知模块依据所述多个关节的关节扭矩，结合所述机器人躯干的姿态信息，然后根据机器人质心动力学方程得出机器人躯干所受到的合外力；生成指令，牵引绳操控程序控制指令生成模块根据机器人躯干所受到的合外力的方向和大小生成新的运动控制指令；以及完成运动控制，牵引绳操控程序控制运动控制模块根据所述运动控制指令，通过基于动力学模型的优化控制算法生成各个关节的位置、速度、扭矩指令并最终发送给各关节电机执行。

优选地，所述躯干所受合外力的计算公式如下：

其中，m为机器人质量，a为机器人躯干加速度，g为重力加速度，n为机械腿的个数。

优选地，运动控制指令包括移动速度指令、转身速度指令、位置及朝向指令。

优选地，牵引绳操控程序还包括预先设定的阈值，所述阈值包括上下阈值、前后阈值及左右阈值。

优选地，当躯干所受合外力的大小超过所述上下阈值，躯干所受合外力的方向向下时，指令生成模块生成指令以实现趴下的动作；当躯干所受合外力的大小超过所述上下阈值，躯干所受合外力的方向向上时，指令生成模块生成指令以实现起立的动作。

优选地，当躯干所受合外力的大小超过所述前后阈值，躯干所受合外力的方向向前时，指令生成模块生成指令以实现前进的动作；当躯干所受合外力的大小超过所述前后阈值，躯干所受合外力的方向向后时，指令生成模块生成指令以实现后退的动作。

优选地，当躯干所受合外力的大小超过所述左右阈值，躯干所受合外力的方向向左时，指令生成模块生成指令以实现向左转的动作；当躯干所受合外力的大小超过所述左右阈值，躯干所受合外力的方向向右时，指令生成模块生成指令以实现后右转的动作。

优选地，运动控制指令的生成不受足式机器人的运动速度限制。

一种使用牵引绳操控足式机器人的系统，包括机器人本体、牵引绳、环扣、控制器及电源。牵引绳不需要充电，机器人本体包括躯干、惯性测量单元IMU、机械腿及关节电机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)本发明利用机器人关节扭矩和躯干的IMU信息获取机器人本体所受外力，运用所受外力的信息对足式机器人进行操控，在结构上仅需要添加环扣和牵引绳，降低了硬件开发和制造成本。2)该操控方法用户更容易上手，只需通过一根普通牵引绳按照主观意愿拖拽机器人即可实现操控目的。3)本发明中的牵引绳无需供电，解决了传统遥控器的使用时长受供电限制的问题。4)该操控方法能适应机器人的较快奔跑速度，且由于牵引绳直接系在机器人身上，该操控方法也能控制机器人的快速奔跑。

附图说明

图1为本发明实施例中使用牵引绳操控足式机器人的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中使用牵引绳操控足式机器人的系统的功能框图；

图3为本发明实施例中使用牵引绳操控足式机器人的方法流程图；

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供了一种使用牵引绳操控足式机器人的系统，如图1和图2所示。图1为本发明实施例中使用牵引绳操控足式机器人的系统1的结构示意图。系统1包括机器人本体10、牵引绳11、控制器12、环扣13及电源14。机器人本体10包括躯干101、惯性测量单元(IMU，未绘于图1)、四条机械腿102、关节电机及关节电机内部的电流计(未绘于图1)和位置编码器(未绘于图1)，IMU设于躯干101内部用于测量机器人的X、Y、Z三轴姿态角及加速度，每条机械腿102的关节103上对应安装有相应关节电机，关节电机上的位置编码器用于提供关节位置信息，关节电机上的电流计用于测量关节电机的电流信息。牵引绳11为普通的绳子，例如牵狗绳，可以系在环扣13上以实现与机器人本体10的连接，用于控制足式机器人前进后退、加速减速、转弯、趴下等动作。环扣13固定设置于机器人本体10的背部，具体处于机器人质心位置附近的上方，用于连接牵引绳11。

图2为本发明实施例中使用牵引绳操控足式机器人的系统1的功能框图。控制器12固定连接于机器人本体10内，可从上位机下载控制程序，包括传感器模块21、外力感知模块22、指令生成模块23及运动控制模块24，用于控制机器人的整体运行。控制器12通过导线分别连接于躯干101的IMU、关节103(其包括位置编码器、电流计)及电源14(未绘于图2)。躯干101用于传送结构件参数M_para到外力感知模块22，结构件参数M_para包括足式机器人的的多个结构件在X、Y、Z三轴上的尺寸以及质量等。控制器12包括计算模组、微控制单元(MCU)、IMU、CAN收发器等硬件设备。图2所有虚线框内的模块都是软件模块，其中传感器模块21对应于IMU、电流计、位置编码器等硬件，外力感知模块22、指令生成模块23，及运动控制模块24都运行在控制器12上。

电源14包括大容量可充电锂电池，电源可以选择为24V可充电锂电池，续航时间为120分钟，可实现资源重复利用的效果，节省成本。

图3为本发明实施例中使用牵引绳操控足式机器人的方法流程图。如图3所示，一种使用牵引绳操控足式机器人的方法，具体如下：

步骤301，牵引绳操控程序启动。机器人控制器程序随足式机器人的开机而启动，也即开机就会启动牵引绳操控程序。开机后，除非断电否则控制器程序会一直实时根据外力大小更新牵引绳操控程序，控制器12内部的传感器模块21、外力感知模块22、指令生成模块23及运动控制模块24依照操控程序更新运行。牵引绳操控程序在启动之后是一直在更新，也即是一直在监控足式机器人到底有没有受到外力。当用户根据自己主观意愿向某方向拉动牵引绳11时，足式机器人在当前运动状态下受到牵引绳11的拉力，该状态会被实时更新入牵引绳操控程序。

其中，牵引绳11直接控制了足式机器人的运动，也就是足式机器人的运动直接响应了牵引绳11的操作。相对于常见的使用遥控设备、麦克风或摄像头等操控足式机器人的控制方式，不受外界无线信号干扰、所处环境、电池电量等因素的限制，本发明响应更加稳定可靠，该仿生的操控方式更便于用户的使用。另外，无需复杂的外部结构设备，本发明不仅降低了硬件开发和制造成本，也降低了养护的维修成本。

步骤302，运动状态数据处理。步骤302由传感器模块21来完成，无论机器人是否受到外力作用，传感器模块21自机器人开机后都会实时获取每条机械腿的每个关节的位置、扭矩以及躯干的加速度和姿态信息，当足式机器人在受拉力作用时，各关节的相应数据也会实时更新，该步数据处理以供后续软件模块识别出机器人是否受到外力及进行运动控制。

每一个关节103的当前位置，是由传感器模块21通过获取关节电机的位置编码器返回的位置信息和已知的每个关节电机与关节结构之间的相对关系(相对位置和减速比)，计算出关节103的当前位置。此实施例中机械腿102的关节103运动为往复式运动，使用多圈编码器，圈数由齿轮组计算，单圈位置在码盘上体现，将测量的电机运动参数(电机轴转动相位、加速度及转速)转化成电信号传输至传感器模块21。

所述关节扭矩，是由传感器模块21通过电流计获取关节电机的电流信息i，继而根据关节电机的扭矩系数K_t(输出扭矩与电流的比例系数)和每个关节电机的减速比G_r计算出关节103的扭矩τ＝G_r×K_t×i。此实施例中，关节电机选用南京蔚蓝智能科技有限公司自研的80电机，其扭矩系数K_t为0.077，减速比G_r为7，有四条机械腿102，相应得出的τ₁、τ₂、τ₃、τ₄分别代表第一号、第二号、第三号、第四号的机械腿102的关节扭矩。在其他实施例中，机器人的机械腿数目不一定是四条腿，还可以为“六足”或“两足”等其他足式机器人的情况。

所述当前位置的加速度和姿态信息，是由传感器模块21通过读取机器人躯干101的质心附近的IMU所输出的数据，包括足式机器人在X、Y、Z三轴的角速度、三轴的加速度、偏航角等信息，以获得足式机器人躯干101的加速度和姿态信息。

步骤303，获知躯干所受合外力。外力感知模块22根据步骤302中每条机械腿102的关节扭矩，利用雅可比矩阵得出每条机械腿反作用于躯干101的外力，并将得出的每条机械腿102反作用于躯干101的外力，结合躯干101的姿态信息转换至Z轴，Z轴为竖直方向的惯性坐标系，然后结合躯干101的加速度和姿态信息基于机器人质心动力学方程得出躯干101所受到的合外力。

每条机械腿102反作用于躯干101的外力，是使用该公式得出：f_leg,i＝-J_i·τ_i，其中，J_i为根据关节103的位置计算出的第i号机械腿的雅可比矩阵，τ_i为第i号腿上各个关节的输出扭矩，f_leg,i是第i号机械腿作用于躯干101的力。

转换至惯性坐标系后的每条机械腿102反作用于躯干101的外力，是使用该公式得出：F_leg,i＝R^T·f_leg,i，其中，R为根据机器人本体10姿态信息计算出的惯性坐标系到本体坐标系的旋转矩阵，R^T为R的转置矩阵，即机器人本体10的坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵。

所受合外力，根据机器人质心动力学方程结合IMU的加速度信息a和每一条机械腿102对躯干101的反作用力来计算出躯干101所受到的合外力，公式如下：

其中，m为机器人质量，a为机器人躯干101的加速度，g为重力加速度，n为腿的个数。并应用死区阈值进行处理以忽略前后方向、左右方向或上下方向上较小的力，这些较小的力可能来自于传感器误差等原因，阈值大小可根据实际测试数据进行选择。此实施例中，为了防止因为传感器误差等原因造成误判，对足式机器人实际上不受外力牵引的情况进行测试，通过遥控器操控足式机器人测试扭动身体、奔跑、起立下蹲等各种常见工况，根据本发明中计算合外力的算法得出在足式机器人实际上不受外力牵引时其前后、左右、上下三个方向上所受合外力的大小范围，以其最大绝对值分别作为三个方向上的阈值。阈值的大小与足式机器人实际的质量等因素有关，其具体数值会随足式机器人质量的变化而变化。

步骤304，生成指令。指令生成模块23通过分析由外力感知模块22所得出的合外力的方向和大小生成新的指令，包括移动速度指令、转身速度指令、位置及朝向等指令内容。

步骤304的指令的生成依靠足式机器人所受的合外力，相对于现有技术中的语音或视觉遥控的控制方式，本发明的指令生成不会受机器人运动速度限制，即使在快速奔跑的状态下，依然可以通过牵引绳11的拉力有效接收到外界用户的指令，不会因为快速奔跑致语音无法清晰接收或视觉图像模糊不易识别命令等问题。

当合外力大小超过上下方向的阈值，且合外力方向朝下时，控制器12会生成执行趴下动作的指令让足式机器人趴下；当合外力大小超过上下方向的阈值，且合外力方向朝上时，控制器12会生成执行起立动作的指令让足式机器人起立。当合外力大小超过左右方向的阈值，且合外力方向朝左时，控制器12会生成执行向左转动作的指令；当合外力大小超过左右方向的阈值，且合外力方向朝右时，控制器12会生成执行向右转动作的指令。当合外力大小超过前后方向的阈值，且合外力方向朝前时，控制器12会生成执行前进动作的指令；当合外力大小超过前后方向的阈值，且合外力方向朝后时，控制器12会生成执行后退动作的指令。

步骤305，完成运动控制。运动控制模块24根据步骤304生成的指令内容，通过基于动力学模型的优化控制算法生成每一个关节103的位置、速度、扭矩指令并将其转换成电信号最终发送给每一关节电机执行，使机器人向着合外力的方向移动，实现用户主观意愿对足式机器人的运动控制。

在步骤305执行后，牵引绳操控程序会重新回到步骤302，根据传感器模块21实时获取的每条机械腿的每个关节的位置、扭矩以及躯干的加速度和姿态信息循环运行牵引绳操控程序，实现对足式机器人的运动控制。

综上所述，本发明公开了一种使用牵引绳操控足式机器人的系统及方法，该系统中利用关节扭矩和IMU信息获取机器人本体所受外力来控制机器人的运动，用户通过一普通牵引绳及一位于足式机器人背部的环扣即可按主观意愿控制机器人的运动状态，例如前进后退、加速减速、转弯或趴下等动作，相对于传统技术方案所需的遥控器、麦克风、摄像头等本发明有效降低开发及制造成本，且牵引绳无需供电，解决了传统遥控器的使用时长受供电限制的问题。另外，由于牵引绳直接系在机器人身上，利用牵引绳控制机器人运动的操控方式不仅能使机器人以较快速度奔跑，还能控制住快速奔跑状态下的机器人。

以上所述仅是本发明的优选实施例而已，并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种使用牵引绳操控足式机器人的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

牵引绳操控程序启动；

运动状态数据处理，所述牵引绳操控程序控制传感器模块实时更新所述足式机器人的机械腿的多个关节的当前位置、关节扭矩及足式机器人躯干在当前位置的加速度和姿态信息；

获知躯干所受合外力，所述牵引绳操控程序控制外力感知模块依据所述多个关节的关节扭矩，结合所述足式机器人躯干的姿态信息，然后根据机器人质心动力学方程得出所述足式机器人躯干所受到的合外力；

生成指令，所述牵引绳操控程序控制指令生成模块根据所述足式机器人躯干所受到的合外力的方向和大小生成新的运动控制指令；以及

完成运动控制，所述牵引绳操控程序控制运动控制模块根据所述运动控制指令，通过基于动力学模型的优化控制算法生成各个关节的位置、速度、扭矩指令并最终发送给各关节电机执行。

2.根据权利要求1所述的使用牵引绳操控足式机器人的方法，其特征在于，所述躯干所受合外力的计算公式如下：

其中，m为机器人质量，a为机器人躯干加速度，g为重力加速度，n为机械腿的个数。

3.根据权利要求1所述的使用牵引绳操控足式机器人的方法，其特征在于，运动控制指令包括移动速度指令、转身速度指令、位置及朝向指令。

4.根据权利要求1所述的使用牵引绳操控足式机器人的方法，其特征在于，所述牵引绳操控程序还包括预先设定的阈值，所述阈值包括上下阈值、前后阈值及左右阈值。

5.根据权利要求4所述的使用牵引绳操控足式机器人的方法，其特征在于，当躯干所受合外力的大小超过所述上下阈值，躯干所受合外力的方向向下时，指令生成模块生成指令以实现趴下的动作；当躯干所受合外力的大小超过所述上下阈值，躯干所受合外力的方向向上时，指令生成模块生成指令以实现起立的动作。

6.根据权利要求4所述的使用牵引绳操控足式机器人的方法，其特征在于，当躯干所受合外力的大小超过所述前后阈值，躯干所受合外力的方向向前时，指令生成模块生成指令以实现前进的动作；当躯干所受合外力的大小超过所述前后阈值，躯干所受合外力的方向向后时，指令生成模块生成指令以实现后退的动作。

7.根据权利要求4所述的使用牵引绳操控足式机器人的方法，其特征在于，当躯干所受合外力的大小超过所述左右阈值，躯干所受合外力的方向向左时，指令生成模块生成指令以实现向左转的动作；当躯干所受合外力的大小超过所述左右阈值，躯干所受合外力的方向向右时，指令生成模块生成指令以实现后右转的动作。

8.根据权利要求1所述的使用牵引绳操控足式机器人的方法，其特征在于，运动控制指令的生成不受足式机器人的运动速度限制。

9.一种使用牵引绳操控足式机器人的系统，其特征在于，包括机器人本体、牵引绳、环扣、控制器及电源。

10.根据权利要求9所述的使用牵引绳操控足式机器人的方法，其特征在于，所述牵引绳不需要充电。

11.根据权利要求9所述的使用牵引绳操控足式机器人的方法，其特征在于，机器人本体包括躯干、惯性测量单元IMU、机械腿及关节电机。

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