專利名稱：雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)，具體涉及一種雙足機(jī)器人倒地后，在仰臥和俯臥兩種不同情況下的站起運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)，屬于雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)的改造技術(shù)。
背景技術(shù)：
機(jī)器人是近年發(fā)展起來(lái)的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、 自動(dòng)控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機(jī)電一體化的最高成就， 是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。目前機(jī)器人的移動(dòng)方式包括輪式、履帶式、步行、爬行、蠕動(dòng)等。輪式、履帶式運(yùn)動(dòng)本身已經(jīng)成熟，對(duì)輪式、履帶式移動(dòng)機(jī)器人的研究主要集中在自主運(yùn)動(dòng)控制上，但是這兩種方式對(duì)環(huán)境空間要求較高，因而其應(yīng)用范圍受到一定的限制。爬行和蠕動(dòng)型機(jī)器人主要用于管道和其它狹窄空間內(nèi)作業(yè)，具有良好的靜、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，但移動(dòng)速度較慢。雙足步行機(jī)器人與輪式、履帶式機(jī)器人相比有許多突出的優(yōu)越性(1)雙足步行機(jī)器人能適應(yīng)各種地面且具有較高的逾越障礙的能力，能夠方便的上下臺(tái)階及通過(guò)不平整、不規(guī)則或較窄的路面，它的移動(dòng)“盲區(qū)”很??；(2)雙足步行機(jī)器人的能耗很小。因?yàn)樵摍C(jī)器人可具有獨(dú)立的能源裝置，因此在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)充分考慮其能耗問(wèn)題。機(jī)器人力學(xué)計(jì)算也表明，足式機(jī)器人的能耗通常低于輪式和履帶式；(3)雙足步行機(jī)器人具有廣闊的工作空間。由于行走系統(tǒng)的占地面積小，而活動(dòng)范圍很大，所以為其配置的機(jī)械手提供了更大的活動(dòng)空間，同時(shí)也可使機(jī)械手臂設(shè)計(jì)得較為短小緊湊；(4)雙足直立行走是生物界難度最高的行走動(dòng)作。但其步行性能卻是其它步行結(jié)構(gòu)所無(wú)法比擬的。因此，步行機(jī)器人的研制對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)變化提出了更高的要求，同時(shí)也將有力地推進(jìn)機(jī)器人學(xué)及其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。在雙足機(jī)器人研究的眾多問(wèn)題之中，雙足機(jī)器人的動(dòng)作規(guī)劃是機(jī)器人研究的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，能夠得到像人一樣穩(wěn)定連續(xù)的雙足步行、起立、臥倒等動(dòng)作是雙足機(jī)器人研究的最終目標(biāo)。機(jī)器人倒地起立屬于機(jī)器人復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的一種，也是模擬人類日常生活中的一個(gè)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。特別在機(jī)器人足球比賽中，機(jī)器人與機(jī)器人在比賽過(guò)程中很容易進(jìn)行身體的碰撞， 因此倒地也在所難免。最大程度的減少倒地所帶來(lái)的傷害，并且在倒地之后自動(dòng)起立，繼續(xù)進(jìn)行比賽，成了研究的重點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于考慮上述問(wèn)題而提供一種自然、穩(wěn)定、符合人體運(yùn)動(dòng)特征的雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)合理，方便實(shí)用。[0011]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是本實(shí)用新型的雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)，包括有機(jī)器人控制器及動(dòng)作執(zhí)行器，機(jī)器人控制器的控制信號(hào)輸出端與動(dòng)作執(zhí)行器的信號(hào)輸入端連接，動(dòng)作執(zhí)行器的信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的各關(guān)節(jié)電機(jī)的信號(hào)輸入端連接，檢測(cè)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀況的跌倒檢測(cè)模塊的信號(hào)輸出端與機(jī)器人控制器的信號(hào)輸入端連接。上述動(dòng)作執(zhí)行器包括多關(guān)節(jié)控制器、功率驅(qū)動(dòng)電路、光電編碼器和比較電路，其中，多關(guān)節(jié)控制器的信號(hào)輸出端與功率驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸入端連接，光電編碼器的信號(hào)輸出端與比較電路的信號(hào)輸入端連接，比較電路的信號(hào)輸出端與多關(guān)節(jié)控制器的信號(hào)輸入端連接。上述各關(guān)節(jié)電機(jī)為伺服電機(jī)。上述跌倒檢測(cè)模塊包括三軸加速度傳感器、濾波電路和運(yùn)算放大電路，其中三軸加速度傳感器的信號(hào)輸出端與濾波電路的輸入端連接，濾波電路的輸出端與運(yùn)算放大電路的輸入端連接。上述機(jī)器人控制器包括有動(dòng)作生成模塊及動(dòng)作存儲(chǔ)模塊，跌倒檢測(cè)模塊中的實(shí)時(shí)檢測(cè)到機(jī)器人跌倒的加速度傳感器的信號(hào)輸出端與動(dòng)作生成模塊的信號(hào)輸入端連接，動(dòng)作生成模塊判斷出跌倒?fàn)顟B(tài)，并規(guī)劃出各關(guān)節(jié)站起動(dòng)作方案，存儲(chǔ)至動(dòng)作存儲(chǔ)模塊，并將控制指令傳送至動(dòng)作執(zhí)行器。上述動(dòng)作生成模塊包括姿態(tài)判別模塊、數(shù)值運(yùn)算模塊和指令生成模塊，上述姿態(tài)判別模塊是根據(jù)傳感檢測(cè)模塊獲取到的機(jī)器人姿態(tài)信息，按照χ、γ、ζ三個(gè)方向上速度、加速度的變化趨勢(shì)，判別倒地情況，發(fā)送信息給數(shù)值運(yùn)算模塊，數(shù)值運(yùn)算模塊負(fù)責(zé)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人各關(guān)節(jié)的動(dòng)作軌跡，實(shí)時(shí)接收倒地信號(hào)，通過(guò)指令生成模塊生成與之對(duì)應(yīng)的復(fù)位動(dòng)作命令， 使機(jī)器人達(dá)到一個(gè)理想的倒地狀態(tài)，制定出不同動(dòng)作階段每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并轉(zhuǎn)化成角度指令傳送給動(dòng)作存儲(chǔ)模塊。上述動(dòng)作存儲(chǔ)模塊包括動(dòng)作存儲(chǔ)單元和數(shù)據(jù)控制電路。其中，數(shù)據(jù)控制電路對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入輸出操作。本實(shí)用新型由于采用模擬人倒地后的站起方式，采用閉環(huán)控制，利用加速度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)到機(jī)器人跌倒，由動(dòng)作生成模塊判斷出跌倒?fàn)顟B(tài)，并規(guī)劃出各關(guān)節(jié)站起動(dòng)作的方案，存儲(chǔ)至動(dòng)作存儲(chǔ)器，最后由動(dòng)作控制模塊完成該動(dòng)作。本實(shí)用新型是對(duì)機(jī)器人正常行走的很好補(bǔ)充，所規(guī)劃動(dòng)作有效利用了機(jī)器人的上肢，是一種自然、穩(wěn)定、符合人體運(yùn)動(dòng)特征的設(shè)計(jì)方法，增強(qiáng)了機(jī)器人對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。本實(shí)用新型是一種設(shè)計(jì)巧妙，性能優(yōu)良，方便實(shí)用的雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)。

圖1為本實(shí)用新型的原理圖；圖2為動(dòng)作執(zhí)行器結(jié)構(gòu)框圖；圖3為跌倒檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)框圖；圖4為動(dòng)作存儲(chǔ)模塊結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例[0024]本實(shí)用新型的原理圖如圖1所示，本實(shí)用新型的雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)，包括有機(jī)器人控制器1及動(dòng)作執(zhí)行器2，機(jī)器人控制器1的控制信號(hào)輸出端與動(dòng)作執(zhí)行器2的信號(hào)輸入端連接，動(dòng)作執(zhí)行器2的信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的各關(guān)節(jié)電機(jī)3的信號(hào)輸入端連接，檢測(cè)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀況的跌倒檢測(cè)模塊4的信號(hào)輸出端與機(jī)器人控制器1的信號(hào)輸入端連接。本實(shí)施例中，上述各關(guān)節(jié)電機(jī)3為伺服電機(jī)。本實(shí)施例中，上述跌倒檢測(cè)模塊4包括三軸加速度傳感器41、濾波電路42和運(yùn)算放大電路43，其中三軸加速度傳感器的信號(hào)輸出端與濾波電路的輸入端連接，濾波電路的輸出端與運(yùn)算放大電路的輸入端連接。本實(shí)施例中，上述機(jī)器人控制器1包括有動(dòng)作生成模塊11及動(dòng)作存儲(chǔ)模塊12，跌倒檢測(cè)模塊4中的實(shí)時(shí)檢測(cè)到機(jī)器人跌倒的加速度傳感器的信號(hào)輸出端與動(dòng)作生成模塊 11的信號(hào)輸入端連接，動(dòng)作生成模塊11判斷出跌倒?fàn)顟B(tài)，并規(guī)劃出各關(guān)節(jié)站起動(dòng)作方案， 存儲(chǔ)至動(dòng)作存儲(chǔ)模塊12，并將控制指令傳送至動(dòng)作執(zhí)行器2。本實(shí)施例中，上述動(dòng)作執(zhí)行器2包括多關(guān)節(jié)控制器21、功率驅(qū)動(dòng)電路22、光電編碼器23和比較電路M，其中多關(guān)節(jié)控制器的信號(hào)輸出端與功率驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸入端連接， 光電編碼器的信號(hào)輸出端與比較電路的信號(hào)輸入端連接，比較電路的信號(hào)輸出端與多關(guān)節(jié)控制器的信號(hào)輸入端連接。本實(shí)施例中，所述多關(guān)節(jié)控制器21主要負(fù)責(zé)接收動(dòng)作存儲(chǔ)器的運(yùn)動(dòng)指令，按規(guī)定的協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換、解釋，并結(jié)合固化在關(guān)節(jié)控制器中的運(yùn)動(dòng)控制算法完成對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的控制。結(jié)合控制算法給驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制指令(或者PWM波序列)，同時(shí)通過(guò)光電編碼器 22等傳感器件反饋回來(lái)的信號(hào)再對(duì)控制指令(或者PWM波序列)做相應(yīng)的調(diào)整，從而使機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)都達(dá)到或最大程度的接近控制器的預(yù)期狀態(tài)。本實(shí)施例中，上述動(dòng)作生成模塊(11)包括姿態(tài)判別模塊、數(shù)值運(yùn)算模塊和指令生成模塊，上述姿態(tài)判別模塊是根據(jù)傳感檢測(cè)模塊獲取到的機(jī)器人姿態(tài)信息，按照x、Y、z三個(gè)方向上速度、加速度的變化趨勢(shì)，判別倒地情況，發(fā)送信息給數(shù)值運(yùn)算模塊，數(shù)值運(yùn)算模塊負(fù)責(zé)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人各關(guān)節(jié)的動(dòng)作軌跡，實(shí)時(shí)接收倒地信號(hào)，通過(guò)指令生成模塊生成與之對(duì)應(yīng)的復(fù)位動(dòng)作命令，使機(jī)器人達(dá)到一個(gè)理想的倒地狀態(tài)，制定出不同動(dòng)作階段每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并轉(zhuǎn)化成角度指令傳送給動(dòng)作存儲(chǔ)模塊。本實(shí)施例中，上述動(dòng)作存儲(chǔ)模塊12包括動(dòng)作存儲(chǔ)單元121和數(shù)據(jù)控制電路122，其中，數(shù)據(jù)控制電路對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入輸出操作。本實(shí)施例中，雙足機(jī)器人俯臥情況下起立的運(yùn)動(dòng)方式按照如下過(guò)程進(jìn)行1)機(jī)器人俯臥在地面上，手臂彎曲，一直到重心落在手掌與膝蓋之間，支撐部分為身體的前部分。2)手掌撐地，髖關(guān)節(jié)彎曲，并收縮膝關(guān)節(jié)，令小腿抬起，支撐部分為身體的前部分。3)左手撐地不動(dòng)，右手掌向后挪，并保證重心落在手掌與膝蓋之間，支撐部分為膝
蓋、手單ο4)右手撐地，左手后挪到與左手齊平，支撐部分為膝蓋、手掌。5)手臂伸直，使得膝蓋和腳掌著地，支撐部分為膝蓋、手掌。6)減小膝關(guān)節(jié)夾角，令上半身的投影落在兩角之間的區(qū)域里。同時(shí)雙臂收回，支撐部分為腳掌、膝蓋。7)雙腿伸直站立，支撐部分為腳掌。本實(shí)施例中，雙足機(jī)器人仰臥情況下起立的運(yùn)動(dòng)方式按照如下過(guò)程進(jìn)行1)機(jī)器人俯臥在地面上，手肘撐地，機(jī)器人慢慢坐起，支撐部分為身體前部分。2)機(jī)器人上身繼續(xù)前傾，令重心前移，支撐部分為腳掌肘、髖、腳跟。3)手臂前伸，令重心前移，支撐部分為髖、腳跟。4)減小膝蓋夾角，直至大腿貼到胸部，支撐部分為髖、腳掌。5)通過(guò)腳踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人成下蹲的姿勢(shì)。并在該過(guò)程中讓機(jī)器人上身盡量前傾，保證接下來(lái)的直立過(guò)程，重心落在前腳掌上。6)雙腿伸直站立，支撐部分為腳掌。
權(quán)利要求1.一種雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于包括有機(jī)器人控制器(1)及動(dòng)作執(zhí)行器(2)，機(jī)器人控制器(1)的控制信號(hào)輸出端與動(dòng)作執(zhí)行器(2)的信號(hào)輸入端連接，動(dòng)作執(zhí)行器(2)的信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的各關(guān)節(jié)電機(jī)(3)的信號(hào)輸入端連接，檢測(cè)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀況的跌倒檢測(cè)模塊(4)的信號(hào)輸出端與機(jī)器人控制器(1)的信號(hào)輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于上述、動(dòng)作執(zhí)行器(2)包括多關(guān)節(jié)控制器(21)、功率驅(qū)動(dòng)電路(22)、光電編碼器(23)和比較電路(24)，其中， 多關(guān)節(jié)控制器的信號(hào)輸出端與功率驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸入端連接，光電編碼器的信號(hào)輸出端與比較電路的信號(hào)輸入端連接，比較電路的信號(hào)輸出端與多關(guān)節(jié)控制器的信號(hào)輸入端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于上述各關(guān)節(jié)電機(jī)(3)為伺服電機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于上述跌倒檢測(cè)模塊(4)包括三軸加速度傳感器(41)、濾波電路(42)和運(yùn)算放大電路(43)，其中，三軸加速度傳感器的信號(hào)輸出端與濾波電路的輸入端連接，濾波電路的輸出端與運(yùn)算放大電路的輸入端連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于上述機(jī)器人控制器(1)包括有動(dòng)作生成模塊(11)及動(dòng)作存儲(chǔ)模塊(12)，跌倒檢測(cè)模塊(4)中的實(shí)時(shí)檢測(cè)到機(jī)器人跌倒的加速度傳感器的信號(hào)輸出端與動(dòng)作生成模塊(11)的信號(hào)輸入端連接，動(dòng)作生成模塊(11)判斷出跌倒?fàn)顟B(tài)，并規(guī)劃出各關(guān)節(jié)站起動(dòng)作方案，存儲(chǔ)至動(dòng)作存儲(chǔ)模塊(12 )，并將控制指令傳送至動(dòng)作執(zhí)行器(2 )。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于上述動(dòng)作生成模塊(11)包括姿態(tài)判別模塊、數(shù)值運(yùn)算模塊和指令生成模塊，上述姿態(tài)判別模塊是根據(jù)傳感檢測(cè)模塊獲取到的機(jī)器人姿態(tài)信息，按照χ、γ、ζ三個(gè)方向上速度、加速度的變化趨勢(shì)，判別倒地情況，發(fā)送信息給數(shù)值運(yùn)算模塊，數(shù)值運(yùn)算模塊負(fù)責(zé)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人各關(guān)節(jié)的動(dòng)作軌跡，實(shí)時(shí)接收倒地信號(hào)，通過(guò)指令生成模塊生成與之對(duì)應(yīng)的復(fù)位動(dòng)作命令，使機(jī)器人達(dá)到一個(gè)理想的倒地狀態(tài)，制定出不同動(dòng)作階段每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并轉(zhuǎn)化成角度指令傳送給動(dòng)作存儲(chǔ)模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于上述動(dòng)作存儲(chǔ)模塊(12)包括動(dòng)作存儲(chǔ)單元(121)和數(shù)據(jù)控制電路(122)，其中，數(shù)據(jù)控制電路對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入輸出操作。
專利摘要本實(shí)用新型是一種雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)。包括機(jī)器人控制器及動(dòng)作執(zhí)行器，機(jī)器人控制器的控制信號(hào)輸出端與動(dòng)作執(zhí)行器的信號(hào)輸入端連接，動(dòng)作執(zhí)行器的信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的各關(guān)節(jié)電機(jī)的信號(hào)輸入端連接，檢測(cè)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀況的跌倒檢測(cè)模塊的信號(hào)輸出端與機(jī)器人控制器的信號(hào)輸入端連接。其中跌倒檢測(cè)模塊利用加速度傳感器實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人的姿態(tài)信息，并通過(guò)動(dòng)作存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)存儲(chǔ)動(dòng)作生成模塊規(guī)劃所得動(dòng)作方案，動(dòng)作執(zhí)行器負(fù)責(zé)執(zhí)行存儲(chǔ)動(dòng)作。本實(shí)用新型參照人類跌倒后的站起方式，通過(guò)閉環(huán)反饋，觸發(fā)動(dòng)作模塊，對(duì)機(jī)器人對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)跌倒后的平穩(wěn)起立，所規(guī)劃動(dòng)作有效利用了機(jī)器人的上肢，增強(qiáng)了機(jī)器人對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。
文檔編號(hào)B62D57/032GK202264835SQ20112033384
公開(kāi)日2012年6月6日 申請(qǐng)日期2011年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月7日
發(fā)明者劉治, 王麗楊, 章云, 趙之光, 鄭國(guó)雄 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)