[發明專利]一種復合式仿生四足機器人控制器

在審

• 申請號: 201210142119.3
• 申請日: 2012-05-08
• 公開（公告）號: CN102637036A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: 羅慶生;韓寶玲;蘇曉東;李華師;葛卓;常青;馬朋
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種復合式仿生四足機器人控制器，屬于機器人運動控制技術領域。

背景技術

能夠適應復雜地形環境的足式機器人是當今移動機器人研究領域最為前沿的課題之一。一般情況下，足式機器人可分為雙足、四足和六足機器人。相對于雙足機器人，四足機器人具有較好的穩定性；而相對于六足機器人，四足機器人具有較為簡單的機構復雜度。

現有仿生四足機器人的模型建立主要基于對自然界中四足生物的仿生學研究，但實際的機器人運動效果卻遠遠落后于自然界中的四足生物。如清華大學鄭浩峻團隊研發的實現動物節律運動的四足式仿生機器人(專利號03157386.X)雖然在控制系統結構設計上采用了與動物相似的節律運動機理來控制機器人，但在機器人腿部結構設計中省略了側擺自由度，在傳感器系統構建中進行了大量簡化，這在降低對控制系統要求的同時也降低了機器人本體的運動靈活性和環境適應能力。西北工業大學王潤孝等人研發的四足式仿生機器人(專利號200710300719.7)對四足機器人的傳感器系統進行了完善，但控制器采用雙PC104構成，控制功能高度集中，必將對主控芯片產生較大的負荷，無法保證控制系統對實時性的要求，而且容易產生由局部故障而引起的機器人整體失效。

早期的機器人控制器多采用Windows、DOS等分時操作系統，該類操作系統具有操作界面友好，系統成熟的優勢；但分時操作系統由調度程序自動計算進程的優先級，而不是由用戶控制進程的優先級，這導致其無法完成多電機實時協調控制。因而為保證仿生四足機器人良好的運動特性，實時操作系統必不可少，如美國的BigDog、意大利的HyQ等四足機器人均采用實時操作系統進行系統決策級的控制。

發明內容

本發明的目的在于提供一種針對仿生四足機器人的復合式運動控制器，該控制器采用與動物神經控制系統相似的結構，通過各層CPU之間的協同工作，實現對機器人各個關節的有效控制，在保證機器人具有足夠動力性能和靈活度的同時，使其能夠利用傳感器信息融合系統實現對外部環境的實時感知，從而使機器人具有一定的自主運動能力。

為實現上述目的，本發明所提供的一種復合式仿生四足機器人控制器，其特征在于包括：由電動缸驅動各關節的足式機器人本體，智能決策器，步態生成器，執行驅動器，環境信息采集系統和能源系統。所述足式機器人本體共有四個結構相同的腿部機構，每個腿部機構具有三個自由度，其中，髖關節的側擺自由度由直流無刷伺服電機驅動；髖關節的彎曲自由度和膝關節的彎曲自由度分別由電動缸驅動，電動缸的內部由直流無刷伺服電機和絲杠構成。所述智能決策器通過相應接口連接環境信息采集系統實現對各類環境信息的采集，并進行傳感器信息融合，生成所需決策命令。所述環境信息采集系統包括視覺傳感器，陀螺儀傳感器，超聲波測距傳感器，音頻傳感器及GPS定位系統。所述步態生成器包括雙口RAM控制器模塊，CPG步態規劃算法模塊，CAN總線控制器模塊，并通過CAN總線實現與所述執行驅動器的信息傳遞。所述智能決策器與所述步態生成器通過雙口RAM連線，實現二者之間的數據通信。所述執行驅動器采用以數字信號處理器為核心的無刷直流電機驅動器，該驅動器自帶無刷直流電機控制所需的PWM生成模塊、光電編碼器處理模塊、模擬信號采集模塊等。

本發明的復合式仿生四足機器人控制器將分層遞階控制系統和分布式控制系統有機結合，既能實現控制任務的合理分配，又能保證系統的完整性。其核心在于整個控制器系統共劃分為三個層級：決策層、規劃層、執行層，每個層級由單CPU或多CPU構成。

本發明的決策層主要包括智能決策器和環境信息采集系統。智能決策器由內嵌實時操作系統RT-Linux的ARM9構成，其主要功能模塊包括傳感器驅動模塊，傳感器數據融合模塊，決策算法模塊，雙口RAM驅動模塊。所述的環境信息采集系統用于機器人工作環境信息的采集，保證四足機器人具有一定自主運動能力。在該子系統中，視覺傳感器用于實現四足機器人前方可見域的三維重建，陀螺儀傳感器用于實時獲取機器人運動時的動態位姿參數，超聲波傳感器用于測量機器人運動方向上障礙物的距離，音頻傳感器用于對機器人工作環境的聲音信息的采集，GPS定位系統用于確定機器人的準確位置信息。各類傳感器信息參數通過相應的接口傳輸至智能決策器的傳感器數據融合模塊，經過信息融合算法，產生決策算法模塊所需的數據，最終獲得相應的控制命令，該命令通過雙口RAM驅動模塊被存儲在雙口RAM指定的決策命令地址空間內，以便步態生成器隨時讀取。