具有環(huán)境感知能力的電驅(qū)動(dòng)仿生四足機(jī)器人及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及仿生機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有環(huán)境感知能力的電驅(qū)動(dòng)仿生四足機(jī)器人及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]從機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式來看，機(jī)器人大致可分為輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人和腿足式機(jī)器人三類。相對(duì)于輪式或履帶式機(jī)器人，腿足式運(yùn)動(dòng)具有輪式或履帶式所不具備的優(yōu)越特性:
[0003](I)腿足式運(yùn)動(dòng)的落足點(diǎn)是離散的，可以在足的可達(dá)空間內(nèi)選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，可以跨越障礙，提高了對(duì)崎嶇地面的適應(yīng)能力。
[0004](2)腿足式運(yùn)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)更加靈活。
[0005](3)腿足式運(yùn)動(dòng)可以主動(dòng)隔振，即軀干質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡與足端軌跡解耦，在地面高低不平時(shí)身體仍可保持平穩(wěn)。
[0006](4)腿足式運(yùn)動(dòng)在不平坦或松散地面上仍能實(shí)現(xiàn)較高的移動(dòng)速度，能耗不會(huì)顯著增加。
[0007]當(dāng)前，世界范圍內(nèi)，一些國(guó)家對(duì)四足機(jī)器人展開了廣泛的研究，取得了豐碩的成果，尤其是美國(guó)波士頓動(dòng)力(Boston Dynamics)發(fā)布了液壓四足機(jī)器人BigDog之后，在世界范圍內(nèi)掀起了研究液壓四足機(jī)器人的熱潮，如韓國(guó)工業(yè)技術(shù)研究院研發(fā)了液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的四足機(jī)器人，意大利理工學(xué)院研發(fā)了電液混合驅(qū)動(dòng)的四足機(jī)器人HyQ，隨后波士頓動(dòng)力又發(fā)布了 AlphaDog和LS3四足機(jī)器人，在抗擾動(dòng)、負(fù)載能力和環(huán)境適應(yīng)能力方面有了大幅度提升。
[0008]在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)、山東大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和華中科技大學(xué)等高校也在從事四足仿生機(jī)器人的研發(fā)工作，并取得了一定的成果。
[0009]從目前的研究來看，四足機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式分為液壓驅(qū)動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)兩大類。
[0010]液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人在高動(dòng)態(tài)性、高負(fù)載能力方面具備其優(yōu)勢(shì)，但存在功耗大和噪音大等問題。
[0011]電驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人的自由度相對(duì)較少，運(yùn)動(dòng)不夠靈活;對(duì)環(huán)境的感知能力差，難以適應(yīng)復(fù)雜的地面運(yùn)動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供了一種具有環(huán)境感知能力的電驅(qū)動(dòng)仿生四足機(jī)器人及控制方法，模擬四足哺乳動(dòng)物體態(tài)，設(shè)計(jì)頭部、軀干、腿部和尾部，集成多傳感器，包括視覺傳感器、超聲傳感器、紅外傳感器、音頻傳感器、壓力傳感器、三軸傾角傳感器、觸覺傳感器等，采用電驅(qū)動(dòng)控制方式，實(shí)現(xiàn)仿生四足機(jī)器人對(duì)環(huán)境的動(dòng)態(tài)感知、自主導(dǎo)航、實(shí)時(shí)跟隨，以及適應(yīng)地形變化和隨機(jī)干擾的仿生步態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。
[0013]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0014]具有環(huán)境感知能力的電驅(qū)動(dòng)仿生四足機(jī)器人，包括頭部，所述頭部通過頸部、頭部連桿與前軀干鉸接，頭部和頸部聯(lián)動(dòng)，所述前軀干與后軀干鉸接;所述后軀干的后部設(shè)有尾部，所述尾部還通過尾部連桿與所述前軀干鉸接，實(shí)現(xiàn)尾部與前軀干的聯(lián)動(dòng);所述前軀干的兩側(cè)分別設(shè)有前腿，所述后軀干的兩側(cè)分別設(shè)有后腿;所述后腿的長(zhǎng)度長(zhǎng)于前腿;所述前軀干的最寬處寬于后軀干的最寬處;還包括環(huán)境感知傳感器組和攝像頭，所述環(huán)境感知傳感器組、攝像頭與中央處理器連接，所述中央處理器的輸出端連接電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)，電源管理模塊為所述環(huán)境感知傳感器組、中央處理器及電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)供電。
[0015]所述環(huán)境感知傳感器組包括視覺傳感器、超聲傳感器、紅外傳感器、音頻傳感器、壓力傳感器、三軸傾角傳感器及觸覺傳感器。
[0016]所述尾部的兩端中的一端設(shè)有上下兩個(gè)鉸接點(diǎn)，所述后軀干與所述尾部的上鉸接點(diǎn)鉸接，所述尾部的下鉸接點(diǎn)與所述尾部連桿的一端鉸接，所述尾部連桿的另一端與所述前軀干鉸接。
[0017]具有環(huán)境感知能力的電驅(qū)動(dòng)仿生四足機(jī)器人的控制方法，環(huán)境感知傳感器組采集外部環(huán)境及自身位姿信息，中央處理器通過決策層策略處理接收到的環(huán)境感知傳感器組采集的信息，做出主人識(shí)別及足端路徑規(guī)劃的反應(yīng)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)控制電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行動(dòng)作。
[0018]足端路徑規(guī)劃方法包括，建立四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)系，通過坐標(biāo)變換方程，將機(jī)器人重心軌跡規(guī)劃變換成足端軌跡規(guī)劃，選擇不同的三維空間軌跡得到不同的運(yùn)動(dòng)效果，經(jīng)過反變換以后得到機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，輸出控制信號(hào)給電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)。
[0019]決策層策略處理需要融合多種傳感器信息，采用添加優(yōu)先級(jí)因子的加權(quán)平均算法求決策結(jié)果;傳感器信息經(jīng)過濾波、歸一化以后，先與優(yōu)先級(jí)因子運(yùn)算，再經(jīng)過加權(quán)平均得到最后的決策結(jié)果。
[0020]主人識(shí)別的方法包括:主人圖像數(shù)據(jù)制成模板，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，攝像頭采集到主人臉部的圖像后，首先經(jīng)過卡爾曼濾波，減輕光照、旋轉(zhuǎn)、表情對(duì)人臉的影響，然后利用積分投影的方法確定面部特征點(diǎn)，提取局部特征的模板，然后和數(shù)據(jù)庫的主人模板進(jìn)行局部模板匹配，判斷是否是主人。
[0021]還包括手勢(shì)控制方法，包括左右設(shè)置的兩個(gè)紅外傳感器，系統(tǒng)狀態(tài)每次分叉為4種，采用四叉樹遍歷算法，并在四叉樹遍歷中插入時(shí)間參數(shù);在從一個(gè)樹節(jié)點(diǎn)往下一個(gè)枝葉節(jié)點(diǎn)遍歷的過程中，判斷時(shí)間參數(shù)是否在限定范圍內(nèi)，在則繼續(xù)往下個(gè)節(jié)點(diǎn)走，小于范圍是由于左右傳感器差異誤進(jìn)入，需要跳到最頂層節(jié)點(diǎn)，超出范圍則回到上一層節(jié)點(diǎn)；最低的一層節(jié)點(diǎn)表示手勢(shì)的最終結(jié)果。
[0022]還包括跟蹤的控制方法，采用紅外傳感器和超聲傳感器融合的方法，以紅外傳感器檢測(cè)結(jié)果作為有效跟蹤范圍，紅外傳感器的處理算法采用四叉樹遍歷算法結(jié)合時(shí)間變量，在有效跟蹤范圍內(nèi)加上超聲傳感器處理算法整數(shù)規(guī)劃算法，超聲波的距離數(shù)據(jù)作為變量，決策因子是一個(gè)經(jīng)過調(diào)試設(shè)定的固定值，距離數(shù)據(jù)和決策因子的乘積結(jié)果作為運(yùn)動(dòng)結(jié)果參考量，運(yùn)動(dòng)結(jié)果參考量經(jīng)過割平面法最終得到運(yùn)動(dòng)結(jié)果。
[0023]行走采用滑步步態(tài)規(guī)劃，平衡控制策略選用機(jī)器人穩(wěn)定性判據(jù)中的穩(wěn)定裕量，當(dāng)穩(wěn)定裕量超出穩(wěn)定范圍值時(shí)，結(jié)合下蹲策略和揮臂策略來調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)，直到恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。
[0024]本發(fā)明的有益效果:
[0025]本發(fā)明基于紅外傳感障礙識(shí)別，實(shí)現(xiàn)“手勢(shì)控制”功能，既能夠準(zhǔn)確的檢索到手勢(shì)結(jié)果，使手勢(shì)動(dòng)作的時(shí)間范圍比較寬，也能夠解決左右傳感器的檢測(cè)距離不一致問題。
[0026]本發(fā)明含有多個(gè)傳感器，采用電驅(qū)動(dòng)控制方式，實(shí)現(xiàn)仿生四足機(jī)器人對(duì)環(huán)境的動(dòng)態(tài)感知、自主導(dǎo)航、實(shí)時(shí)跟隨，以及適應(yīng)地形變化和隨機(jī)干擾的仿生步態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明的俯視圖；
[0028]圖2為本發(fā)明的正視圖；
[0029]圖3為前腿站立示意圖；
[0030]圖4為后腿站立示意圖；
[0031]圖5為本發(fā)明的軸測(cè)圖；
[0032]圖6為電源管理模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖7為本發(fā)明的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0034]圖8為環(huán)境感知系統(tǒng)圖；
[0035]圖9為電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)。
[0036]其中，1.頭部，2.前軀干，3.后軀干，4.尾部，5.頭部連桿，6.頸部，7.尾部連桿，8.腰部，9.前腿，10.后腿，11.彈性減振體，12.第一前臂，13第二前臂，14第一后臂，15第二后臂，
[0037]9.1肩部橫擺關(guān)節(jié)，9.2肩部俯仰關(guān)節(jié)，9.3肘部俯仰關(guān)節(jié)，9.4腕關(guān)節(jié)；
[0038]10.1髖部橫擺關(guān)節(jié)，10.2髖膝俯仰關(guān)節(jié)，10.3踝關(guān)節(jié)，10.4指關(guān)節(jié)。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0040]如圖1-2所示，具有環(huán)境感知能力的電驅(qū)動(dòng)仿生四足機(jī)器人，包括頭部I，所述頭部2通過頸部6、頭部連桿5與前軀干2鉸接，頭部I和頸部6聯(lián)動(dòng)，所述前軀干2與后軀干3鉸接；所述后軀干3的后部設(shè)有尾部4，所述尾部4還通過尾部連桿7與所述前軀干2鉸接，實(shí)現(xiàn)尾部4與前軀干2的聯(lián)動(dòng);所述前軀干2的兩側(cè)分別設(shè)有前腿9，所述后軀干3的兩側(cè)分別設(shè)有后腿10;所述后腿10的長(zhǎng)度長(zhǎng)于前腿9;所述前軀干2的最寬處寬于后軀干3的最寬處;還包括環(huán)境感知傳感器組和攝像頭，所述環(huán)境感知傳感器組、攝像頭與中央處理器連接，所述中央處理器的輸出端連接電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)，電源管理模塊為所述環(huán)境感知傳感器組、中央處理器及電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)供電。
[0041]所述環(huán)境感知傳感器組包括視覺傳感器、超聲傳感器、紅外傳感器、音頻傳感器、壓力傳感器、三軸傾角傳感器及觸覺傳感器。
[0042]本實(shí)施例給出一種機(jī)器人的具體結(jié)構(gòu)。
[0043]如圖1-2所示，前軀