專(zhuān)利名稱：四足式仿生機(jī)器人控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在動(dòng)態(tài)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模式控制下運(yùn)動(dòng)的四足式仿生機(jī)器人控制裝置，屬機(jī) 器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景目前世界各國(guó)都在研制四足式仿生機(jī)器人，但是常規(guī)控制方法只能保證機(jī)器人在預(yù)先設(shè) 定好的模型下運(yùn)動(dòng)，環(huán)境變化對(duì)其運(yùn)動(dòng)影響較大。所以，對(duì)于可以自我感知環(huán)境、自我調(diào)節(jié) 位姿、受環(huán)境制約最小的四足仿生機(jī)器人是現(xiàn)在該技術(shù)領(lǐng)域的前沿。美國(guó)MIT的布魯克斯(Brooks)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的四足式機(jī)器人將生物基本行為中存在一 些局部條件反射單元作為其機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的主要依據(jù)，這種方法側(cè)重于對(duì)機(jī)器人下層實(shí)行 局部控制，沒(méi)有上層動(dòng)態(tài)神經(jīng)元系統(tǒng)的對(duì)外界大環(huán)境的感知、管理和調(diào)控，是一種簡(jiǎn)單的生 物反射運(yùn)動(dòng)。這種方法盡管可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，但受控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制方法的制約， 運(yùn)動(dòng)自主性降低，靈活性、穩(wěn)定性和適應(yīng)外部環(huán)境上還不夠完善。清華大學(xué)的鄭浩峻團(tuán)隊(duì)研 發(fā)的實(shí)現(xiàn)動(dòng)物節(jié)律運(yùn)動(dòng)的四足式仿生機(jī)器人(專(zhuān)利號(hào)03157386.X)使用與動(dòng)物相似的節(jié)律運(yùn) 動(dòng)機(jī)理來(lái)控制機(jī)器人，雖然這種方法使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)更為靈活，但是機(jī)器人主體還是沒(méi)有做到 自主感知外部環(huán)境并且可以自我調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而且該機(jī)器人控制裝置大部分在機(jī)器人體外， 使得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)受限。 發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有四足式機(jī)器人無(wú)法通過(guò)自我感知外部環(huán)境自主調(diào)節(jié)自身運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，本發(fā) 明提出一種基于動(dòng)態(tài)祌經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模式下運(yùn)動(dòng)的四足式仿生機(jī)器人控制裝置及系統(tǒng)，使機(jī)器人 能夠通過(guò)自身傳感裝置感知外界環(huán)境，并通過(guò)動(dòng)態(tài)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模式調(diào)節(jié)控制機(jī)器人能夠靈活、 敏捷的自主運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是包括紅外傳感器組，超聲波傳感器陣列， 火焰?zhèn)鞲衅鳎す鉁y(cè)距傳感器，雙目視覺(jué)傳感器，數(shù)字羅盤(pán)，慣性測(cè)量單元，力傳感器，行 程限位開(kāi)關(guān)，三組數(shù)據(jù)采集器，三組數(shù)據(jù)融合模塊，兩個(gè)具備執(zhí)行動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法功能的 計(jì)算器， 一對(duì)以太網(wǎng)通訊模塊， 一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，若干個(gè)電機(jī)控制器和對(duì)應(yīng)控制器數(shù)量的伺 服電機(jī)，上述原件構(gòu)成的整個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)大的閉環(huán)傳遞過(guò)程，具體分為上下兩個(gè) 控制層，上層猶如生物體的大腦用于感知外部環(huán)境并決策運(yùn)動(dòng)方向，下層猶如生物體的中樞 神經(jīng)用于控制運(yùn)動(dòng)步態(tài)及調(diào)節(jié)自身狀態(tài)。上層控制層包括紅外傳感器組、超聲波傳感器陣列、火焰?zhèn)鞲衅鳌⒓す鉁y(cè)距傳感器、雙目視覺(jué)傳感器、數(shù)字羅盤(pán)、上層計(jì)算器和上層以太網(wǎng)通訊模塊，所述的紅外傳感器用于測(cè)量 近距離小型障礙物的距離并指導(dǎo)機(jī)器人越障；超聲波傳感器陣列用于測(cè)量前方大型障礙物距 離并指導(dǎo)機(jī)器人避障；火焰?zhèn)鞲衅饔糜谂袛嗲胺绞欠裼谢鹧娌⒏嬷獧C(jī)器人避讓?zhuān)患す鈧鞲衅?用于精準(zhǔn)測(cè)距；雙目視覺(jué)傳感器用于捕捉前方障礙物輪廓；數(shù)字羅盤(pán)用于精準(zhǔn)確定地理方向 和機(jī)器人翻滾俯仰角度，為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)標(biāo)定參照方向以及確定機(jī)器人實(shí)時(shí)位姿；這其中紅 外傳感器組由紅外數(shù)據(jù)采集器采集到一組數(shù)據(jù)后經(jīng)紅外傳感器組數(shù)據(jù)融合模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)融合 后傳給上層計(jì)算器；超聲波傳感器陣列由超聲波數(shù)據(jù)采集器采集到一組數(shù)據(jù)后經(jīng)超聲波陣列 數(shù)據(jù)融合模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后傳給上層計(jì)算器；雙目視覺(jué)傳感器采集到圖像信號(hào)經(jīng)視覺(jué)信號(hào) 處理器處理后得到需要的數(shù)據(jù)傳給上層計(jì)算器，火焰?zhèn)鞲衅?、激光傳感器和?shù)字羅盤(pán)直接將 數(shù)據(jù)傳給上層計(jì)算器，所述上層計(jì)算器收集六個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算處理后得到下層控 制層需要的指令數(shù)據(jù)，通過(guò)上層以太網(wǎng)通信模塊與下層控制層的下層以太網(wǎng)通信模塊進(jìn)行實(shí) 時(shí)通信。下層控制層包括慣性測(cè)量單元、力傳感器、行程限位丌關(guān)、下層計(jì)算器，下層以太網(wǎng)通 訊模塊、 一個(gè)數(shù)據(jù)采集器和一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及若干個(gè)電機(jī)控制器和對(duì)應(yīng)控制器數(shù)量的伺服 電機(jī)所述的慣性測(cè)量單元用于測(cè)量機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)位姿參數(shù)；力傳感器用于測(cè)量機(jī)器人 足底觸地后受力的情況；行程限位開(kāi)關(guān)用于各個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)極限位置的限位；所述下層 以太網(wǎng)通信模塊接收上層數(shù)據(jù)后傳送到指令數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)器保存，等待調(diào)用；所述指令數(shù)據(jù) 融合模塊用于融合測(cè)量單元、力傳感器和行程限位開(kāi)關(guān)這三個(gè)傳感器經(jīng)數(shù)據(jù)采集器收集后的 數(shù)據(jù)和存放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的上層數(shù)據(jù)后傳送給下層計(jì)算器；所述下層計(jì)算器匯總所有數(shù)據(jù) 通過(guò)動(dòng)態(tài)祌經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法計(jì)算后得到當(dāng)前至下一指令時(shí)間段適合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的步態(tài)，并將指 令傳達(dá)給電機(jī)控制器并控制各自所屬的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明建立了一種可以實(shí)現(xiàn)自我感知、自我適應(yīng)、自我調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng) 的四足式仿生機(jī)器人控制裝置；機(jī)器人控制裝置采用雙控制層，與生物體大腦和中樞神經(jīng)系 統(tǒng)的生物控制模式相對(duì)應(yīng)；系統(tǒng)中采用多傳感器融合探測(cè)外部環(huán)境，使機(jī)器人可以靈活、便 捷的避障、越障、避火光、爬坡等等；通過(guò)數(shù)字羅盤(pán)機(jī)器人還可以判斷方向并實(shí)時(shí)判斷自身 位姿狀態(tài)，自適應(yīng)導(dǎo)航智能化大大增強(qiáng)；機(jī)器人可以具有豐富的信息源并智能地調(diào)節(jié)位姿以 適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。


圖1是本發(fā)明所述機(jī)器人控制裝置的示意方框圖。圖2是本發(fā)明所述機(jī)器人機(jī)器人上層控制裝置的示意方框圖。圖3是本發(fā)明所述機(jī)器人機(jī)器人下層控制裝置的示意方框圖。
具體實(shí)施方式
裝置實(shí)施例如圖1所示為本發(fā)明所述的機(jī)器人控制裝置方案，大多數(shù)生物體包括人類(lèi) 的神經(jīng)控制系統(tǒng)都是在一種生物模式下發(fā)生的，它分為上層大腦為核心的決策控制層和下層 中樞神經(jīng)為核心的協(xié)調(diào)執(zhí)行層。其中大腦用于運(yùn)算處理各個(gè)器官采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行判 斷，即索取有用信息，將信息生成指令傳達(dá)給中樞祌經(jīng)。中樞祌經(jīng)用于發(fā)出執(zhí)行指令、控制 四肢(包括骨骼、肌肉等)運(yùn)動(dòng)，這一模式就是本發(fā)明用到的上下兩個(gè)控制層的動(dòng)態(tài)神經(jīng)元 網(wǎng)絡(luò)模式。與生物體運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)類(lèi)似，本發(fā)明所述動(dòng)態(tài)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模式下運(yùn)動(dòng)的四足仿生機(jī)器人 建立上下兩個(gè)控制層，與環(huán)境采用全閉環(huán)控制。其中裝在機(jī)器人各個(gè)關(guān)鍵部位的傳感器(組)A1 A9用于全面采集環(huán)境信息提供給機(jī)器人控制層，上下兩個(gè)控制層的核心計(jì)算器對(duì)采集到 的信息進(jìn)行處理、運(yùn)算，將決策指令下達(dá)給伺服電機(jī)系統(tǒng)Ml Mn，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器人本體 移動(dòng)后，機(jī)器人狀態(tài)發(fā)生改變，傳感器又測(cè)量新的環(huán)境數(shù)據(jù)，這樣就完成了一次控制過(guò)程的 循環(huán)。上層控制層決定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向、步態(tài)、速度等實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的方位調(diào)整及轉(zhuǎn)換，由 上層計(jì)算器實(shí)現(xiàn)；下層控制層利用動(dòng)態(tài)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法融合傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)將關(guān)節(jié)控制信 號(hào)傳送給電機(jī)控制器，由下層計(jì)算器實(shí)現(xiàn)；最后，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行由伺服電機(jī)系統(tǒng)完成，類(lèi)似生物 體肌肉骨骼系統(tǒng)使機(jī)器人產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。圖2所示為本發(fā)明機(jī)器人上層控制裝置。圖中紅外傳感器組Al采用的是深圳商斯達(dá)公 司的GP2D12紅外傳感器組，安裝于四個(gè)小腿前端，當(dāng)前方有障礙物時(shí)傳感器將感應(yīng)到的數(shù) 據(jù)(模擬量)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換傳給紅外數(shù)據(jù)采集器B1，紅外數(shù)據(jù)采集器B1將所有紅外傳感器信 息收集后，傳給紅外數(shù)據(jù)融合模塊Cl處理并傳送到上層計(jì)算器01;超聲波傳感器陣列A2 采用北京鑫諾金公司MINI-A616010型超聲波傳感器陣列，安裝于機(jī)器人身體正前方，當(dāng)前 方有障礙物時(shí)傳感器將感應(yīng)到的數(shù)據(jù)(模擬量)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換傳給超聲波數(shù)據(jù)采集器B2，超聲 波數(shù)據(jù)采集器B2將所有超聲波傳感器信息收集后，傳給超聲波組數(shù)據(jù)融合模塊C2處理后傳 送到上層計(jì)算器01; 火焰?zhèn)鞲衅鰽3采用HAMAMATSU公司的C3704型火焰?zhèn)鞲衅鳎?裝于機(jī)器人前方，用于判斷前方是否有火焰，采集到的數(shù)據(jù)是開(kāi)關(guān)量，直接傳遞給上層傳感 器01;激光傳感器A4采用HOKUYO公司的URG-04LX型激光傳感器，用于精確測(cè)距，采 集到的信號(hào)通過(guò)串口傳遞給上層計(jì)算器01;雙目視覺(jué)傳感器A5采用北京微IPP/^司 MVDC360SAC-GE60ST型雙目視覺(jué)傳感器，將采集到的信息通過(guò)視頻信號(hào)傳送給視覺(jué)信號(hào)處 理器B5轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳遞給上層計(jì)算器01;數(shù)字羅盤(pán)A6采集地理方向，其數(shù)據(jù)通過(guò)串 口傳遞給01;上層計(jì)算器Ol為PC104機(jī)，工業(yè)產(chǎn)品，其主板上預(yù)留有各個(gè)傳感器信號(hào)傳用的各種接口，其中上層以太網(wǎng)通信模塊D1集成在PC104機(jī)上，其作用是與下層通信，將 上層計(jì)算處理后的數(shù)據(jù)傳遞給下層。圖3所示為本發(fā)明機(jī)器人下層控制裝置。圖中所示慣性測(cè)量單元A7采用中星測(cè)控的 CS-IMU-01型慣性測(cè)量單元，安裝于機(jī)器人內(nèi)部測(cè)量機(jī)器人位姿狀態(tài)參數(shù)(包括三個(gè)方向的 角加速度和線加速度)，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)采集器B4;力傳感器A8采用江蘇聯(lián)能 CL-YD-331型力傳感器，安裝于機(jī)器人足底，當(dāng)機(jī)器人足端接觸到地面或其它物體，力傳感 器A8會(huì)將接觸力數(shù)據(jù)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換傳遞給數(shù)據(jù)采集器B4;行程限位開(kāi)關(guān)A9采用上海振鑫 公司J5M-D0.8PK型行程限位開(kāi)關(guān)，安裝于各個(gè)擺動(dòng)關(guān)節(jié)的前后極限位置以及擺動(dòng)前的初始 位置，測(cè)量的數(shù)據(jù)是開(kāi)關(guān)量，傳遞給數(shù)據(jù)采集器B4;下層以太網(wǎng)通訊模塊D2用于與上層通 信和接收上層數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于指令數(shù)據(jù)接收儲(chǔ)存器E1;指令數(shù)據(jù)接收儲(chǔ)存器El與數(shù) 據(jù)采集器B4的數(shù)據(jù)經(jīng)指令數(shù)據(jù)融合模塊C3數(shù)據(jù)融合后，傳送到具備動(dòng)態(tài)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)計(jì)算功 能的下層計(jì)算器02;下層計(jì)算器02與上層一樣也使用工業(yè)產(chǎn)品PC104機(jī)。由02計(jì)算后得到的指令數(shù)據(jù)需要立即執(zhí)行，機(jī)器人安裝有若干電機(jī)控制器(Gl Gn) 用于控制各個(gè)關(guān)節(jié)的電機(jī)，這些電機(jī)控制器就是用來(lái)執(zhí)行下層計(jì)算器02發(fā)來(lái)的執(zhí)行指令數(shù) 據(jù)；與控制器對(duì)應(yīng)的安裝于關(guān)節(jié)處的伺服電機(jī)由電機(jī)控制器M的控制進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1、四足式仿生機(jī)器人控制裝置，包括紅外傳感器組、超聲波傳感器陣列、火焰?zhèn)鞲衅?、激光測(cè)距傳感器、雙目視覺(jué)傳感器、數(shù)字羅盤(pán)、慣性測(cè)量單元、力傳感器、行程限位開(kāi)關(guān)、三組數(shù)據(jù)采集器、三組數(shù)據(jù)融合模塊、兩個(gè)具備執(zhí)行動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法功能的計(jì)算器、一對(duì)以太網(wǎng)通訊模塊、一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、若干個(gè)電機(jī)控制器和對(duì)應(yīng)控制器數(shù)量的伺服電機(jī)，其特征在于所述的紅外傳感器組由紅外數(shù)據(jù)采集器采集到一組數(shù)據(jù)后經(jīng)紅外傳感器組數(shù)據(jù)融合模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后傳給上層計(jì)算器；超聲波傳感器陣列由超聲波數(shù)據(jù)采集器采集到一組數(shù)據(jù)后經(jīng)超聲波陣列數(shù)據(jù)融合模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后傳給上層計(jì)算器；雙目視覺(jué)傳感器采集到圖像信號(hào)經(jīng)視覺(jué)信號(hào)處理器處理后得到需要的數(shù)據(jù)傳給上層計(jì)算器，火焰?zhèn)鞲衅?、激光傳感器和?shù)字羅盤(pán)直接將數(shù)據(jù)傳給上層計(jì)算器，所述上層計(jì)算器收集六個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算處理后得到下層控制層需要的指令數(shù)據(jù)，通過(guò)上層以太網(wǎng)通信模塊與下層以太網(wǎng)通信模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)通信；所述下層以太網(wǎng)通信模塊接收上層數(shù)據(jù)后傳送到指令數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)器保存，等待調(diào)用；所述指令數(shù)據(jù)融合模塊用于融合測(cè)量單元、力傳感器和行程限位開(kāi)關(guān)這三個(gè)傳感器經(jīng)數(shù)據(jù)采集器收集后的數(shù)據(jù)和存放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的上層數(shù)據(jù)后傳送給下層計(jì)算器；所述下層計(jì)算器匯總數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算后將指令傳達(dá)給電機(jī)控制器并控制各自所屬的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種四足式仿生機(jī)器人控制裝置，建立上下兩個(gè)控制層，各個(gè)傳感器將環(huán)境信息提供給機(jī)器人控制層，上下層計(jì)算器對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，將決策指令下達(dá)給伺服電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器人本體移動(dòng)后，機(jī)器人狀態(tài)發(fā)生改變，傳感器又測(cè)量新的環(huán)境數(shù)據(jù)。上層控制層決定機(jī)器人的方位調(diào)整及轉(zhuǎn)換，下層控制層利用動(dòng)態(tài)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法融合傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)將關(guān)節(jié)控制信號(hào)傳送給電機(jī)控制器，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。本發(fā)明建立了一種可以實(shí)現(xiàn)自我感知、自我適應(yīng)、自我調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)的四足式仿生機(jī)器人控制裝置，機(jī)器人可以具有豐富的信息源并智能地調(diào)節(jié)位姿以適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。
文檔編號(hào)G05D1/00GK101251756SQ200710300719
公開(kāi)日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日
發(fā)明者丁良宏, 馮華山, 姬昌睿, 徐婭萍, 王潤(rùn)孝, 秦現(xiàn)生, 趙國(guó)斌, 路新亮 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)