具有環(huán)境感知能力的電驅動仿生四足機器人及控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及仿生機器人技術領域，尤其涉及一種具有環(huán)境感知能力的電驅動仿生四足機器人及控制方法。
【背景技術】
[0002]從機器人運動方式來看，機器人大致可分為輪式機器人、履帶式機器人和腿足式機器人三類。相對于輪式或履帶式機器人，腿足式運動具有輪式或履帶式所不具備的優(yōu)越特性:
[0003](I)腿足式運動的落足點是離散的，可以在足的可達空間內選擇最優(yōu)支撐點，可以跨越障礙，提高了對崎嶇地面的適應能力。
[0004](2)腿足式運動能實現(xiàn)全方位移動，運動更加靈活。
[0005](3)腿足式運動可以主動隔振，即軀干質心運動軌跡與足端軌跡解耦，在地面高低不平時身體仍可保持平穩(wěn)。
[0006](4)腿足式運動在不平坦或松散地面上仍能實現(xiàn)較高的移動速度，能耗不會顯著增加。
[0007]當前，世界范圍內，一些國家對四足機器人展開了廣泛的研究，取得了豐碩的成果，尤其是美國波士頓動力(Boston Dynamics)發(fā)布了液壓四足機器人BigDog之后，在世界范圍內掀起了研究液壓四足機器人的熱潮，如韓國工業(yè)技術研究院研發(fā)了液壓馬達驅動的四足機器人，意大利理工學院研發(fā)了電液混合驅動的四足機器人HyQ，隨后波士頓動力又發(fā)布了 AlphaDog和LS3四足機器人，在抗擾動、負載能力和環(huán)境適應能力方面有了大幅度提升。
[0008]在國內，清華大學、山東大學、哈爾濱工業(yè)大學和華中科技大學等高校也在從事四足仿生機器人的研發(fā)工作，并取得了一定的成果。
[0009]從目前的研究來看，四足機器人的驅動方式分為液壓驅動和電驅動兩大類。
[0010]液壓驅動四足機器人在高動態(tài)性、高負載能力方面具備其優(yōu)勢，但存在功耗大和噪音大等問題。
[0011]電驅動四足機器人的自由度相對較少，運動不夠靈活;對環(huán)境的感知能力差，難以適應復雜的地面運動。

【發(fā)明內容】

[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)境感知能力的電驅動仿生四足機器人及控制方法，模擬四足哺乳動物體態(tài)，設計頭部、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，采用電驅動控制方式，實現(xiàn)仿生四足機器人對環(huán)境的動態(tài)感知、自主導航、實時跟隨，以及適應地形變化和隨機干擾的仿生步態(tài)運動規(guī)劃。
[0013]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0014]具有環(huán)境感知能力的電驅動仿生四足機器人，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，所述前軀干與后軀干鉸接;所述后軀干的后部設有尾部，所述尾部還通過尾部連桿與所述前軀干鉸接，實現(xiàn)尾部與前軀干的聯(lián)動;所述前軀干的兩側分別設有前腿，所述后軀干的兩側分別設有后腿;所述后腿的長度長于前腿;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動執(zhí)行系統(tǒng)，電源管理模塊為所述環(huán)境感知傳感器組、中央處理器及電驅動執(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有上下兩個鉸接點，所述后軀干與所述尾部的上鉸接點鉸接，所述尾部的下鉸接點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)境感知能力的電驅動仿生四足機器人的控制方法，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，做出主人識別及足端路徑規(guī)劃的反應，產(chǎn)生相應的控制信號控制電驅動執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行動作。
[0018]足端路徑規(guī)劃方法包括，建立四個關鍵點坐標系，通過坐標變換方程，將機器人重心軌跡規(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動效果，經(jīng)過反變換以后得到機器人關節(jié)運動數(shù)據(jù)，輸出控制信號給電驅動執(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)先級因子的加權平均算法求決策結果;傳感器信息經(jīng)過濾波、歸一化以后，先與優(yōu)先級因子運算，再經(jīng)過加權平均得到最后的決策結果。
[0020]主人識別的方法包括:主人圖像數(shù)據(jù)制成模板，存儲在數(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、表情對人臉的影響，然后利用積分投影的方法確定面部特征點，提取局部特征的模板，然后和數(shù)據(jù)庫的主人模板進行局部模板匹配，判斷是否是主人。
[0021]還包括手勢控制方法，包括左右設置的兩個紅外傳感器，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間參數(shù);在從一個樹節(jié)點往下一個枝葉節(jié)點遍歷的過程中，判斷時間參數(shù)是否在限定范圍內，在則繼續(xù)往下個節(jié)點走，小于范圍是由于左右傳感器差異誤進入，需要跳到最頂層節(jié)點，超出范圍則回到上一層節(jié)點；最低的一層節(jié)點表示手勢的最終結果。
[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，以紅外傳感器檢測結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合時間變量，在有效跟蹤范圍內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，決策因子是一個經(jīng)過調試設定的固定值，距離數(shù)據(jù)和決策因子的乘積結果作為運動結果參考量，運動結果參考量經(jīng)過割平面法最終得到運動結果。
[0023]行走采用滑步步態(tài)規(guī)劃，平衡控制策略選用機器人穩(wěn)定性判據(jù)中的穩(wěn)定裕量，當穩(wěn)定裕量超出穩(wěn)定范圍值時，結合下蹲策略和揮臂策略來調整機器人的姿態(tài)，直到恢復穩(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別，實現(xiàn)“手勢控制”功能，既能夠準確的檢索到手勢結果，使手勢動作的時間范圍比較寬，也能夠解決左右傳感器的檢測距離不一致問題。
[0026]本發(fā)明含有多個傳感器，采用電驅動控制方式，實現(xiàn)仿生四足機器人對環(huán)境的動態(tài)感知、自主導航、實時跟隨，以及適應地形變化和隨機干擾的仿生步態(tài)運動規(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)明的軸測圖；
[0032]圖6為電源管理模塊的結構示意圖；
[0033]圖7為本發(fā)明的控制系統(tǒng)結構圖；
[0034]圖8為環(huán)境感知系統(tǒng)圖；
[0035]圖9為電驅動執(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肩部橫擺關節(jié)，9.2肩部俯仰關節(jié)，9.3肘部俯仰關節(jié)，9.4腕關節(jié)；
[0038]10.1髖部橫擺關節(jié)，10.2髖膝俯仰關節(jié)，10.3踝關節(jié)，10.4指關節(jié)。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0040]如圖1-2所示，具有環(huán)境感知能力的電驅動仿生四足機器人，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，所述前軀干2與后軀干3鉸接；所述后軀干3的后部設有尾部4，所述尾部4還通過尾部連桿7與所述前軀干2鉸接，實現(xiàn)尾部4與前軀干2的聯(lián)動;所述前軀干2的兩側分別設有前腿9，所述后軀干3的兩側分別設有后腿10;所述后腿10的長度長于前腿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動執(zhí)行系統(tǒng)，電源管理模塊為所述環(huán)境感知傳感器組、中央處理器及電驅動執(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]本實施例給出一種機器人的具體結構。
[0043]如圖1-2所示，前軀