CN116424453A - 一种类半人马机器人及其臂足协同平衡控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及移动机器人领域和机械臂领域，特别涉及一种类半人马机器人及其控制方法，具体地说是综合了四足机器人和机械臂功能的一种机器人。所发明的类半人马机器人的总体结构由四足机器人部分、机械臂部分、身体机构部分、视觉感知部分组成；类半人马机器人将四足机器人的移动性、环境适应性和机械臂结合起来，两个机械臂也可以互相配合完成相应任务，从而可以扩展更大的工作空间，丰富了机器人的应用场景，在生产环境中，机器人可以实现臂足协同运动，完成搬运和抓取各类物体，摔倒后自主重新站立，更具有兼容性和功能多样性。
Description
技术领域
本发明涉及移动机器人领域和机械臂领域，特别涉及一种类半人马机器人及其控制方法，具体地说是综合了四足机器人和机械臂功能的一种机器人。
背景技术
随着社会的进步和科技的发展，机器人的应用领域逐渐扩大，而人们对机器人的功能需求也越来越高。轮式车辆在相对平坦的地形上行驶时，具有控制简单、运动平稳快速的特点，但在松软地面或崎岖不平的地形上行驶时，车轮的移动效率大大降低甚至无法移动，而足式机器人可以在非结构化和恶劣的环境中工作。四足机器人可以适应复杂的环境，但四足机器人所能完成的工作有限，很多情况下的许多工作并不能由四足机器人单独完成，例如抓取物体、移动物体等。
在企业的各种生产活动中，对机器人最主要的需求就是抓取。机械臂是一种臂型工业机器人，具有多个关节或者多个自由度，已经广泛应用于各种企业的生产活动中，工业机器人可以进行生产、搬运、焊接、码垛和装箱等高重复性和高危险性的操作。目前，工业机械臂大多按照规定好的轨迹进行工作，对机械臂的位置以及物体的摆放都有特定的要求，智能化程度不高，不能胜任各种各样的生产场景。
发明内容
四足机器人和机械臂都有各自无法完成的场景，而针对上述的不足，本发明提供了一种综合了四足机器人和机械臂功能的类半人马机器人。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种类半人马机器人，其总体结构由四足机器人部分、机械臂部分、身体机构部分、视觉感知部分组成。
其中，四足机器人部分与地面相接触，由左前腿、右前腿、右后腿、左后腿和腰部机构组成；各腿部结构均相同，均由球形足端、小腿、大腿、膝关节电机、髋关节俯仰电机和髋关节横滚电机组成，通过髋关节横滚电机安装在腰部机构前后两侧；髋关节横滚电机与髋关节俯仰电机连接，实现腿部髋关节的横滚运动；髋关节俯仰电机与膝关节电机连接，实现腿部髋关节的俯仰运动；膝关节电机则与大腿连接，大腿与小腿通过转动副连接，球形足端固定在小腿末端并与地面接触；第一固定座固定在四足机器人腰部机构上，通过底座电机带动底座旋转；身体机构安装在第一固定座上，并与第一固定座通过转动副连接；视觉感知部分包括激光雷达和前视摄像头，其中激光雷达安装在身体机构上方，并与之固定连接；第二固定座和第三固定座固定在身体机构左侧和右侧，左六自由度机械臂和右六自由度机械臂结构相同，均由基座、大臂、折臂、小臂、腕关节和夹爪组成，分别通过第二固定座和第三固定座与身体机构连接；机械臂的六个关节均为转动副，通过串联方式相连接；夹爪安装在机械臂末端，可以实现物体的搬运和夹取。
一种类半人马机器人臂足协同控制方法，其控制架构由自身位姿获取模块、期望位姿计算模块、运动控制模块组成。
其中，自身位姿获取模块用于获取类半人马机器人当前位姿信息，包括类半人马机器人腿部各关节当前角度信息和左右两个六自由度机械臂各关节当前角度信息，并通过惯性测量单元测量姿态角并计算类半人马机器人当前重心位置信息。
期望位姿计算模块用于实时计算类半人马机器人腿部各关节和左右两个六自由度机械臂各关节当前期望角度，包括：
首先通过视觉感知模块得到任务目标位置信息，根据自身位姿获取模块所得信息判断目标位置是否位于左右两个机械臂工作空间中，如果没有位于左右两个机械臂工作空间，仅需计算类半人马机器人腿部各关节当前期望角度，直到类半人马机器人移动到机械臂工作空间中；最后利用运动学逆解模型计算得出类半人马机器人腿部各关节和左右两个六自由度机械臂各关节当前期望角度。
运动控制模块用于控制类半人马机器人运动完成任务目标，包括：
根据类半人马机器人腿部和左右两个机械臂各关节当前期望角度，控制腿部和机械臂速度，实现类半人马机器人臂足协同运动控制；根据类半人马机器人整体的重心位置，调整机械臂各关节力矩来避免机械臂产生的力矩导致类半人马机器人翻倒；根据类半人马机器人左右两个六自由度机械臂各关节当前期望角度，控制机械臂完成抓取物体等任务目标。
类半人马机器人行走步态采用对角步态，且摆动相与支撑相周期相同，设计类半人马机器人行走控制器为：
其中，S、H、Tm为行走控制器中的步长、抬腿高度、摆动相周期参数，当i＝1、3时，Ti＝0，当i＝2、4时，Ti＝Tm。
在类半人马机器人臂足协同运动控制中，单独控制腿部和机械臂不可避免产生扰动，影响控制精度，而为了实现臂足协同控制，对每条腿之间以及腿与机械臂之间的通讯相互连接，由计算机发出领导者速度指令，四条腿与机械臂对领导者速度进行跟随。如图7所示，对每条腿和机械臂都设计一个速度控制器，速度控制器不仅接收自身速度信息，同时接收其他腿和机械臂的速度信息来实现臂足协同控制，设计臂足速度协同控制器为：
其中，v'i为期望速度，b1、b2为臂足速度协同控制器系统参数，c1为协同因子，c2为跟踪因子，v0为领导者速度。
在机械臂的抓取运动中，双机械臂运动会产生复杂的非线性耦合，为保证双机械臂能够协同完成目标任务，建立双机械臂协作约束方程：
其中，M(q,t)为关于关节角度和时间的惯性矩阵，
为关于关节角度、关节角速度和时间的广义力，/>
为关于关节角度、关节角速度和时间的约束力。
因此设计类半人马机器人机械臂末端执行器运动控制器为：
其中，τi为控制力矩，G(q)为重力矩，Kid、Kip为末端执行器运动控制器的微分、比例控制参数。
该发明的有益之处是，首先通过视觉感知部分实时感知机器人周围环境的相关信息，如障碍物和目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，使机器人能够根据相关信息及时做出相应调整，有效避免撞击障碍物、偏离目标路径等情况。当需要抓取的物体不在当前机械臂的工作空间范围内或者抓取的物体需要移动的位置时，可以控制类半人马机器人四足移动，使物体或物体需要移动的位置位于机械臂工作空间内，从而能够完成抓取物体、移动物体等操作；当单一机械臂无法完成操作任务或效率低时，如需要移动的物体过大、抓取多个物体或一些复杂任务，可以采用双机械臂相互配合的方式完成操作任务或提高效率；当类半人马机器人发生任何方向的侧倒时，通过两个机械臂运动能够辅助机器人自主重新站立，有效避免了机器人摔倒后无法自主站立的情况；当需要通过仅靠四足机器人无法通过的障碍物时，两个机械臂运动直到与地面接触，支撑类半人马机器人，使下方的四足机器人能够抬腿到更高的高度而不发生摔倒，从而跨过更高的障碍物。
类半人马机器人将四足机器人的移动性、环境适应性和机械臂结合起来，两个机械臂也可以互相配合完成相应任务，从而可以扩展更大的工作空间，丰富了机器人的应用场景，在生产环境中，机器人可以实现臂足协同运动，完成搬运和抓取各类物体，摔倒后自主重新站立，更具有兼容性和功能多样性。
附图说明
附图1类半人马机器人整体示意图；
附图2类半人马机器人前侧面结构图；
附图3类半人马机器人后侧面结构图；
附图4类半人马机器人俯视结构图；
附图5类半人马机器人结构爆炸图；
附图6类半人马机器人控制架构及其流程图；
附图7类半人马机器人臂足协同控制示意图；
图中：左前足(1-1)、右前足(1-2)、右后足(1-3)、左后足(1-4)、左前小腿(2-1)、右前小腿(2-2)、右后小腿(2-3)、左后小腿(2-4)、左前大腿(3-1)、右前大腿(3-2)、右后大腿(3-3)、左后大腿(3-4)、左前膝关节电机(4-1)、右前膝关节电机(4-2)、右后膝关节电机(4-3)、左后膝关节电机(4-4)、左前髋关节俯仰电机(5-1)、右前髋关节俯仰电机(5-2)、右后髋关节俯仰电机(5-3)、左后髋关节俯仰电机(5-4)、左前髋关节横滚电机(6-1)、右前髋关节横滚电机(6-2)、右后髋关节横滚电机(6-3)、左后髋关节横滚电机(6-4)、腰部机构(7)、第一固定座(8)、身体机构(9)、激光雷达(10)、第二固定座(11-1)、第三固定座(11-2)、左基座(12-1)、右基座(12-2)、左大臂(13-1)、右大臂(13-2)、左折臂(14-1)、右折臂(14-2)、左小臂(15-1)、右小臂(15-2)、左手腕(16-1)、右手腕(16-2)、左夹爪(17-1)、右夹爪(17-2)、右后腿(18)、左后腿(19)、右前腿(20)、左前腿(21)、右机械臂部分(22)、左机械臂部分(23)、身体机构部分(24)、视觉感知部分(25)、四足机器人部分(26)。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步说明。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种类半人马机器人，如附图1所示，其总体结构由四足机器人部分(26)、机械臂部分(22、23)、身体机构部分(24)、视觉感知部分(25)组成。
其中，四足机器人部分(26)与地面相接触，由右后腿(18)、左后腿(19)、右前腿(20)、左前腿(21)和腰部机构(7)组成；各腿部结构(18、19、20、21)均相同，均由球形足端(1-1、1-2、1-3、1-4)、小腿(2-1、2-2、2-3、2-4)、大腿(3-1、3-2、3-3、3-4)、膝关节电机(4-1、4-2、4-3、4-4)、髋关节俯仰电机(5-1、5-2、5-3、5-4)和髋关节横滚电机(6-1、6-2、6-3、6-4)组成，通过髋关节横滚电机(6-1、6-2、6-3、6-4)安装在腰部机构(7)前后两侧；髋关节横滚电机(6-1、6-2、6-3、6-4)与髋关节俯仰电机(5-1、5-2、5-3、5-4)连接，实现腿部髋关节的横滚运动；髋关节俯仰电机(5-1、5-2、5-3、5-4)与膝关节电机(4-1、4-2、4-3、4-4)连接，实现腿部髋关节的俯仰运动；膝关节电机(4-1、4-2、4-3、4-4)则与大腿(3-1、3-2、3-3、3-4)连接，大腿(3-1、3-2、3-3、3-4)与小腿(2-1、2-2、2-3、2-4)通过转动副连接，球形足端(1-1、1-2、1-3、1-4)固定在小腿末端并与地面接触。
第一固定座(8)固定在四足机器人腰部机构(7)上，通过底座电机带动底座旋转；身体机构(9)安装在第一固定座(8)上，并与第一固定座(8)通过转动副连接；视觉感知部分(25)包括激光雷达(10)和前视摄像头，其中激光雷达(10)安装在身体机构(9)上方，并与之固定连接；第二固定座(11-1)和第三固定座(11-2)固定在身体机构(9)左侧和右侧，左六自由度机械臂(23)和右六自由度机械臂(22)结构相同，均由基座(12-1、12-2)、大臂(13-1、13-2)、折臂(14-1、14-2)、小臂(15-1、15-2)、腕关节(16-1、16-2)和夹爪(17-1、17-2)组成，分别通过第二固定座(11-1)和第三固定座(11-2)与身体机构(9)连接；机械臂(22、23)的六个关节均为转动副，通过串联方式相连接；夹爪(17-1、17-2)安装在机械臂(22、23)末端，可以实现物体的搬运和夹取。
一种类半人马机器人臂足协同控制方法，如图6所示，其控制架构由自身位姿获取模块、期望位姿计算模块、运动控制模块组成。
其中，自身位姿获取模块用于获取类半人马机器人当前位姿信息，包括类半人马机器人腿部(18、19、20、21)各关节当前角度信息和左右两个六自由度机械臂(22、23)各关节当前角度信息，并通过惯性测量单元测量姿态角并计算类半人马机器人当前重心位置信息。
期望位姿计算模块用于实时计算类半人马机器人腿部(18、19、20、21)各关节和左右两个六自由度机械臂(22、23)各关节当前期望角度，包括：
首先通过视觉感知模块(25)得到任务目标位置信息，根据自身位姿获取模块所得信息判断目标位置是否位于左右两个机械臂(22、23)工作空间中，如果没有位于左右两个机械臂(22、23)工作空间，仅需计算类半人马机器人腿部(18、19、20、21)各关节当前期望角度，直到类半人马机器人移动到机械臂(22、23)工作空间中；最后利用运动学逆解模型计算得出类半人马机器人腿部(18、19、20、21)各关节和左右两个六自由度机械臂(22、23)各关节当前期望角度。
运动控制模块用于控制类半人马机器人运动完成任务目标，包括：
根据类半人马机器人腿部(18、19、20、21)和左右两个机械臂(22、23)各关节当前期望角度，控制腿部(18、19、20、21)和机械臂(22、23)速度，实现类半人马机器人臂足协同运动控制；根据类半人马机器人整体的重心位置，调整机械臂(22、23)各关节力矩来避免机械臂产生的力矩导致类半人马机器人翻倒；根据类半人马机器人左右两个六自由度机械臂(22、23)各关节当前期望角度，控制机械臂完成抓取物体等任务目标。
类半人马机器人行走步态采用对角步态，且摆动相与支撑相周期相同，设计类半人马机器人行走控制器为：
其中，S、H、Tm为行走控制器中的步长、抬腿高度、摆动相周期参数，当i＝1、3时，Ti＝0，当i＝2、4时，Ti＝Tm。
在类半人马机器人臂足协同运动控制中，单独控制腿部和机械臂不可避免产生扰动，影响控制精度，而为了实现臂足协同控制，对每条腿之间以及腿与机械臂之间的通讯相互连接，由计算机发出领导者速度指令，四条腿与机械臂对领导者速度进行跟随。如图7所示，对每条腿和机械臂都设计一个速度控制器，速度控制器不仅接收自身速度信息，同时接收其他腿和机械臂的速度信息来实现臂足协同控制，设计臂足速度协同控制器为：
其中，v'i为期望速度，b1、b2为臂足速度协同控制器系统参数，c1为协同因子，c2为跟踪因子，v0为领导者速度。
在机械臂的抓取运动中，双机械臂运动会产生复杂的非线性耦合，为保证双机械臂能够协同完成目标任务，建立双机械臂协作约束方程：
其中，M(q,t)为关于关节角度和时间的惯性矩阵，
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设计类半人马机器人机械臂末端执行器运动控制器为：
其中，τi为控制力矩，G(q)为重力矩，Kid、Kip为末端执行器运动控制器的微分、比例控制参数。
类半人马机器人将四足机器人的移动性、环境适应性和机械臂结合起来，两个机械臂也可以互相配合完成相应任务，从而可以扩展更大的工作空间，丰富了机器人的应用场景，在生产环境中，机器人可以实现臂足协同运动，完成搬运和抓取各类物体，摔倒后自主重新站立，更具有兼容性和功能多样性。
对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种类半人马机器人，其特征在于：其总体结构由四足机器人部分(18)、机械臂部分(19、20)、身体机构部分(21)、激光雷达部分(22)组成；
其中，四足机器人部分(18)与地面相接触，由左前腿(1-1、2-1、3-1)、右前腿(1-2、2-2、3-2)、右后腿(1-3、2-3、3-3)、左后腿(1-4、2-4、3-4)、腰部机构(7)、膝关节电机(4-1、4-2、4-3、4-4)、髋关节俯仰电机(5-1、5-2、5-3、5-4)和髋关节横滚电机(6-1、6-2、6-3、6-4)组成；各腿部结构均相同，通过髋关节横滚电机(6-1、6-2、6-3、6-4)安装在腰部机构(7)前后两侧；髋关节横滚电机(6-1、6-2、6-3、6-4)与髋关节俯仰电机(5-1、5-2、5-3、5-4)连接，实现腿部髋关节的横滚运动；髋关节俯仰电机(5-1、5-2、5-3、5-4)与膝关节电机(4-1、4-2、4-3、4-4)连接，实现腿部髋关节的俯仰运动；膝关节电机(4-1、4-2、4-3、4-4)则与大腿(3-1、3-2、3-3、3-4)连接，大腿(3-1、3-2、3-3、3-4)与小腿(2-1、2-2、2-3、2-4)通过转动副连接，球形足端(1-1、1-2、1-3、1-4)固定在小腿末端并与地面接触；
第一固定座(8)固定在四足机器人腰部机构(7)上，通过底座电机带动底座旋转；身体机构(9)安装在第一固定座(8)上，并与第一固定座(8)通过转动副连接；激光雷达(10)安装在身体机构(9)上方，并与之固定连接；
第二固定座(11-1)和第三固定座(11-2)固定在身体机构(9)左侧和右侧，左六自由度机械臂(19)和右六自由度机械臂(20)结构相同，均由基座(12-1、12-2)、大臂(13-1、13-2)、折臂(14-1、14-2)、小臂(15-1、15-2)、腕关节(16-1、16-2)和夹爪(17-1、17-2)组成，分别通过第二固定座(11-1)和第三固定座(11-2)与身体机构(9)连接；机械臂(19、20)的六个关节均为转动副，通过串联方式相连接；夹爪(17-1、17-2)安装在机械臂(19、20)末端，可以实现物体的搬运和夹取。
2.一种类半人马机器人臂足协同控制方法，其特征在于：其控制架构由自身位姿获取模块、期望位姿计算模块、运动控制模块组成；
其中，身位姿获取模块用于获取类半人马机器人当前位姿信息，包括类半人马机器人腿部(18、19、20、21)各关节当前角度信息和左右两个六自由度机械臂(22、23)各关节当前角度信息，并通过惯性测量单元得到类半人马机器人当前重心位置信息；
期望位姿计算模块用于实时计算类半人马机器人腿部(18、19、20、21)各关节和左右两个六自由度机械臂(22、23)各关节当前期望角度，包括：
首先通过视觉感知模块(25)得到任务目标位置信息，根据自身位姿获取模块所得信息判断目标位置是否位于左右两个机械臂(22、23)工作空间中，如果没有位于左右两个机械臂(22、23)工作空间，仅需计算类半人马机器人腿部(18、19、20、21)各关节当前期望角度，直到类半人马机器人移动到机械臂(22、23)工作空间中；最后利用运动学逆解模型计算得出类半人马机器人腿部(18、19、20、21)各关节和左右两个六自由度机械臂(22、23)各关节当前期望角度；
运动控制模块用于控制类半人马机器人运动完成任务目标，包括：
根据类半人马机器人腿部(18、19、20、21)和左右两个机械臂(22、23)各关节当前期望角度，控制腿部(18、19、20、21)和机械臂(22、23)速度，实现类半人马机器人臂足协同运动控制；根据类半人马机器人整体的重心位置，调整机械臂(22、23)各关节力矩来避免机械臂产生的力矩导致类半人马机器人翻倒；根据类半人马机器人左右两个六自由度机械臂(22、23)各关节当前期望角度，控制机械臂完成抓取物体等任务目标；
类半人马机器人行走步态采用对角步态，且摆动相与支撑相周期相同，设计类半人马机器人行走控制器为：
其中，S、H、Tm为行走控制器中的步长、抬腿高度、摆动相周期参数，当i＝1、3时，Ti＝0，当i＝2、4时，Ti＝Tm；
在类半人马机器人臂足协同运动控制中，单独控制腿部和机械臂不可避免产生扰动，影响控制精度，而为了实现臂足协同控制，对每条腿之间以及腿与机械臂之间的通讯相互连接，由计算机发出领导者速度指令，四条腿与机械臂对领导者速度进行跟随。对每条腿和机械臂都设计一个速度控制器，速度控制器不仅接收自身速度信息，同时接收其他腿和机械臂的速度信息来实现臂足协同控制，设计臂足速度协同控制器为：
其中，v'i为期望速度，b1、b2为臂足速度协同控制器系统参数，c1为协同因子，c2为跟踪因子，v0为领导者速度；
在机械臂的抓取运动中，双机械臂运动会产生复杂的非线性耦合，为保证双机械臂能够协同完成目标任务，建立双机械臂协作约束方程：
其中，M(q,t)为关于关节角度和时间的惯性矩阵，
为关于关节角度、关节角速度和时间的广义力，/>
为关于关节角度、关节角速度和时间的约束力；
设计类半人马机器人机械臂末端执行器运动控制器为：
其中，τi为控制力矩，G(q)为重力矩，Kid、Kip为末端执行器运动控制器的微分、比例控制参数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310210084.0A CN116424453A (zh) | 2023-03-07 | 2023-03-07 | 一种类半人马机器人及其臂足协同平衡控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310210084.0A CN116424453A (zh) | 2023-03-07 | 2023-03-07 | 一种类半人马机器人及其臂足协同平衡控制方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN116424453A true CN116424453A (zh) | 2023-07-14 |
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ID=87078619
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202310210084.0A Pending CN116424453A (zh) | 2023-03-07 | 2023-03-07 | 一种类半人马机器人及其臂足协同平衡控制方法 |
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2023
- 2023-03-07 CN CN202310210084.0A patent/CN116424453A/zh active Pending
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