基于稳定性的仿生四足机器人控制系统技术方案

本发明专利技术公开了基于稳定性的仿生四足机器人控制系统，属于机器人领域，用于解决仿生四足机器人稳定性差，无法依据规避分析结果优选出行进路线的问题，包括避障分析模块、路径优选模块、浮动基座动力模块和模型预测控制模块，避障分析模块结合扫描单元用于对四足机器人行进方向的障碍物进行分析，所述路径优选模块结合地图资料用于对四足机器人的行进路线进行优选，所述浮动基座动力模块用于计算四足机器人的关节矩阵，本发明专利技术有效提升仿生四足机器人的稳定性，并使腿足式结构在运动时具备灵活性和环境适应性，同时对行进方向上的障碍物进行分析规避并优选出行进路线，避免仿生四足机器人发生膨胀导致倾斜。机器人发生膨胀导致倾斜。机器人发生膨胀导致倾斜。

【技术实现步骤摘要】
基于稳定性的仿生四足机器人控制系统


[0001]本专利技术属于机器人领域，涉及机器人控制技术，具体是基于稳定性的仿生四足机器人控制系统。

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。机器人具有感知、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，仿生机器人是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人，在进入老龄化社会，发展仿人机器人将弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题，并能开辟新的产业，创造新的就业机会。
[0003]现有技术中，仿生四足机器人需要连续地面支撑，仿生四足机器人的躯干轨迹与足底轨迹不可以解耦控制，仿生四足机器的腿足式结构在运动时不具备灵活性和环境适应性，稳定较差；同时，仿生四足机器人无法对行进方向上的障碍物进行分析规避，无法依据规避分析结果优选出行进路线，为此，我们提出基于稳定性的仿生四足机器人控制系统。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的不足，本专利技术目的是提供基于稳定性的仿生四足机器人控制系统。
[0005]本专利技术所要解决的技术问题为：
[0006](1)如何有效提升仿生四足机器人的稳定性，并使腿足式结构在运动时具备灵活性和环境适应性；
[0007](2)仿生四足机器人如何行进方向上的障碍物进行分析规避并优选出行进路线。
[0008]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0009]基于稳定性的仿生四足机器人控制系统，包括数据采集模块、状态估计子系统、轨迹规划子系统和处理器，所述数据采集模块用于采集四足机器人行进方向的障碍物信息，并将障碍物信息发送至处理器，所述处理器将障碍物信息发送至障碍分析模块；
[0010]所述轨迹规划子系统包括足点规划模块、避障分析模块、路径优选模块和地图导入模块，所述处理器中存储有若干个物体的预设轮廓图和预设安全距离，所述障碍分析模块连接有扫描单元，避障分析模块结合扫描单元用于对四足机器人行进方向的障碍物进行分析，分析生成避障信号发送至处理器，处理器依据避障信号生成避障指令加载至四足机器人的控制电机；
[0011]所述地图导入模块用于将四足机器人所在区域的地图资料导入至路径优选模块，所述路径优选模块结合地图资料用于对四足机器人的行进路线进行优选，得到行进路线的选取表并反馈至处理器，处理器依据选取表选择行进路线；
[0012]所述足点规划模块基于仿生学的角度对四足机器人摆动腿落脚点的位置进行规划；
[0013]所述状态估计子系统包括浮动基座动力模块和模型预测控制模块，所述浮动基座动力模块用于计算四足机器人的关节矩阵，并依据关节矩阵生成关节矩阵指令加载至四足机器人的控制电机；
[0014]所述模型预测控制模块采用足端力控制法使四足机器人的机身平稳。
[0015]进一步地，障碍信息为障碍物的实时轮廓图、移动速度和实时位置。
[0016]进一步地，所述避障分析模块的分析过程具体如下：
[0017]步骤S1：当四足机器人的行进方向存在障碍物时，将障碍物标记为u，u1＝1，2，
……
，z，z为正整数；扫描单元对障碍物进行扫描得到障碍物的实时轮廓图，并将实时轮廓图标记为LKu；
[0018]步骤S2：将实时轮廓图LKu与预设轮廓图进行比对，得到对应的预设轮廓图，通过预设轮廓图将四足机器人行进方向上的障碍物判定为静障碍物和动障碍物；
[0019]步骤S3：若为动障碍物，则获取动障碍物的障碍移动速度ZYSu以及四足机器人与动障碍物之间的直线距离JLu；
[0020]若为静障碍物，则获取四足机器人与静障碍物之间的直线距离JLu；
[0021]步骤S4：获取处理器中存储的预设安全距离AL；
[0022]若直线距离小于等于预设安全距离，则生成避障信号；
[0023]若直线距离大于预设安全距离，则进入下一步骤；
[0024]步骤S5：获取四足机器人的实时移动速度SYSu；
[0025]若实时移动速度小于等于障碍移动速度，则不进行任何操作；
[0026]若实时移动速度大于障碍移动速度，则进行碰撞分析得到四足机器人与动障碍物之间的遇障时间T1u和四足机器人与静障碍物之间的遇障时间T2u；
[0027]步骤S6：经过遇障时间T1u或T2u后，生成避障信号。
[0028]进一步地，碰撞分析具体如下：
[0029]步骤S51：若障碍物为动障碍物，则通过公式DYSCu＝SYSu
‑
ZYSu计算得到四足机器人与动障碍物之间的移动速度差值DYSCu；
[0030]若障碍物为静障碍物，则通过公式JYSCu＝SYSu
‑
0计算得到四足机器人与静障碍物之间的移动速度差值JYSCu；
[0031]步骤S52：而后通过公式JLCu＝AL
‑
JLu计算得到预设安全距离与直线距离的距离差值JLCu；
[0032]步骤S53：通过公式T1u＝JLCu/DYSCu计算得到四足机器人与动障碍物之间的遇障时间T1u；
[0033]通过公式T2u＝JLCu/JYSCu计算得到四足机器人与静障碍物之间的遇障时间T2u。
[0034]进一步地，所述路径优选模块的优选过程具体如下：
[0035]步骤一：依据地图资料获取四足机器人的出发点和到达点，通过出发点和到达点得到若干条行进路线，将若干条行进路线标记为i，i＝1，2，
……
，x，x为正整数；
[0036]步骤二：获取若干条行进路线上的转弯，统计转弯的数量以及每个转弯的弯曲度，每个转弯的弯曲度相加求和除以转弯的数量得到行进路线的转弯度ZWDi；
[0037]步骤三：获取行进路线上当前存在的障碍物，统计障碍物的数量得到行进路线的障碍物数ZASi；
[0038]步骤四：获取行进路线上的运动物体，对运行物体进行运行分析；
[0039]若运行物体与四足机器人同向运动，则获取运行物体的运动速度，若运行速度大于等于四足机器人的移动速度，则将运行物体标记为绿点，若运行速度小于四足机器人的移动速度，则将运行物体标记为蓝点；
[0040]若运行物体与四足机器人相向运动，则将运动物体标记为红点；
[0041]统计行进路线上的红点数HDSi、蓝点数LDSi和绿点数LDSu，通过公式YXi＝(HDSi
×
c1+LDSi
×
c2)/(LDSi
×
c3)计算得到行进路线上的运行值YXi；式中，c1、c2和c3均为固定数值的比例系数，且c1、c2和c3的取值均大于零；
[0042]步骤五：将转弯度ZWDi、障碍物数ZASi和运行值YXi代入计算式计算得到行进路线的选取值XQi，计算式具体如下：
[0043]式中，a1和a2均为固定数值的比本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于稳定性的仿生四足机器人控制系统，其特征在于，包括数据采集模块、状态估计子系统、轨迹规划子系统和处理器，所述数据采集模块用于采集四足机器人行进方向的障碍物信息，并将障碍物信息发送至处理器，所述处理器将障碍物信息发送至障碍分析模块；所述轨迹规划子系统包括足点规划模块、避障分析模块、路径优选模块和地图导入模块，所述处理器中存储有若干个物体的预设轮廓图和预设安全距离，所述障碍分析模块连接有扫描单元，避障分析模块结合扫描单元用于对四足机器人行进方向的障碍物进行分析，分析生成避障信号发送至处理器，处理器依据避障信号生成避障指令加载至四足机器人的控制电机；所述地图导入模块用于将四足机器人所在区域的地图资料导入至路径优选模块，所述路径优选模块结合地图资料用于对四足机器人的行进路线进行优选，得到行进路线的选取表并反馈至处理器，处理器依据选取表选择行进路线；所述足点规划模块基于仿生学的角度对四足机器人摆动腿落脚点的位置进行规划；所述状态估计子系统包括浮动基座动力模块和模型预测控制模块，所述浮动基座动力模块用于计算四足机器人的关节矩阵，并依据关节矩阵生成关节矩阵指令加载至四足机器人的控制电机；所述模型预测控制模块采用足端力控制法使四足机器人的机身平稳。2.根据权利要求1所述的基于稳定性的仿生四足机器人控制系统，其特征在于，障碍信息为障碍物的实时轮廓图、移动速度和实时位置。3.根据权利要求2所述的基于稳定性的仿生四足机器人控制系统，其特征在于，所述避障分析模块的分析过程具体如下：步骤S1：当四足机器人的行进方向存在障碍物时，将障碍物标记为u，u1＝1，2，
……
，z，z为正整数；扫描单元对障碍物进行扫描得到障碍物的实时轮廓图，并将实时轮廓图标记为LKu；步骤S2：将实时轮廓图LKu与预设轮廓图进行比对，得到对应的预设轮廓图，通过预设轮廓图将四足机器人行进方向上的障碍物判定为静障碍物和动障碍物；步骤S3：若为动障碍物，则获取动障碍物的障碍移动速度ZYSu以及四足机器人与动障碍物之间的直线距离JLu；若为静障碍物，则获取四足机器人与静障碍物之间的直线距离JLu；步骤S4：获取处理器中存储的预设安全距离AL；若直线距离小于等于预设安全距离，则生成避障信号；若直线距离大于预设安全距离，则进入下一步骤；步骤S5：获取四足机器人的实时移动速度SYSu；若实时移动速度小于等于障碍移动速度，则不进行任何操作；若实时移动速度大于障碍移动速度，则进行碰撞分析得到四足机器人与动障碍物之间的遇障时间T1u和四足机器人与静障碍物之间的遇障时间T2u；步骤S6：经过遇障时间T1u或T2u后，生成避障信号。4.根据权利要求3所述的基于稳定性的仿生四足机器人控制系统，其特征在于，碰撞分析具体如下：步骤S51：若障碍物为动障碍物，则通过公式DYSCu＝SYSu
‑
ZYSu计算得到四足机器人与
动障碍物之间的移动速度差值DYSCu；若障碍物为静障碍物，则通过公式JYSCu＝SYSu
‑
0计算得到四足机器人与静障碍物之间的移动速度差值JYSCu；步骤S52：而后通过公式JLCu＝AL
‑
JLu计算得到预设安全距离与直线距离的距离差值JLCu；步骤S53：通过公式T1u＝JLCu/DYSCu计算得到四足机器人与动障碍物之间的遇障时间T1u；通过公式T2u＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏俊，董瑞政，
申请(专利权)人：泰州朵儿智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：