[發(fā)明專利]一種四足機器人跳躍障礙的系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810866476.1
• 申請日: 2018-08-01
• 公開（公告）號: CN108860360A
• 公開（公告）日: 2018-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 于天寧;劉厚德;梁斌;王學(xué)謙;朱曉俊;高學(xué)海
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)深圳研究生院
• 主分類號: B62D57/032
• 分類號: B62D57/032
• 代理公司: 深圳新創(chuàng)友知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44223
• 代理人: 江耀純

本發(fā)明提供了一種四足機器人跳躍障礙的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括依次連接的姿態(tài)檢測子系統(tǒng)、運動規(guī)劃子系統(tǒng)和力矩控制子系統(tǒng)；所述姿態(tài)檢測子系統(tǒng)通過對機器人返回的姿態(tài)與關(guān)節(jié)信號進(jìn)行處理，再將數(shù)據(jù)傳入運動規(guī)劃子系統(tǒng)；所述運動規(guī)劃子系統(tǒng)通過對地形變化和障礙物尺寸分析規(guī)劃出機器人的跳躍運動軌跡，計算其預(yù)期的位移、速度、加速度值；所述力矩控制子系統(tǒng)根據(jù)運動規(guī)劃出的運動軌跡，計算各關(guān)節(jié)需要的輸入力矩。本發(fā)明的四足機器人跳躍障礙的系統(tǒng)中，當(dāng)機器人在面對較大障礙物或者較高臺階時能夠跳躍穿過障礙物、登上臺階。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種四足機器人跳躍障礙的系統(tǒng)。

背景技術(shù)

移動機器人產(chǎn)生至今已經(jīng)有了四十余年的研究歷史，對于移動機器人的研究和生產(chǎn)已經(jīng)受到各國的重視與參與。隨著機器人技術(shù)的不斷進(jìn)步，機器人研究領(lǐng)域愈加廣泛，傳統(tǒng)的輪式機器人雖然技術(shù)難度小，開發(fā)成本低，但是難以通過復(fù)雜路段。四足機器人為應(yīng)對復(fù)雜路段，穿越障礙而生，其靈巧的腿部結(jié)構(gòu)能夠使之輕松應(yīng)對地面的不可知性并完成穿越任務(wù)。四足機器人不僅是學(xué)術(shù)領(lǐng)域研究的熱門話題，并且現(xiàn)已應(yīng)用到許多現(xiàn)實場景中，例如火災(zāi)救援、戰(zhàn)場勘察的危險任務(wù)。利用四足機器人完成危險和高難度的任務(wù)，只需要操作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作，這可以極大地減少人員傷亡，保證人身安全，有效降低救援勘察成本。

在傳統(tǒng)的四足機器人步態(tài)研究中，四足機器人的基本步態(tài)有對角小跑(trot)、飛奔(gallop)、同側(cè)小跑等步態(tài)。這些步態(tài)軌跡控制方法研究成熟，對四足機器人硬件要求低，易于實現(xiàn)，是四足機器人的基本功能，被廣泛用于所有四足機器人產(chǎn)品中。然而這種步態(tài)需要機器人行駛在相對平坦的路面上，不能在有大障礙或較高臺階跳躍穿過障礙物。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中四足機器人不能在有大障礙或較高臺階跳躍穿過障礙物的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種四足機器人跳躍障礙的系統(tǒng)，所采用的技術(shù)方案是：所述系統(tǒng)包括依次連接的姿態(tài)檢測子系統(tǒng)、運動規(guī)劃子系統(tǒng)和力矩控制子系統(tǒng)；所述姿態(tài)檢測子系統(tǒng)通過對機器人返回的姿態(tài)與關(guān)節(jié)信號進(jìn)行處理，再將數(shù)據(jù)傳入運動規(guī)劃子系統(tǒng)；所述運動規(guī)劃子系統(tǒng)通過對地形變化和障礙物尺寸分析規(guī)劃出機器人的跳躍運動軌跡，計算其預(yù)期的位移、速度、加速度值；所述力矩控制子系統(tǒng)根據(jù)運動規(guī)劃出的運動軌跡，計算各關(guān)節(jié)需要的輸入力矩。

優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還可以包括機器人仿真模型和機器人實體系統(tǒng)；所述姿態(tài)檢測子系統(tǒng)可以獲取機器人仿真模型的姿態(tài)和關(guān)節(jié)信號，也可以獲取實體機器人實體姿態(tài)和關(guān)節(jié)信號。所述姿態(tài)檢測子系統(tǒng)采用平滑濾波算法得到數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述運動規(guī)劃子系統(tǒng)中的運動軌跡包括：準(zhǔn)備階段、前向跳躍階段、騰空階段、落地緩沖階段、恢復(fù)階段。

進(jìn)一步地，所述準(zhǔn)備階段中，四足機器人下蹲、重心下移并且后傾，關(guān)節(jié)留有前向活動空間。

進(jìn)一步地，所述前向跳躍階段前足收縮離開地面，后足伸張，為軀體提供加速度，保持軀干俯仰角低于10度零。

進(jìn)一步地，所述騰空階段中，判斷障礙物的高低；如果障礙物高度低于0.2m時，四足從后向前運動；如果障礙物高度高于0.2m時，四足在向前運動的同時，向上收縮之后再恢復(fù)原來的腿部高度。

進(jìn)一步地，所述落地緩沖階段運動軌跡是正弦函數(shù)的周期，前足先落地，承受較大的壓力；控制軀體逐漸減速至零，后足后落地，逐漸恢復(fù)站立狀態(tài)。

進(jìn)一步地，所述恢復(fù)階段軀干重心上移、后移，將軀體恢復(fù)到準(zhǔn)備跳躍跨越障礙時的高度和位置。

進(jìn)一步地，力矩控制子系統(tǒng)包含依次連接的拉格朗日動力學(xué)計算模塊和PD控制器模塊；所述拉格朗日動力學(xué)用來計算模塊計算四足機器人在矢狀面下的各關(guān)節(jié)輸入力矩；所述PD控制器模塊是對拉格朗日動力學(xué)用來計算模塊得到的輸入力矩進(jìn)行修正。