[發明專利]一種自適應上下樓梯控制系統和方法

有效

• 申請號: 201710978783.4
• 申請日: 2017-10-19
• 公開（公告）號: CN107943021B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 程洪;徐發樹
• 申請（專利權）人: 布法羅機器人科技（成都）有限公司
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02;B62D57/032
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責任公司 51200
• 代理人: 劉凱

1.一種自適應上下樓梯控制系統，其特征在于，用于控制外骨骼或雙足機器人上下不同尺寸樓梯，包括數據采集模塊、障礙物檢測模塊、障礙物分類模塊、上下樓梯控制模塊和安全性判斷模塊；

數據采集模塊包括設置在機器人軀干各處的傳感器，用于獲取機器人行走數據，障礙物尺寸及距離信息；

障礙物檢測模塊通過障礙物距離信息進行環境感知，并將獲取的環境參數傳遞給上下樓梯控制模塊；

障礙物分類模塊判斷前方障礙物是否是可跨越的障礙物；

上下樓梯控制模塊根據環境參數，以預先建立的內部外骨骼或雙足機器人模型及正常人上下樓梯原型軌跡數據為基礎，通過機器學習算法規劃類人化上下樓梯運動軌跡和步態，自適應完成對不同環境參數障礙物的跨越動作；

還包括安全性判斷模塊，安全性判斷模塊判斷整個運動過程中的安全性能，以內部外骨骼或雙足機器人模型為基礎，根據關節傳感數據直接或間接獲取關節實時力矩信息，對比相應身體參數正常人標準力矩范圍或者相關的安全標準范圍，設計相應的力矩安全判斷方法來判斷系統工作狀態是在正常范圍還是在遇見障礙物的異常情況；并根據各個連桿及軀干部分的角度、角速度、角加速度、線速度、線加速度，以及機器人腳底壓力，判斷是否與環境中障礙物發生碰撞以及整體是否有摔倒的趨勢或者已經摔倒，進而進行相應的調整和處理；

所述數據采集模塊包括安裝于機器人踝關節（1）的前向和縱向測距傳感器，安裝于機器人腳尖（2）的接觸開關或測力傳感器，安裝于機器人鞋底（2）的壓力傳感器，安裝于機器人膝關節（4）、踝關節（1）或髖關節（7）的力矩傳感器和角度編碼器；各個關節連桿以及上肢軀干上安裝用于測量連桿角度、角速度、線速度、角加速度和線加速度的儀器。

2.一種如權利要求1所述自適應上下樓梯控制系統的控制方法，其特征在于，包括：

步驟A：根據關節和連桿長度、整體重量建立外骨骼或雙足機器人模型；

步驟B：獲取障礙物距離信息，通過障礙物檢測模塊檢測前方是否有障礙物；

步驟C：若檢測到前方的障礙物，則檢測出障礙物的尺寸信息，并通過障礙物分類模塊判斷是否為可跨越的障礙物；若不是可跨越的障礙物，則通過安全性判斷模塊規劃運動軌跡控制機器人運動到安全范圍之內；若為可跨越的障礙物，則進入下一步；

步驟D：通過上下樓梯控制模塊完成障礙物的跨越；

所述步驟D的詳細過程包括：采集并擬合得到的正常人上下樓梯或跨越障礙的運動軌跡，通過機器學習算法根據障礙物的尺寸信息，規劃匹配外骨骼或雙足機器人模型尺寸信息的類人步態軌跡，再通過設置在足部和腿部的相應的執行機構完成相應動作，實現上下樓梯或者跨越障礙物；

在上下樓梯或跨越障礙物過程中：

對比正常人上下樓梯或跨越障礙物時的力矩范圍和安全范圍，以內部外骨骼或雙足機器人模型為基礎，根據關節傳感數據直接或間接獲取關節實時力矩信息，對比相應身體參數正常人標準力矩范圍或者相關的安全標準范圍，設計相應的力矩安全判斷方法，判斷機器人是否運行于該范圍內；若是，則不作處理；若不是，則判斷系統處于異常情況，控制其進入安全狀態；

根據各個連桿及軀干部分的角度、角速度、角加速度、線速度、線加速度，以及機器人腳底壓力，聯合判斷是否出現摔倒趨勢或者已經摔倒；若出現摔倒趨勢，則進行相應的調整并向用戶進行報警提示；若已經摔倒，則切換到安全模式。

3.根據權利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述障礙物距離信息為通過前向和縱向測距傳感器測的前向和縱向障礙物距離。

4.根據權利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述進入安全狀態包括立即停止在當前位置或/和回退到站立狀態；所述安全模式包括維持當前狀態或/和回退到平躺狀態。