上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（专利资料）陆地仿生（2016）具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人及控制方法.pdf_大学文库

CN105599821A 权利要求书 1/2页 1.具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人，包括头部，其特征是，所述头部通过颈部、头部连杆与前躯干铰接，头部和颈部联动，所述前躯干与后躯干铰接：所述后躯干的后部设有尾部，所述尾部还通过尾部连杆与所述前躯干铰接，实现尾部与前躯干的联动：所述前躯干的两侧分别设有前腿，所述后躯干的两侧分别设有后腿：所述后腿的长度长于前腿；所述前躯干的最宽处宽于后躯干的最宽处：还包括环境感知传感器组和摄像头，所述环境感知传感器组、摄像头与中央处理器连接，所述中央处理器的输出端连接电驱动执行系统，电源管理模块为所述环境感知传感器组、中央处理器及电驱动执行系统供电。 2.如权利要求1所述具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人，其特征是，所述环境感知传感器组包括视觉传感器、超声传感器、红外传感器、音频传感器、压力传感器、三轴倾角传感器及触觉传感器。 3.如权利要求1所述电驱动四足仿生机器人，其特征是，所述尾部的两端中的一端设有上下两个铰接点，所述后躯干与所述尾部的上铰接点铰接，所述尾部的下铰接点与所述尾部连杆的一端铰接，所述尾部连杆的另一端与所述前躯干铰接。 4.基于权利要求2所述具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人的控制方法，其特征是，环境感知传感器组采集外部环境及自身位姿信息，中央处理器通过决策层策略处理接收到的环境感知传感器组采集的信息，做出主人识别及足端路径规划的反应，产生相应的控制信号控制电驱动执行系统执行动作。 5.如权利要求4所述具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人的控制方法，其特征是，足端路径规划方法包括，建立四个关键点坐标系，通过坐标变换方程，将机器人重心轨迹规划变换成足端轨迹规划，选择不同的三维空间轨迹得到不同的运动效果，经过反变换以后得到机器人关节运动数据，输出控制信号给电驱动执行系统。 6.如权利要求4所述具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人的控制方法，其特征是，决策层策略处理需要融合多种传感器信息，采用添加优先级因子的加权平均算法求决策结果：传感器信息经过滤波、归一化以后，先与优先级因子运算，再经过加权平均得到最后的决策结果。 7.如权利要求4所述具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人的控制方法，其特征是，主人识别的方法包括：主人图像数据制成模板，存储在数据库中，摄像头采集到主人脸部的图像后，首先经过卡尔曼滤波，减轻光照、旋转、表情对人脸的影响，然后利用积分投影的方法确定面部特征点，提取局部特征的模板，然后和数据库的主人模板进行局部模板匹配，判断是否是主人。 8.如权利要求4所述具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人的控制方法，其特征是，还包括手势控制方法，包括左右设置的两个红外传感器，系统状态每次分叉为4种，采用四叉树遍历算法，并在四叉树遍历中插入时间参数：在从一个树节点往下一个枝叶节点遍历的过程中，判断时间参数是否在限定范围内，在则继续往下个节点走，小于范围是由于左右传感器差异误进入，需要跳到最顶层节点，超出范围则回到上一层节点：最低的一层节点表示手势的最终结果。 9.如权利要求4所述具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人的控制方法，其特征是，还包括跟踪的控制方法，采用红外传感器和超声传感器融合的方法，以红外传感器检测结果作为有效跟踪范围，红外传感器的处理算法采用四叉树遍历算法结合时间变量，在有 2

CN105599821A 说明书 1/7页具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人及控制方法技术领域 [0001]本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其涉及一种具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人及控制方法。背景技术 [0002]从机器人运动方式来看，机器人大致可分为轮式机器人、履带式机器人和腿足式机器人三类。相对于轮式或履带式机器人，腿足式运动具有轮式或履带式所不具备的优越特性： [0003] (1)腿足式运动的落足点是离散的，可以在足的可达空间内选择最优支撑点，可以跨越障碍，提高了对崎岖地面的适应能力。 [0004] (2)腿足式运动能实现全方位移动，运动更加灵活。 [0005](3)腿足式运动可以主动隔振，即躯干质心运动轨迹与足端轨迹解耦，在地面高低不平时身体仍可保持平稳。 [0006] (4)腿足式运动在不平坦或松散地面上仍能实现较高的移动速度，能耗不会显著增加。 [0007]当前，世界范围内，一些国家对四足机器人展开了广泛的研究，取得了丰硕的成果，尤其是美国波士顿动力(Boston Dynamics)发布了液压四足机器人BigDog之后，在世界范围内掀起了研究液压四足机器人的热潮，如韩国工业技术研究院研发了液压马达驱动的四足机器人，意大利理工学院研发了电液混合驱动的四足机器人HyQ,随后波士顿动力又发布了AlphaDog和LS3四足机器人，在抗扰动、负载能力和环境适应能力方面有了大幅度提升。 [0008]在国内，清华大学、山东大学、哈尔滨工业大学和华中科技大学等高校也在从事四足仿生机器人的研发工作，并取得了一定的成果。 [0009] 从目前的研究来看，四足机器人的驱动方式分为液压驱动和电驱动两大类。 [0010] 液压驱动四足机器人在高动态性、高负载能力方面具备其优势，但存在功耗大和噪音大等问题。 [0011]电驱动四足机器人的自由度相对较少，运动不够灵活：对环境的感知能力差，难以适应复杂的地面运动。发明内容 [0012]本发明的目的就是为了解决上述问题，提供了一种具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人及控制方法，模拟四足哺乳动物体态，设计头部、躯干、腿部和尾部，集成多传感器，包括视觉传感器、超声传感器、红外传感器、音频传感器、压力传感器、三轴倾角传感器、触觉传感器等，采用电驱动控制方式，实现仿生四足机器人对环境的动态感知、自主导航、实时跟随，以及适应地形变化和随机干扰的仿生步态运动规划。 [0013]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

CN105599821A 说明书 2/7页 [0014] 具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人，包括头部，所述头部通过颈部、头部连杆与前躯干铰接，头部和颈部联动，所述前躯干与后躯干铰接：所述后躯干的后部设有尾部，所述尾部还通过尾部连杆与所述前躯干较接，实现尾部与前躯干的联动：所述前躯干的两侧分别设有前腿，所述后躯干的两侧分别设有后腿：所述后腿的长度长于前腿：所述前躯干的最宽处宽于后躯干的最宽处：还包括环境感知传感器组和摄像头，所述环境感知传感器组、摄像头与中央处理器连接，所述中央处理器的输出端连接电驱动执行系统，电源管理模块为所述环境感知传感器组、中央处理器及电驱动执行系统供电。 [0015]所述环境感知传感器组包括视觉传感器、超声传感器、红外传感器、音频传感器、压力传感器、三轴倾角传感器及触觉传感器。 [O016]所述尾部的两端中的一端设有上下两个铰接点，所述后躯干与所述尾部的上铰接点铰接，所述尾部的下铰接点与所述尾部连杆的一端铰接，所述尾部连杆的另一端与所述前躯干铰接。 [0017]具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人的控制方法，环境感知传感器组采集外部环境及自身位姿信息，中央处理器通过决策层策略处理接收到的环境感知传感器组采集的信息，做出主人识别及足端路径规划的反应，产生相应的控制信号控制电驱动执行系统执行动作。 [0018]足端路径规划方法包括，建立四个关键点坐标系，通过坐标变换方程，将机器人重心轨迹规划变换成足端轨迹规划，选择不同的三维空间轨迹得到不同的运动效果，经过反变换以后得到机器人关节运动数据，输出控制信号给电驱动执行系统。 [0019]决策层策略处理需要融合多种传感器信息，采用添加优先级因子的加权平均算法求决策结果：传感器信息经过滤波、归一化以后，先与优先级因子运算，再经过加权平均得到最后的决策结果。 [0020]主人识别的方法包括：主人图像数据制成模板，存储在数据库中，摄像头采集到主人脸部的图像后，首先经过卡尔曼滤波，减轻光照、旋转、表情对人脸的影响，然后利用积分投影的方法确定面部特征点，提取局部特征的模板，然后和数据库的主人模板进行局部模板匹配，判断是否是主人。 [0021]还包括手势控制方法，包括左右设置的两个红外传感器，系统状态每次分叉为4 种，采用四叉树遍历算法，并在四叉树遍历中插入时间参数：在从一个树节点往下一个枝叶节点遍历的过程中，判断时间参数是否在限定范围内，在则继续往下个节点走，小于范围是由于左右传感器差异误进入，需要跳到最顶层节点，超出范围则回到上一层节点：最低的一层节点表示手势的最终结果。 [0022]还包括跟踪的控制方法，采用红外传感器和超声传感器融合的方法，以红外传感器检测结果作为有效跟踪范围，红外传感器的处理算法采用四叉树遍历算法结合时间变量，在有效跟踪范围内加上超声传感器处理算法整数规划算法，超声波的距离数据作为变量，决策因子是一个经过调试设定的固定值，距离数据和决策因子的乘积结果作为运动结果参考量，运动结果参考量经过割平面法最终得到运动结果。 [0023]行走采用滑步步态规划，平衡控制策略选用机器人稳定性判据中的稳定裕量，当稳定裕量超出稳定范围值时，结合下蹲策略和挥臂策略来调整机器人的姿态，直到恢复稳定状态。 5

CN105599821A 说明书 3/7页 [0024] 本发明的有益效果： [0025] 本发明基于红外传感障碍识别，实现“手势控制”功能，既能够准确的检索到手势结果，使手势动作的时间范围比较宽，也能够解决左右传感器的检测距离不一致问题。 [0026] 本发明含有多个传感器，采用电驱动控制方式，实现仿生四足机器人对环境的动态感知、自主导航、实时跟随，以及适应地形变化和随机干扰的仿生步态运动规划。附图说明 [0027] 图1为本发明的俯视图：「00281 图2为本发明的正视图： [0029] 图3为前腿站立示意图： [0030] 图4为后腿站立示意图： [0031] 图5为本发明的轴测图： [0032] 图6为电源管理模块的结构示意图： [0033] 图7为本发明的控制系统结构图： [0034] 图8为环境感知系统图： [0035] 图9为电驱动执行系统。 [0036] 其中，1.头部，2.前躯干，3.后躯干，4.尾部，5.头部连杆，6.颈部，7.尾部连杆，8 腰部，9.前腿，10.后腿，11.弹性减振体，12.第一前臂，13第二前臂，14第一后臂，15第二后臂， [0037] 9.1肩部横摆关节，9.2肩部俯仰关节，9.3肘部俯仰关节，9.4腕关节： [0038] 10.1髋部横摆关节，10.2髋膝俯仰关节，10.3踝关节，10.4指关节。具体实施方式 [0039]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。 [0040] 如图1-2所示，具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人，包括头部1，所述头部 2通过颈部6、头部连杆5与前躯千2铰接，头部1和颈部6联动，所述前躯干2与后躯干3铰接；所述后躯干3的后部设有尾部4，所述尾部4还通过尾部连杆7与所述前躯千2较接，实现尾部 4与前躯干2的联动：所述前躯干2的两侧分别设有前腿9，所述后躯干3的两侧分别设有后腿 10:所述后腿10的长度长于前腿9：所述前躯干2的最宽处宽于后躯干3的最宽处：还包括环境感知传感器组和摄像头，所述环境感知传感器组、摄像头与中央处理器连接，所述中央处理器的输出端连接电驱动执行系统，电源管理模块为所述环境感知传感器组、中央处理器及电驱动执行系统供电。 [0041]所述环境感知传感器组包括视觉传感器、超声传感器、红外传感器、音频传感器、压力传感器、三轴倾角传感器及触觉传感器。 [0042]本实施例给出一种机器人的具体结构。 [0043] 如图1-2所示，前躯干2包括依次相接的前躯干前部、前躯干中部和前躯干后部，所述前躯干前部的宽度小于前躯干后部的宽度，所述前躯干后部的宽度小于前躯干中部的宽度。所述后躯干包括依次相接的后躯干前部、后躯干中部和后躯干后部，所述后躯干后部的宽度小于后躯干前部的宽度，所述后躯干前部的宽度小于后躯干中部的宽度。 6

CN105599821A 说明书 4/7页 [0044] 所述前躯干后部与后躯干前部较接，形成腰部8。这样整体是肩宽胯窄，加之腰部8 的自由度，总体呈现前宽后窄中间细的结构，使得体态更加优美。前后躯干单独设计，通过腰部8自由度连接，腰部8自由度可实现前后躯干的相对俯仰运动，使得整体运动更加协调、稳定。 [0045]所述前躯干前部与所述颈部6的一端和头部连杆5的一端都铰接，所述颈部6的另一端和头部连杆5的另一端都与头部1较接。颈部6和头部连杆5的两端分别固定在头部1和前躯干，其四个铰接点形成四个自由度的封闭四边形，由颈部6与前躯干连接处的主动自由度实现头颈联动效果。头部连杆5机构的优点是：可以保证在调节头部1传感器相对位置时，不改变传感器相对躯干的姿态，保证测量场相对于躯干的有效范围。 [0046]所述尾部4的两端中的一端设有上下两个较接点，所述后躯干后部与所述尾部4的上铰接点铰接，所述尾部4的下铰接点与所述尾部连杆7的一端铰接，所述尾部连杆7的另一端与所述前躯干后部铰接。尾部4通过尾部连杆7与腰部8自由度联动。尾部连杆7的两端点分别较接在前躯干和尾部4，加之尾部4与后躯干3的铰接点和腰部8的较接点，形成四个自由度的封闭四边形，由腰部8主动自由度实现尾部4的联动效果。可根据头部1的前后移动，而由腰部8带动尾部4的相对移动，从而在体型运动及调整过程中保持整体质心稳定。 [0047]如图3和图5所示，所述前腿9包括肩部横摆关节9.1，所述肩部横摆关节9.1的上端铰接前躯干2，下端通过肩部俯仰关节9.2铰接第一前臂12，所述第一前臂12通过肘部俯仰关节9.3铰接第二前臂13，所述第二前臂13通过腕关节9.4铰接前脚趾，所述第二前臂13与前脚趾之间连接弹性减振体11。 [0048] 如图4和图5所示，所述后腿10包括髋部横摆关节10.1，所述髋部横摆关节10.1的上端铰接后躯干3，下端通过髋膝俯仰关节10.2铰接第一后臂14，所述第一后臂14通过踝关节铰接10.3第二后臂15，所述第二后臂15通过指关节铰接10.4后脚趾，所述第二后臂15与后脚趾之间连接弹性减振体11。 [0049] 仿照四足哺乳动物髋关节及腿部骨骼结构，采用前腿9和后腿10尺寸不同的方案，通过前腿9、后腿10不同的连接件，后腿10连接件略长且成一定得角度，其后腿10驱动功率较大。前腿9、后腿10部均包含三个主动自由度和一个从动自由度：在关节拓扑方面，采用了全肘式关节拓扑，后腿10大腿部分驱动采用髋膝一体的结构，增加后摆范围，后腿10的踝关节可以起到调节腿部长度以及辅助发力的效果。其优点是增加并优化了腿部的工作空间，足端具备更大且有效的运动范围，更加适合高速行走或者奔跑，采用更加仿生的关节拓扑结构，使得站立体态更美观、生动：且运动时，前腿9转向并辅助驱动，后腿10驱动，提高了运动的机动性，并使动作更加自如，仿生。 [0050] 本发明前腿9、后腿10采用独有的指关节的弹性减震体，分别安装在前腿2的腕关节与前脚趾之间，以及后腿10的指关节与后脚趾之间。通过弹性减震体和从动的腕关节自由度和指关节自由度，降低腿部与地面的撞击，起到保护驱动器，保持躯干运动稳定的作用。 [0051] 如图3所示所述后腿10髋膝俯仰关节的下端向尾部4方向倾斜。为后腿10比前腿2 长出的部分提供空间。 [0052]所述弹性减振体11为压缩弹簧、橡胶弹簧、复合弹簧、油气或空气弹簧。 [0053] 机器人的头部颈部由两个自由度组成：一个可以左右旋转的头关节，一个可以前 7

CN105599821A 说明书 5/7页后旋转的颈关节。 [0054]机器人的脊柱包括一个自由度：可以实现弯腰、后仰。 [0055]机器人的每一个腿部由三个自由度组成：可以侧向旋转的髋关节、可以前后旋转的髋关节和膝关节，这样机器人足端具有一个三维的可达空间，在降低四足机器人的复杂性的同时，机器人的腿部可以完成前后摆动、侧向摆动等动作，这使机器人可以顺利的完成行走、转向等动作，并可在崎岖的地形上行走。 [0056]机器人的尾部有一个自由度：实现尾巴的上下摆动。 [0057]机器人头部、躯干、腿足、尾部共16个自由度，分别由电机驱动。电驱动执行系统包括电机、减速器、位置检测四个组成部分。 [0058]电机是主要执行部件，运动范围从0°到270°，保证了能够活动的空间，满足机器人自由度要求。结构设计将电机和腿部结合到一起，设计成一体化腿部部件，易于安装更换。电机选择带有位置传感器的电机，不需要增加额外的传感器。 [0059]采用PM方式驱动。电驱动执行系统如图9所示。 [0060]如图6所示，所述电源管理模块包括电压检测模块、电流检测模块及电量检测模块，电量检测模块与电池、电流检测模块、电压检测模块连接：电压检测模块通过第三隔离模块与所述中央处理器连接：电量检测模块连接第一稳压滤波模块，第一稳压滤波模块通过第一隔离模块与所述中央处理器连接，电量检测模块通过第二稳压滤波模块与电驱动执行系统连接，电驱动执行系统通过第二隔离模块与所述中央处理器连接。 [0061]机器人采用7.2V锂电池供电。容量为3500mAh,电池体积仅68*38*18mm,在保障了给系统提供足够的电量同时，节省了占用空间，使机器人可以在内部增加更多的功能模块。 [0062]机器人在某些特定步态下，工作电流会突然增大，并且伴有高频谐波，因此系统设计了电源管理系统，包括电压检测、电流检测、电量检测、稳压设计、谐波吸收等电路。电源管理系统还包含了隔离设计，将控制系统和运动系统的电源隔离，确保运动系统的电源波动不会影响控制系统。电源管理部分框图如6所示。 [0063]电压检测主要功能是监控系统电压，在电压异常时提供报警信号。由于监控的是电池电压信号，因此第三隔离模块选择集成线性光耦芯片进行隔离，使用很少的外围电路实现了电压的隔离检测。 [0064]电流检测电路监控系统电流，在遇到异常（例如电机堵转）情况时提供保护信号，断开系统供电，保护系统其它器件。使用了低成本的自恢复保险丝，在系统过流时自动切断供电电路，起到保护作用：系统电流恢复正常以后可以继续使用，不需要频繁更换保险丝。 [0065]电量检测功能是保护电池的同时给用户及时提供充电信息，电量信息提供给自动充电系统，保证机器人在不断电的情况下连续正常运行。电量检测使用TI公司的集成芯片，起到简化电路设计的作用。 [0066]稳压设计给驱动电机提供安全范围内的电压，保护电机在电池的不同状态下（刚充满电或者使用一段时间)能够安全运行，不会受到电池电压的影响。谐波吸收设计吸收运动系统产生的高频谐波，保护电池和相关电路。 [0067]第二隔离模块，采用了多通道高速光电耦合器件，选择日本NEC公司生产的小封装芯片PS2805,满足电路集成化设计的需求。 [0068]具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人的控制方法，环境感知传感器组采集 8

CN105599821A 说明书 6/7页外部环境及自身位姿信息，中央处理器通过决策层策略处理接收到的环境感知传感器组采集的信息，做出主人识别及足端路径规划的反应，产生相应的控制信号控制电驱动执行系统执行动作。 [0069]机器人通过多传感器采集外部环境及自身位姿信息，控制器通过对传感信息的处理进行路径及运动规划，产生相应的控制信号输出到电驱动执行单元，控制相应自由度的运动。控制系统整体框图如图7所示。 [O07O]控制系统中央处理器选择DSP+ARM的双核CPU,DSP内核负责算法运算，例如足端路径规划算法、传感器系统相关算法等：ARM内核负责传感器信息的采集、转换、通信、控制信号输出、决策层策略处理等工作。双核CPU充分利用了DSP的运算能力和ARM的处理能力，既能够弥补单核CPU在不同处理能力方面的不足，也能够降低控制系统复杂度，减小控制系统体积。 [0071]足端路径规划方法，建立四个关键点坐标系，本实施例中，以机器人重心为坐标原点建立(X0,Y0,Z0)坐标系，以躯干髋关节为坐标原点建立(X1,Y1,Z1)坐标系，以大腿髋关节为坐标原点建立(X2,Y2,Z2)坐标系，以膝关节为坐标原点建立(X3,Y3,Z3)坐标系，通过坐标变换方程，将机器人重心轨迹规划变换成足端轨迹规划，选择不同的三维空间轨迹得到不同的运动效果，经过反变换以后得到机器人关节运动数据，输出控制信号给电驱动执行系统。 [0072]决策层策略处理需要融合多种传感器信息，采用添加优先级因子的加权平均算法求决策结果：传感器信息经过滤波、归一化以后，先与优先级因子运算，再经过加权平均得到最后的决策结果。 [0073]机器人集成了多种传感器，包括视觉传感器、超声传感器、红外传感器、音频传感器、压力传感器、三轴倾角传感器等，如图8所示。通过对这些传感器信息的融合，机器人实现对外部环境的探测，对自身位姿、运动信息的感知，并能够根据环境做出模拟人类的反应，例如识别主人、手势控制、跟踪、避障、循迹、崎岖路面行走、语音应答等行为，实现机器人定义中关于“人”的部分。 [0074]主人识别的方法包括：主人图像数据制成模板，存储在数据库中，摄像头采集到主人脸部的图像后，首先经过卡尔曼滤波，减轻光照、旋转、表情对人脸的影响，然后利用积分投影的方法确定面部特征点，提取局部特征的模板，然后和数据库的主人模板进行局部模板匹配，判断是否是主人。 [0075]还包括手势控制方法，包括左右设置的两个红外传感器，系统状态每次分叉为4 种，采用四叉树遍历算法，并在四叉树遍历中插入时间参数；在从一个树节点往下一个枝叶节点遍历的过程中，判断时间参数是否在限定范围内，在则继续往下个节点走，小于范围是由于左右传感器差异误进入，需要跳到最顶层节点，超出范围则回到上一层节点：最低的一层节点表示手势的最终结果。此方法既能够准确的检索到手势结果，使手势动作的时间范围比较宽，也能够解决左右传感器的检测距离不一致问题。 [0076]还包括跟踪的控制方法，采用红外传感器和超声传感器融合的方法，以红外传感器检测结果作为有效跟踪范围，红外传感器的处理算法采用四叉树遍历算法结合时间变量，在有效跟踪范围内加上超声传感器处理算法整数规划算法，超声波的距离数据作为变量，决策因子是一个经过调试设定的固定值，距离数据和决策因子的乘积结果作为运动结