一种使用牵引绳操控足式机器人的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种使用牵引绳操控足式机器人的系统及方法，牵引绳操控程序启动后，传感器模块获取足式机器人机械腿在受拉力作用时各关节的当前位置、关节扭矩及式机器人躯干当前位置的加速度和姿态信息；外力感知模块依据各关节扭矩和躯干姿态信息，得出机器人躯干所受到的合外力；指令生成模块生成新的运动控制指令；运动控制模块根据所受合外力的大小和方向生成关节控制指令，并最终发送给各关节电机执行，实现用户通过拉拽牵引绳按照主观意愿对足式机器人的运动控制。本发明专利技术有效降低开发和制造成本，用户较易上手，牵引绳无需供电且机器人能在快速奔跑的情况下被控制。机器人能在快速奔跑的情况下被控制。机器人能在快速奔跑的情况下被控制。

【技术实现步骤摘要】
一种使用牵引绳操控足式机器人的系统及方法


[0001]本专利技术涉及机器人
，尤其涉及一种使用牵引绳操控足式机器人的系统及方法。

技术介绍

[0002]机器人是一种能够半自主或全自主工作的智能机器，具有感知、决策、执行等基本特征，可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作，提高工作效率与质量，服务人类生活，扩大或延伸人的活动及能力范围。其中，足式机器人因其能够适应各种不同的路面，尤其是人造环境中的石子路、楼梯等非平面地形而日益成为移动机器人行业关注的热点。随着电机技术的发展，足式机器人也越来越多采用带有位置编码器和电流计的电机来作为关节驱动部件，结合减速机等模块构成机器人关节执行器，通过对各个关节电机的位置和扭矩的控制实现机器人的运动控制。
[0003]传统的足式机器人运动控制的操控方式主要是将用户指令，比如移动速度、朝向等，以电信号的形式通过有线或无线的方式传输到机器人的控制器，在机器人的控制器中将数字信号进一步转化为具体的移动指令来执行，近些年也出现通过麦克风采集用户语音或者通过摄像头采集用户手势信息再转化为用户指令来操控机器人的方法。
[0004]但对于该无线或有线的电信号传输形式在应用中也存在着很多缺点：
[0005]1)成本高。使用电信号传输用户指令的方式需要额外的电子设备和通信技术的支持，机器人的硬件开发和制造成本高；用户也可能需要为通信流量支付相关的费用、给遥控设备充电支付用电或者电池的费用；使用语音或者机器视觉的操控方法需要机器人自带麦克风或者摄像头，也会增加机器人的硬件开发和制造成本。
[0006]2)不易使用。对于用户，使用前必须先学习专业遥控设备的使用方法才能上手正常使用；当使用无线通信传输方式时，在无线信号较多的场合容易受到干扰；当使用语音操控方法时，容易受到环境噪声影响，户外或嘈杂室内都难有好的用户体验；当使用视觉操控方法时，使用者必须处于机器人摄像头的视野之中，并且做出标准的指令动作，还不能有其他物体的遮挡，在较为狭小或者拥挤的空间中难以正常操控。
[0007]3)遥控时长受限。使用电信号传输的方式受限于遥控设备的供电时长。
[0008]4)移动速度受限。使用语音或者视觉遥控的方式不能让机器人以较快的速度奔跑，否则也难以操控。
[0009]因此，相对传统足式机器人运动控制的操控方式中显现出的问题，本领域技术人员亟需一种新的操控足式机器人的方法来适应市场需求。

技术实现思路

[0010]为此，本专利技术提供了一种使用牵引绳操控足式机器人的系统及方法，通过采用一根连接于足式机器人背部的牵引绳来实现对足式机器人的运动控制，有效降低开发和制造成本，用户较易上手，牵引绳无需供电且机器人能实现快速奔跑并能被控制。
[0011]为实现上述目的，本专利技术主要采用以下技术方案：
[0012]一种使用牵引绳操控足式机器人的方法，所述方法包括以下步骤：
[0013]牵引绳操控程序启动；运动状态数据处理，所述牵引绳操控程序控制传感器模块实时更新足式机器人的机械腿的多个关节的当前位置、关节扭矩及足式机器人躯干在当前位置的加速度和姿态信息；获知躯干所受合外力，牵引绳操控程序控制外力感知模块依据所述多个关节的关节扭矩，结合所述机器人躯干的姿态信息，然后根据机器人质心动力学方程得出机器人躯干所受到的合外力；生成指令，牵引绳操控程序控制指令生成模块根据机器人躯干所受到的合外力的方向和大小生成新的运动控制指令；以及完成运动控制，牵引绳操控程序控制运动控制模块根据所述运动控制指令，通过基于动力学模型的优化控制算法生成各个关节的位置、速度、扭矩指令并最终发送给各关节电机执行。
[0014]优选地，所述躯干所受合外力的计算公式如下：
[0015][0016]其中，m为机器人质量，a为机器人躯干加速度，g为重力加速度，n为机械腿的个数。
[0017]优选地，运动控制指令包括移动速度指令、转身速度指令、位置及朝向指令。
[0018]优选地，牵引绳操控程序还包括预先设定的阈值，所述阈值包括上下阈值、前后阈值及左右阈值。
[0019]优选地，当躯干所受合外力的大小超过所述上下阈值，躯干所受合外力的方向向下时，指令生成模块生成指令以实现趴下的动作；当躯干所受合外力的大小超过所述上下阈值，躯干所受合外力的方向向上时，指令生成模块生成指令以实现起立的动作。
[0020]优选地，当躯干所受合外力的大小超过所述前后阈值，躯干所受合外力的方向向前时，指令生成模块生成指令以实现前进的动作；当躯干所受合外力的大小超过所述前后阈值，躯干所受合外力的方向向后时，指令生成模块生成指令以实现后退的动作。
[0021]优选地，当躯干所受合外力的大小超过所述左右阈值，躯干所受合外力的方向向左时，指令生成模块生成指令以实现向左转的动作；当躯干所受合外力的大小超过所述左右阈值，躯干所受合外力的方向向右时，指令生成模块生成指令以实现后右转的动作。
[0022]优选地，运动控制指令的生成不受足式机器人的运动速度限制。
[0023]一种使用牵引绳操控足式机器人的系统，包括机器人本体、牵引绳、环扣、控制器及电源。牵引绳不需要充电，机器人本体包括躯干、惯性测量单元IMU、机械腿及关节电机。
[0024]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)本专利技术利用机器人关节扭矩和躯干的IMU信息获取机器人本体所受外力，运用所受外力的信息对足式机器人进行操控，在结构上仅需要添加环扣和牵引绳，降低了硬件开发和制造成本。2)该操控方法用户更容易上手，只需通过一根普通牵引绳按照主观意愿拖拽机器人即可实现操控目的。3)本专利技术中的牵引绳无需供电，解决了传统遥控器的使用时长受供电限制的问题。4)该操控方法能适应机器人的较快奔跑速度，且由于牵引绳直接系在机器人身上，该操控方法也能控制机器人的快速奔跑。
附图说明
[0025]图1为本专利技术实施例中使用牵引绳操控足式机器人的系统的结构示意图；
[0026]图2为本专利技术实施例中使用牵引绳操控足式机器人的系统的功能框图；
[0027]图3为本专利技术实施例中使用牵引绳操控足式机器人的方法流程图；
具体实施方式
[0028]下面将结合示意图对本专利技术的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本专利技术的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本专利技术实施例的目的。
[0029]本专利技术提供了一种使用牵引绳操控足式机器人的系统，如图1和图2所示。图1为本专利技术实施例中使用牵引绳操控足式机器人的系统1的结构示意图。系统1包括机器人本体10、牵引绳11、控制器12、环扣13及电源14。机器人本体10包括躯干101、惯性测量单元(IMU，未绘于图1)、四条机械腿102、关节电机及关节电机内部的电流计(未绘于图1)和位置编码器(未绘于图1)，IMU设于躯干101内部用于测量机器人的X、Y、Z三轴姿态角及加速度，每条机械腿102的关本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种使用牵引绳操控足式机器人的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：牵引绳操控程序启动；运动状态数据处理，所述牵引绳操控程序控制传感器模块实时更新所述足式机器人的机械腿的多个关节的当前位置、关节扭矩及足式机器人躯干在当前位置的加速度和姿态信息；获知躯干所受合外力，所述牵引绳操控程序控制外力感知模块依据所述多个关节的关节扭矩，结合所述足式机器人躯干的姿态信息，然后根据机器人质心动力学方程得出所述足式机器人躯干所受到的合外力；生成指令，所述牵引绳操控程序控制指令生成模块根据所述足式机器人躯干所受到的合外力的方向和大小生成新的运动控制指令；以及完成运动控制，所述牵引绳操控程序控制运动控制模块根据所述运动控制指令，通过基于动力学模型的优化控制算法生成各个关节的位置、速度、扭矩指令并最终发送给各关节电机执行。2.根据权利要求1所述的使用牵引绳操控足式机器人的方法，其特征在于，所述躯干所受合外力的计算公式如下：其中，m为机器人质量，a为机器人躯干加速度，g为重力加速度，n为机械腿的个数。3.根据权利要求1所述的使用牵引绳操控足式机器人的方法，其特征在于，运动控制指令包括移动速度指令、转身速度指令、位置及朝向指令。4.根据权利要求1所述的使用牵引绳操控足式机器人的方法，其特征在于，所述牵引绳操控程序还包括预先设定的阈值，所述阈值包括上下阈值、前后阈值及左右阈值。5.根据权利要求4所述的使用牵引绳操控足式机器人的方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ七四专利代理机构，
申请(专利权)人：南京蔚蓝智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：