一种自适应上下楼梯控制系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种自适应上下楼梯控制系统和方法，根据关节和连杆长度、整体重量建立外骨骼或双足机器人模型；获取障碍物距离信息，通过障碍物检测模块检测前方是否有障碍物；若检测到前方的障碍物，则检测出障碍物的尺寸信息，并通过障碍物分类模块判断是否为可跨越的障碍物；若不是可跨越的障碍物，则通过安全性判断模块规划运动轨迹控制机器人运动到安全范围之内；若为可跨越的障碍物，则通过上下楼梯控制模块完成障碍物的跨越。本发明专利技术解决楼梯高度不固定环境的识别问题，提高机器人对外界环境的适应能力；实现机器人的步态拟人化，提高机器整体的智能性，有较强的可移植性和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种自适应上下楼梯控制系统和方法
本专利技术涉及机器人控制
，具体为一种自适应上下楼梯控制系统和方法。
技术介绍
在机器人控制领域，特别是双足机器人控制领域，环境感知并完成自适应控制是机器人智能化的直接表现。正常环境主要包括平地、斜坡和楼梯等，若是能够自动识别环境并采取相应的运动控制策略，对于轮式、双足、多足及其他移动机器人来说，将为扩大其运动范围提供极大帮助。在医疗康复领域，帮助下肢偏瘫、瘫痪病人行走的外骨骼机器人虽然能够实现起立、坐下及迈步等操作，但是对于其他复杂环境的处理明显不够。目前已有的外骨骼（双足）机器人要不只能处理固定尺寸的楼梯，要不只能采用较生硬的步态完成上下楼梯。目前的外骨骼机器人只能使用生硬的步态处理固定尺寸的楼梯。由于各地楼梯的尺寸不一致，若使用固定步态，根本不足以帮助残疾人适应各种地形，严重限制其活动范围。
技术实现思路
针对上述问题本专利技术的目的在于提供一种能够自动感知楼梯高度并规划仿人轨迹，实现上下不同尺寸楼梯的自适应上下楼梯控制系统和方法，技术方案如下：一种自适应上下楼梯控制系统，用于控制外骨骼或双足机器人上下不同尺寸楼梯，包括数据采集模块、障碍物检测模块、障碍物分类模块、上下楼梯控制模块和安全性判断模块；数据采集模块包括设置在机器人躯干各处的传感器，用于获取机器人行走数据，障碍物尺寸及距离信息；障碍物检测模块通过障碍物距离信息进行环境感知，并将获取的环境参数传递给上下楼梯控制模块；障碍物分类模块判断前方障碍物是否是可跨越的障碍物；上下楼梯控制模块根据环境参数，以预先建立的内部外骨骼或双足机器人模型及正常人上下楼梯原型轨迹数据为基础，通过机器学习算法规划类人化上下楼梯运动轨迹和步态，自适应完成对不同环境参数障碍物的跨越动作。进一步的，还包括安全性判断模块，安全性判断模块判断整个运动过程中的安全性能，判断是否与环境中障碍物发生碰撞以及整体是否有摔倒的趋势或者已经摔倒，进而进行相应的调整和处理。更进一步的，所述数据采集模块包括安装于机器人踝关节的前向和纵向测距传感器，安装于机器人脚尖的接触开关或测力传感器，安装于机器人鞋底的压力传感器，安装于机器人膝关节、踝关节或髋关节的力矩传感器和角度编码器；各个关节连杆以及上肢躯干上安装用于测量连杆角度、角速度、线速度、角加速度和线加速度的仪器。一种自适应上下楼梯控制方法，包括：步骤A：根据关节和连杆长度、整体重量建立外骨骼或双足机器人模型；步骤B：获取障碍物距离信息，通过障碍物检测模块检测前方是否有障碍物；步骤C：若检测到前方的障碍物，则检测出障碍物的尺寸信息，并通过障碍物分类模块判断是否为可跨越的障碍物；若不是可跨越的障碍物，则规划运动轨迹控制机器人运动到安全范围之内；若为可跨越的障碍物，则进入下一步；步骤D：通过上下楼梯控制模块完成障碍物的跨越。进一步的，所述障碍物距离信息为通过前向和纵向测距传感器测的前向和纵向障碍物距离。更进一步的，所述步骤D的详细过程包括：采集并拟合得到的正常人上下楼梯或跨越障碍的运动轨迹，通过机器学习算法根据障碍物的尺寸信息，规划匹配外骨骼或双足机器人模型尺寸信息的类人步态轨迹，再通过设置在足部和腿部的相应的执行机构完成相应动作，实现上下楼梯或者跨越障碍物。更进一步的，在上下楼梯或跨越障碍物过程中：对比正常人上下楼梯或跨越障碍物时的力矩范围和安全标准范围，判断机器人是否运行于该范围内；若是，则不作处理；若不是，则判断系统处于异常情况，控制其进入安全状态；根据各个连杆及躯干部分的角度、角速度、角加速度、线速度、线加速度，以及机器人脚底压力，联合判断是否出现摔倒趋势或者已经摔倒；若出现摔倒趋势，则进行相应的调整并向用户进行报警提示；若已经摔倒，则切换到安全模式。更进一步的，所述进入安全状态包括立即停止在当前位置或/和回退到站立状态；所述安全模式包括维持当前状态或/和回退到平躺状态。本专利技术的有益效果是：本专利技术解决楼梯高度不固定环境的识别问题，提高机器人对外界环境的适应能力；实现机器人的步态拟人化，提高机器整体的智能性；控制方法可以适用于安装各种类型传感器的外骨骼（双足）机器人，安装位置可以根据实际情况进行调整，有较强的可移植性和稳定性。附图说明图1为机器人上楼梯时的流程示意图。图2为机器人下楼梯时的流程示意图。图3为本专利技术自适应上下楼梯控制系统结构框图。图4为本专利技术自适应上下楼梯控制方法的流程图。图中：1-踝关节；2-脚尖；3-鞋底；4-膝关节；5-大腿连杆；6-小腿连杆；7-髋关节；8-楼梯等障碍物。具体实施方式下面根据具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。采用距离传感器（距离传感器可以是红外、激光、摄像头等可以直接或者通过算法等间接获得距离障碍物距离的传感器，每条腿可以安装距离传感器的个数大于等于一个），安装位置可以是各个关节处或者鞋子、大小腿等任意位置，确定传感器安装位置后，根据关节间连杆长度和关节角度建立外骨骼（双足）机器人模型，以机器人正向运动学为依据，通过前向和纵向测距传感器测量数据计算得到前方障碍物距离，尺寸信息。利用MotionCapture（动作捕获）等方式提前采集并拟合得到的正常人上下楼梯运动轨迹，使用DMP（DynamicMovementPrimitives动态运动原语）及各种类型的机器学习算法（监督、非监督、半监督、强化学习）等智能算法，根据检测得到的障碍物尺寸规划类人化上下楼梯运动轨迹（步态）。在上下楼梯过程中，根据力（矩）传感器或者通过电流计算力矩大小，判断是否有障碍物等异常情况发生；若发生异常情况，外骨骼（双足）机器人将进入安全保护模式，安全模式可以是退回到初始站立情况、保持当前位置不变或者其他根据外界不同状态来调整的安全位置。图1为外骨骼或双足机器人上楼梯的流程示意图。数据采集模块中各传感器的安装位置如下：踝关节1安装前向和纵向测距传感器，测距传感器包括但不仅限于红外测距传感器、激光传感器和摄像头；脚尖2位置安装接触开关或者测力传感器；在鞋底3里面安装压力传感器，传感器类型包括但不仅限于薄膜压力传感器、荷重传感器，测量维度可以大于等于一维；踝关节1、膝关节4或髋关节7，都可以在关节中加入力矩传感器、角度编码器等传感器，用于测量运动过程中的力矩信息，当然我们也需要测量运动过程中各个关节的电流信息，据此计算关节力矩信息等。并且，在各个关节连杆以及上肢躯干上将安装用于测量连杆角度、角（线）速度及角（线）加速度等参数的仪器，包括但不仅限于陀螺仪、IMU（InertialMeasurementUnit）；大腿连杆5和小腿连杆6可以根据实际需求调整长度，从而适应不同的负载。本实施例的测距传感器安装固定在外骨骼（双足机器人）腿部，测距传感器主要用于测量前向和纵向障碍物距离。安装时最好将前向方向调整为水平向前方向，纵向方向为垂直地面向下方向（安装过程中的方向参考以外骨骼或者双足机器人竖直站立时为参考），当然，前向和纵向的安装方向也可以与水平方向有一定的角度偏差，记为θf和θv，需要将这两个角度偏差纳入最后整体的模型中计算以保证精度。若是传感器获得距离数据本身可以提取出对应的相对或绝对角度信息，那么这两个角度偏差也需要作为行走过程中获取得到的距离信息与水平或者垂直方向的角度0度的参考值。图2为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自适应上下楼梯控制系统，其特征在于，用于控制外骨骼或双足机器人上下不同尺寸楼梯，包括数据采集模块、障碍物检测模块、障碍物分类模块、上下楼梯控制模块和安全性判断模块；数据采集模块包括设置在机器人躯干各处的传感器，用于获取机器人行走数据，障碍物尺寸及距离信息；障碍物检测模块通过障碍物距离信息进行环境感知，并将获取的环境参数传递给上下楼梯控制模块；障碍物分类模块判断前方障碍物是否是可跨越的障碍物；上下楼梯控制模块根据环境参数，以预先建立的内部外骨骼或双足机器人模型及正常人上下楼梯原型轨迹数据为基础，通过机器学习算法规划类人化上下楼梯运动轨迹和步态，自适应完成对不同环境参数障碍物的跨越动作。

【技术特征摘要】
1.一种自适应上下楼梯控制系统，其特征在于，用于控制外骨骼或双足机器人上下不同尺寸楼梯，包括数据采集模块、障碍物检测模块、障碍物分类模块、上下楼梯控制模块和安全性判断模块；数据采集模块包括设置在机器人躯干各处的传感器，用于获取机器人行走数据，障碍物尺寸及距离信息；障碍物检测模块通过障碍物距离信息进行环境感知，并将获取的环境参数传递给上下楼梯控制模块；障碍物分类模块判断前方障碍物是否是可跨越的障碍物；上下楼梯控制模块根据环境参数，以预先建立的内部外骨骼或双足机器人模型及正常人上下楼梯原型轨迹数据为基础，通过机器学习算法规划类人化上下楼梯运动轨迹和步态，自适应完成对不同环境参数障碍物的跨越动作。2.根据权利要求1所述的自适应上下楼梯控制系统，其特征在于，还包括安全性判断模块，安全性判断模块判断整个运动过程中的安全性能，判断是否与环境中障碍物发生碰撞以及整体是否有摔倒的趋势或者已经摔倒，进而进行相应的调整和处理。3.根据权利要求1所述的自适应上下楼梯控制系统，其特征在于，所述数据采集模块包括安装于机器人踝关节（1）的前向和纵向测距传感器，安装于机器人脚尖（2）的接触开关或测力传感器，安装于机器人鞋底（2）的压力传感器，安装于机器人膝关节（4）、踝关节（1）或髋关节（7）的力矩传感器和角度编码器；各个关节连杆以及上肢躯干上安装用于测量连杆角度、角速度、线速度、角加速度和线加速度的仪器。4.一种如权利要求1所述自适应上下楼梯控制系统的控制方法，其特征在于，包括：步骤A：根据关节和连杆长度、整体重量建立外骨骼或双足机器人模型；步骤B：获取障碍物距离信息，通...

【专利技术属性】
技术研发人员：程洪，徐发树，
申请(专利权)人：布法罗机器人科技成都有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51