四足机器人的步态规划方法技术

本发明专利技术公开了四足机器人及其步态规划方法；它包括：机器人的躯干，所述机器人的躯干前端的上方通过机器人颈部连接机器人头部，所述机器人躯干的下方连接四条腿：第一、第二、第三和第四条腿；其中第一、第二条腿安装在机器人躯干的前端，第三、第四条腿安装在机器人躯干的后端；每条腿均包括从下而上依次连接的小腿、大腿、垂直杆和水平杆四个部分；所述躯干上设有控制装置，控制装置用于控制机器人的行走。本发明专利技术的机器人具有平稳行走、自动避障等功能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。
技术介绍
现有四足机器人还有很多的缺陷，比如均存在行走不稳定，功能较为单一的特点， 大部分都只能在平坦地面行走，没有应对外界干扰的和躲避障碍物的能力，具有视觉的四 足机器人更少。并且具有负载能力的四足机器人体型一般都较大、能耗高，在设计和调试中 会有很多麻烦，不利于算法验证和参数调整，所以设计一个小型四足机器人，方便在实验室 里进行算法验证，这对四足机器人的研宄提供了一种高效的方式。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述问题，提供一种， 它具有通过建立D-H坐标系、设计运动学方程和求解逆运动学方程，利用ARM单片机作为主 控制器，实现机器人步态规划，并通过多传感器实现了机器人的稳定性、自动避障和视觉传 输能力，在Android平台上设计的上位机可以有地控制机器人的优点。 为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案： -种四足机器人，包括：机器人的躯干，所述机器人的躯干前端的上方通过机器人 颈部连接机器人头部，所述机器人躯干的下方连接四条腿：第一、第二、第三和第四条腿； 其中第一、第二条腿安装在机器人躯干的前端，第三、第四条腿安装在机器人躯干的后端； 每条腿均包括从下而上依次连接的小腿、大腿、垂直杆和水平杆四个部分；所述小腿与大 腿、大腿与垂直杆、垂直杆与水平杆之间均设有舵机；所述躯干上设有控制装置，控制装置 通过控制舵机来控制机器人的平稳行走。 第一条腿中，小腿与大腿之间通过第一舵机连接，大腿和垂直杆之间通过第二舵 机连接，垂直杆与水平杆之间通过第三舵机连接； 第二条腿中，小腿与大腿之间通过第四舵机连接，大腿和垂直杆之间通过第五舵 机连接，垂直杆与水平杆之间通过第六舵机连接； 第三条腿中，小腿与大腿之间通过第七舵机连接，大腿和垂直杆之间通过第八舵 机连接，垂直杆与水平杆之间通过第九舵机连接； 第四条腿中，小腿与大腿之间通过第十舵机连接，大腿和垂直杆之间通过第十一 舵机连接，垂直杆与水平杆之间通过第十二舵机连接； 所述机器人颈部设有第十三舵机；所述机器人头部设有第十四舵机。 所述第三舵机，也称水平髋关节，仿照哺乳动物髋部关节的外摆内收功能，负责机 器人平行于身体方向的垂直方向运动，是机器人的转向运动时的驱动源，其旋转量用0 0表 不O 所述第二舵机，也称垂直髋关节，仿照哺乳动物的髋关节的前后收腿功能，负责机 器人的平行于身体方向的运动，是整个机器人的承重关节，其旋转量用0i表示。 所述第一舵机，也称膝关节，所述膝关节仿照哺乳动物的膝关节的前后运动关节， 负责驱动机器人腿部与地面接触，是机器人的步态轨迹的最终呈现关节，其旋转量用0 2表 不O 所述控制装置包括：单片机STM32,所述单片机STM32分别与上述十四个舵机、加 速度计传感器和超声波传感器连接，所述单片机STM32还通过蓝牙模块与上位机连接，所 述单片机STM32还通过单片机MT7620与网络摄像头连接，所述单片机STM32还通过稳压电 路与电源连接，所述单片机STM32还通过单片机MEGA644与OLED液晶显示屏连接。 所述单片机STM32作为主控芯片是机器人控制的核心，通过定时器模块产生20ms 定时中断作为机器人的运动周期，通过输出PWM波控制舵机转角完成机器人的步态，同时 stm32通过采集加速度计反馈的值得到机器人的姿态，控制机器人的平衡，控制超声波模块 的定时工作来采集机器人周围的障碍物情况，同时通过串口和蓝牙、mt7620连接来进行通 f目； 所述电源，用于给单片机供电； 所述稳压电路，用于提供5v、3. 3v、6v不同的电压分别给传感器、arm芯片和舵机 供电； 所述舵机，用于驱动机器人进行步态行走和头部摇动； 所述网络摄像头，用于远程监控，传送机器人周围的环境信息； 所述单片机MT7620,用于挂载OpenWRT系统以此将摄像头的图像通过wifi发送 出； 所述加速度计传感器，安装在机器人的机体中心位置用于采集机器人实时的姿 态； 所述超声波传感器，安装在机器人头部正上方用于检测机器人周围是否有障碍 物； 所述单片机MEGA644,用于和stm32通信得到控制信息并解码后通过液晶显示； 所述OLED液晶显示屏，用于显示机器人当前信息； 所述蓝牙模块，用于和andorid上位机间通信，传输指令和数据； 所述上位机，用于发送指令和接收机器人反馈的数据； 一种四足机器人的步态规划方法，包括如下步骤： 步骤（1):机器人初始化； 步骤（2):机器人接收上位机指令；将指令解码，通过OLED液晶显示屏显示； 步骤（3):机器人对上位机指令进行判断并执行指令，判断是舵机调试指令、步态 变换指令、方向改变指令还是其他功能指令，所述其他功能指令包括自适应稳定性、拍照指 令和自动避障指令。 所述步骤（3)中， 如果是舵机调试指令，则开始单个舵机调试，判断是否收到调试值，如果收到就开 始步态实现，步态实现后返回步骤（2);如果没收到就结束； 如果是步态变换指令，则开始步态实现，步态实现后返回步骤（2);如果是方向改变指令，则调整运动学方程，开始步态实现，步态实现后返回步骤 (2)； 如果是其他功能指令，则根据指令完成稳定性调整、拍照和自动避障功能，返回步 骤⑵。 所述步骤⑶中， 如果收到其他功能指令，首先判断是自适应稳定性指令、拍照指令还是自动避障 指令； 如果是自适应稳定性指令，则加速度计传感器采集当前机器人躯体的倾角并和稳 态时比较；计算偏差；步态实现； 如果是拍照指令，则网络摄像头拍照，将照片通过单片机MT7620内嵌的OpenWRT， 上传给单片机STM32,最终通过蓝牙模块上传给上位机； 如果是自动避障指令，则进入如下步骤： 步骤（3-1):超声波传感器启动，判断是否在设定安全距离内，如果是就开始步态 实现，返回步骤（3-1);如果否则机器人头部的第十四舵机通过转动再次检测；判断是否找 到无障碍方向，如果是就改变方向，开始步态实现，返回步骤（3-1)，如果否就结束。 所述步态实现的具体步骤如下： 步骤（4-1):建立DH坐标系，设定初始坐标点； 步骤（4-2):建立运动学方程；求解逆运动学方程； 步骤（4-3):设计运动轨迹； 步骤（4-4):舵机关节映射； 步骤（4-5) :PWM输出控制舵机实现步态。 所述步骤（4-1)的步骤为： 首先，利用D-H(Dnavit-Harbenberg)方法对机器人建立坐标系，以此来表示各关 节变量；第一关节的坐标系为》1，￥1，21)，第二关节的坐标系为》2，￥2,22)，第三关节的 坐标系为（乂3，￥3,23)，机器人躯干的中心位置的坐标系为（乂0，￥0,20) 根据建立的D-H坐标系建立机器人D-H坐标参数表。 表1机器人D-H坐标参数表 a:表示每条公垂线的长度（连杆长度）；a:两个相邻两坐标系z轴间的角度； 0 :绕当前关节坐标系z轴旋转的角度；d:在当前关节坐标系z轴上两条相邻的 公垂线之间的距离（称关节偏移）；关节1表示横向髋关节；关节2表示纵向髋关节；关节 3表不膝关节；a〇表不横向髓关节和纵向髓关节之间的连杆长度；al表不纵向髓关节和 膝关节之间的连杆长度；a2表示膝关节关节和腿末端节之间的连杆长度；k的取值范围是 0~2 ;di本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四足机器人，其特征是，包括：机器人的躯干，所述机器人的躯干前端的上方通过机器人颈部连接机器人头部，所述机器人躯干的下方连接四条腿：第一、第二、第三和第四条腿；其中第一、第二条腿安装在机器人躯干的前端，第三、第四条腿安装在机器人躯干的后端；每条腿均包括从下而上依次连接的小腿、大腿、垂直杆和水平杆四个部分；所述小腿与大腿、大腿与垂直杆、垂直杆与水平杆之间均设有舵机；所述躯干上设有控制装置，控制装置通过控制舵机来控制机器人的平稳行走。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈腾，郝延哲，宋勇，李贻斌，
申请(专利权)人：山东大学威海，
类型：发明
国别省市：山东;37