本發(fā)明涉及機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)多關(guān)節(jié)行走機(jī)器人。

背景技術(shù)：

機(jī)器人技術(shù)屬于高新技術(shù)領(lǐng)域，在近幾十年中發(fā)展迅猛。它綜合了運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)、控制理論、計(jì)算機(jī)、傳感技術(shù)與人工智能等多學(xué)科的最新應(yīng)用研究成果，是目前最受青睞的研究領(lǐng)域之一，其發(fā)展水平在很大程度上代表著相關(guān)學(xué)科的技術(shù)成熟程度。

四足多關(guān)節(jié)行走機(jī)器人作為一類特種機(jī)器人，能幫助人類完成在許多危險(xiǎn)環(huán)境下的任務(wù)，例如恐怖現(xiàn)場、地震現(xiàn)場搜索、野外偵查、外層空間探測等。四足多關(guān)節(jié)行走機(jī)器人可分為空中、水下和地面三類機(jī)器人。而與人類最為密切相關(guān)的當(dāng)屬地面機(jī)器人，它可分為兩大類：一類是由車輛技術(shù)縱向發(fā)展成的輪式（包括履帶式）機(jī)器人；另一類是根據(jù)自然界如蛇、袋鼠、狗、馬、騾子、螃蟹和蜘蛛等動(dòng)物的步行原理而研制的仿生足式機(jī)器人。輪式機(jī)器人在堅(jiān)硬平坦的路面上具有非常明顯的速度優(yōu)勢，因而輪式機(jī)械自問世以來便成為人類最重要的交通工具。但是，地球陸地環(huán)境中超過一半的面積都是高低不平的山地和沼澤，輪式機(jī)器人在這樣的環(huán)境中應(yīng)用受到很大局限。然而，仿動(dòng)物的足式機(jī)器人卻能克服這一局限，具有很強(qiáng)的路面適應(yīng)性，能在人類無法到達(dá)的許多路面環(huán)境下行走。

因此，針對上述技術(shù)問題，有必要提供一種自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)多關(guān)節(jié)行走機(jī)器人。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)多關(guān)節(jié)行走機(jī)器人。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案如下：

一種自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)多關(guān)節(jié)行走機(jī)器人，所述機(jī)器人包括：

驅(qū)動(dòng)單元，包括若干伺服舵機(jī)，機(jī)器人的四肢分別設(shè)有至少2個(gè)伺服舵機(jī)；

超聲波傳感器，用于作為機(jī)器人距離的回饋；

三軸加速度器，用于作為機(jī)器人平穩(wěn)值的回饋；

光敏電阻傳感器，用于作為機(jī)器人偏移量的回饋；

主控芯片，與驅(qū)動(dòng)單元、超聲波傳感器、三軸加速度器及光敏電阻傳感器相連，用于控制機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)；

伺服舵機(jī)控制器，用于為伺服舵機(jī)編號以控制伺服舵機(jī)的狀態(tài)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述伺服舵機(jī)的扭力不低于16kg，可旋轉(zhuǎn)角度為360°。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述機(jī)器人的四肢分別設(shè)有3個(gè)伺服舵機(jī)，共計(jì)12個(gè)伺服舵機(jī)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述機(jī)器人的兩側(cè)分別設(shè)有1個(gè)伺服舵機(jī)，以平穩(wěn)機(jī)器人的重心。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述伺服舵機(jī)采用串接式方式連接，以統(tǒng)一接收主控芯片的控制信號。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述主控芯片為ARM Cortex-M芯片。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述主控芯片上還設(shè)有用于傳輸信號的USB串口和/或藍(lán)牙傳感器。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，容易組裝，構(gòu)行限制下比較自由，運(yùn)動(dòng)速度較佳，且運(yùn)行穩(wěn)定，處于不穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)行能夠通過不斷的進(jìn)化達(dá)成自我修復(fù)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明一具體實(shí)施方式中自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)多關(guān)節(jié)行走機(jī)器人的系統(tǒng)模塊圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

參圖1所示，本發(fā)明一具體實(shí)施方式中的自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)多關(guān)節(jié)行走機(jī)器人，包括：

驅(qū)動(dòng)單元10，包括若干伺服舵機(jī)，機(jī)器人的四肢分別設(shè)有至少2個(gè)伺服舵機(jī)，優(yōu)選地，伺服舵機(jī)的扭力不低于16kg，可旋轉(zhuǎn)角度為360°；伺服舵機(jī)采用串接式方式連接，以統(tǒng)一接收主控芯片的控制信號；

超聲波傳感器20，用于作為機(jī)器人距離的回饋；

三軸加速度器30，用于作為機(jī)器人平穩(wěn)值的回饋；

光敏電阻傳感器40，用于作為機(jī)器人偏移量的回饋；

主控芯片50，與驅(qū)動(dòng)單元10、超聲波傳感器20、三軸加速度器30及光敏電阻傳感器40相連，用于控制機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)選地，主控芯片為ARM Cortex-M芯片；

伺服舵機(jī)控制器60，用于為伺服舵機(jī)編號以控制伺服舵機(jī)的狀態(tài)。

進(jìn)一步地，主控芯片50上還設(shè)有用于傳輸信號的USB串口70和/或藍(lán)牙傳感器80。

本發(fā)明中的機(jī)器人主要使用超聲波傳感器作為距離的回饋，使用三軸加速度器作為平穩(wěn)值的回饋，使用光敏電阻傳感器作為偏移量的回饋，進(jìn)而達(dá)成機(jī)器人多目標(biāo)演化。

本發(fā)明中針對這四足多關(guān)節(jié)行走機(jī)器人構(gòu)行的運(yùn)動(dòng)行為加以試驗(yàn)以及評估。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)行為控制方面，本發(fā)明采用多目標(biāo)進(jìn)化遺傳算法來完成多個(gè)伺服舵機(jī)機(jī)器人復(fù)雜行為的控制，采用經(jīng)典遺傳算法以及多目標(biāo)遺傳算法于四足多關(guān)節(jié)仿生構(gòu)型機(jī)器人上，并且朝向降低機(jī)器人控制方面，使用最少成本(例如：染色體復(fù)雜度、時(shí)間復(fù)雜度)來達(dá)成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)行為，試驗(yàn)中本發(fā)明強(qiáng)調(diào)機(jī)器人處于不穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)行為通過不斷的進(jìn)化達(dá)成自我修復(fù)能力為主要貢獻(xiàn)。

本發(fā)明中所采用的是使用伺服舵機(jī)系列的機(jī)器人，在于設(shè)計(jì)機(jī)器人構(gòu)行相對的相當(dāng)自由且容易組裝，優(yōu)選地，本實(shí)施方式中中伺服舵機(jī)的扭力高達(dá)16kg，可以旋轉(zhuǎn)角度為360°，并且采用串接式伺服舵機(jī)，串接式伺服舵機(jī)和傳統(tǒng)的伺服舵機(jī)差別在于信號封包傳遞，傳統(tǒng)伺服舵機(jī)只能一個(gè)伺服舵機(jī)接收一個(gè)信號于控制器，而串接式伺服舵機(jī)是能將多個(gè)伺服舵機(jī)統(tǒng)一接收主控芯片的信號，所以本發(fā)明可以一次控制多個(gè)伺服舵機(jī)，相對的在對于設(shè)計(jì)機(jī)器人構(gòu)行限制下是比較自由的。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，以四足多關(guān)節(jié)行走機(jī)器人為例進(jìn)行說明，機(jī)器人的四肢可分別設(shè)有2個(gè)伺服舵機(jī)，總共控制的伺服舵機(jī)為8個(gè)。

然而因?yàn)樗淖愣嚓P(guān)節(jié)行走機(jī)器人足部較短導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)速度緩慢，所以本發(fā)明的另一實(shí)施例中，四足多關(guān)節(jié)機(jī)器人把足部加長，四肢各增加一個(gè)伺服舵機(jī)，因?yàn)闄C(jī)器人四肢增長導(dǎo)致機(jī)器人重心比較不平穩(wěn)，為了解決這問題，本實(shí)施例在機(jī)器人身體兩側(cè)各增加一個(gè)伺服舵機(jī)來支撐機(jī)器人的平穩(wěn)，總共有14個(gè)伺服舵機(jī)，真正控制的伺服舵機(jī)為12個(gè)。

同時(shí)模仿在真實(shí)世界中，機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，會有伺服舵機(jī)故障情況發(fā)生，機(jī)器人要如何去調(diào)適運(yùn)動(dòng)行為，在這構(gòu)型會有8個(gè)伺服舵機(jī)，有一個(gè)伺服舵機(jī)故障不會動(dòng)作，所以真正控制的伺服舵機(jī)為7 個(gè)。機(jī)器人搭載比較多的伺服舵機(jī)，會使機(jī)器人本身變得比較難以控制，相對也會增加硬件損壞率，所以必須要精確的規(guī)范每一個(gè)動(dòng)作(例如：每個(gè)伺服舵機(jī)的角度)。

由于四足多關(guān)節(jié)行走機(jī)器人關(guān)節(jié)多，自由度多，而且搭載了多種傳感器模塊，因此控制比較繁雜。本發(fā)明在機(jī)器人總共有14個(gè)伺服舵機(jī)，主控芯片采用 ST 公司的 ARM Cortex-M 系列產(chǎn)品。

本發(fā)明使用扭力較大的伺服舵機(jī)，能夠幫助本機(jī)器人在試驗(yàn)環(huán)境中克服伺服舵機(jī)的耗損及各種因素的影響，與傳統(tǒng)的伺服舵機(jī)相比，AX12 DYNAMIXEL提供了16kg 的高扭力。AX-12DYNAMIXEL 伺服舵機(jī)不像R/C 伺服舵機(jī)使用PWM 控制器，具有多個(gè)伺服舵機(jī)串連操作，伺服舵機(jī)角度可以360°轉(zhuǎn)動(dòng)，但因?yàn)榭紤]機(jī)器人運(yùn)動(dòng)行為，本發(fā)明會限制伺服舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，以免造成硬件的消耗。

本發(fā)明的機(jī)器人是由多個(gè)伺服舵機(jī)拼接而成的，所以都要為每個(gè)伺服舵機(jī)進(jìn)行編號來控制機(jī)器人的行為。優(yōu)選地，采用CM-530 伺服舵機(jī)控制器為各個(gè)伺服舵機(jī)編號，再通過RoboPlus伺服舵機(jī)控制軟件為每個(gè)伺服舵機(jī)進(jìn)行編號。

本發(fā)明利用針對仿生機(jī)器人粒子群優(yōu)化算法，通過局部搜尋的多樣式的微調(diào)去改變基因排列及個(gè)體數(shù)組合，來控制機(jī)器人的行為。另外，本發(fā)明專利采用循環(huán)演化的方式，以四足多關(guān)節(jié)行走機(jī)器人為主要構(gòu)型，并且控制由多顆伺服舵機(jī)組合而成的機(jī)器人。因?yàn)闄C(jī)器人是采用多目標(biāo)演化來當(dāng)作遺傳的依據(jù)，所以多目標(biāo)演化適應(yīng)值評估是進(jìn)行多目標(biāo)權(quán)重分配，為機(jī)器人的一套行為進(jìn)行評分，然后會選擇排名前三名的適應(yīng)值個(gè)體先進(jìn)行交叉的后作第一次的局部搜尋然后突變再作第二次的局部搜尋。

在本發(fā)明的一具體實(shí)施例中，以總長為160cm、寬為80cm的開放式長方形空間為例進(jìn)行試驗(yàn)，采用多目標(biāo)演化當(dāng)作試驗(yàn)的主軸，使機(jī)器人能夠達(dá)成快速且平穩(wěn)的朝向目標(biāo)物移動(dòng)。

本發(fā)明以組為單位進(jìn)行微調(diào)操作，且采取足與足的間互相模仿的方式，來控制機(jī)器人的一系列運(yùn)動(dòng)行為，故障的伺服舵機(jī)不列入計(jì)算范圍。首先會先取得該組每顆伺服舵機(jī)角度進(jìn)行加總后求平均值，以平均值當(dāng)作基準(zhǔn)，假如該組該伺服舵機(jī)大于平均值，則對該伺服舵機(jī)進(jìn)行-20°微調(diào)，反之如果小于平均值，則對該組該顆伺服舵機(jī)進(jìn)行+20°的微調(diào)，使該組轉(zhuǎn)動(dòng)相似程度提升，然后通過適應(yīng)值評估目前的微調(diào)對于機(jī)器人行為好不好，如果評估比上一代演化來的好，則會繼續(xù)采取一樣的模式進(jìn)行微調(diào)，反之如果評估是不好的，則采用反向模式操作，也就是說使足與足的間的相似程度降低進(jìn)行微調(diào)。從試驗(yàn)結(jié)果證明，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)行為能夠得到明顯的改善，且能夠加快機(jī)器人的收斂時(shí)間，降低試驗(yàn)所耗的成本。

在本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例中，以四足多關(guān)節(jié)機(jī)器人為例，機(jī)器人的四肢分別設(shè)有3個(gè)伺服舵機(jī)，共計(jì)12個(gè)伺服舵機(jī)，以m0~m11 表示，為每顆伺服舵機(jī)來編號m0伺服舵機(jī)編號為1，以此類推一直到m11伺服舵機(jī)編號為12。然后通過伺服舵機(jī)控制器分別控制各個(gè)伺服舵機(jī)的行為。

由上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，容易組裝，構(gòu)行限制下比較自由，運(yùn)動(dòng)速度較佳，且運(yùn)行穩(wěn)定，處于不穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)行能夠通過不斷的進(jìn)化達(dá)成自我修復(fù)。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。