[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

本發明公開了一種自適應上下樓梯控制系統和方法，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；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；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，則通過上下樓梯控制模塊完成障礙物的跨越。本發明解決樓梯高度不固定環境的識別問題，提高機器人對外界環境的適應能力；實現機器人的步態擬人化，提高機器整體的智能性，有較強的可移植性和穩定性。

技術領域

本發明涉及機器人控制技術領域，具體為一種自適應上下樓梯控制系統和方法。

背景技術

在機器人控制領域，特別是雙足機器人控制領域，環境感知并完成自適應控制是機器人智能化的直接表現。正常環境主要包括平地、斜坡和樓梯等，若是能夠自動識別環境并采取相應的運動控制策略，對于輪式、雙足、多足及其他移動機器人來說，將為擴大其運動范圍提供極大幫助。在醫療康復領域，幫助下肢偏癱、癱瘓病人行走的外骨骼機器人雖然能夠實現起立、坐下及邁步等操作，但是對于其他復雜環境的處理明顯不夠。目前已有的外骨骼（雙足）機器人要不只能處理固定尺寸的樓梯，要不只能采用較生硬的步態完成上下樓梯。目前的外骨骼機器人只能使用生硬的步態處理固定尺寸的樓梯。由于各地樓梯的尺寸不一致，若使用固定步態，根本不足以幫助殘疾人適應各種地形，嚴重限制其活動范圍。

發明內容

針對上述問題本發明的目的在于提供一種能夠自動感知樓梯高度并規劃仿人軌跡，實現上下不同尺寸樓梯的自適應上下樓梯控制系統和方法，技術方案如下：

一種自適應上下樓梯控制系統，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。

進一步的，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，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。

更進一步的，所述數據采集模塊包括安裝于機器人踝關節的前向和縱向測距傳感器，安裝于機器人腳尖的接觸開關或測力傳感器，安裝于機器人鞋底的壓力傳感器，安裝于機器人膝關節、踝關節或髖關節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。

一種自適應上下樓梯控制方法，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。

進一步的，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。