CN105128975A - 高载重比六足仿生机器人及其腿部结构优化方法 - Google Patents

Abstract

一种高载重比六足仿生机器人及其腿部结构优化方法：根据机器人整体设计要求，采用三自由度的腿部结构，并确定单个腿部的总长度；根据腿部各节的结构要求，确定腿部各节所允许的最大和最小长度尺寸；对机器人进行动力学建模，分析机器人腿部关节长度比例对载重比的影响；通过分析计算后，选择靠近足端的远足节和位于中间的中间节的长度略大于该节最小长度尺寸，进而实现最优载重比。本发明机器人可以全面的感知机器人周围环境；机器人每条腿有三个自由度，可以在不平地面平稳前进；机器人采用wifi通讯，能够快速、有效地响应，实现无线控制。

Description

高载重比六足仿生机器人及其腿部结构优化方法

技术领域

本发明涉及机器人技术，特别涉及六足仿生机器人的结构设计和腿部设计。

背景技术

当今机器人研究的领域已经从结构化环境下的定点作业扩展到航空航天、陆上水下、抢险救灾、服务及医疗等许多非结构化环境下的自主作业。这就要求机器人有高度灵活的移动性能以及操作性能。目前移动机器人中的轮式和履带式虽然在人们的生活环境中的得到广泛应用，但要适合未来机器人的要求，还是非常受限。仿生腿式机器人因为与地面之间是点接触，相对轮式和履带式机器人在凹凸不平的复杂环境中，如山地和废墟中，具有更强的适应性，因此受到研究领域广泛关注。六腿机器人可实现静态连续快速行走，具有冗余性，静态行走效率较四腿高，结构和控制较八腿机器人简单。绝大多数昆虫都只有六腿，从仿生的角度来看，六条腿是轻小型、高载荷比(载荷与自重比)、强适应性、高冗余度、低能耗及低成本机器人机行走构的一个较好的选择。这类机器人适用于高危、非结构化及无法现场维修的环境，如救险、探查、空间星际探测以及很多军事应用。

仿昆虫的六足机器人在过去半个世纪里一直是世界各国研究热点。早在1985年，Keneko等就研究了一种矩形本体的、自由度解耦的六腿机器人，该机器人本体的运动仅由一个自由度实现(M.Kaneko,M.AbeandK.Tanie,“AHexapodWalkingMachinewithDecoupledFreedoms,”IEEEJournalofRoboticsandAutomation,Vol.RA-1,No.4,December1985,pp.183-190.)。Lee在1988年研究了一个全方位行走的矩形本体六腿机器人，并设计了一个自适应悬架(W.-JLeeandD.E.Orin,“Omni-directionalsupervisorycontrolofamulti-leggedvehicleusingperiodicgait,”IEEEJournalofRoboticsandAutomation,Vol.4,Issue6Dec.1988pp.635--642.)。此外还有其他各种特殊结构的六足机器人，如***梅隆大学设计的Ambler机器人(E.Krotkov,J.Bares,T.Kanade,T.Mitchell,R.SimmonsandR.Whittaker,“Ambler:Asix-leggedplanetaryrover,”Fifthinternationalconferenceonadvancedrobotics-91ICARpp.717-722(1991).)，俄亥俄州立大学的AUV,Hirose等和Gurocak等研究的分层六腿机器人，Lees提出的类似于部分昆虫或者火车的六腿机器人，以及Saranli等人研究的类似轮式但无轮毂的腿结构的R-Hex六足机器人(U.Saranli,M.BuehlerandD.E.Koditschek,“RHex:Asimpleandhighlymobilehexapodrobot,“InternationalJournalofRoboticsResearch,v20,n7,July,2001,pp.616-631.)。

虽然六足机器人的研究取得了较大的进展，然而时至今日，昆虫的特性轻小、高载荷比、强适应性、高冗余度、低能耗等性能还未真正在现有六足机器人上体现出来，尤其是高载荷比(机器人最大负载能力与自重之比)这一特性无论从设计还是规划和控制的研究文献中都少有提及，而这一点正是六足机器人从研究领域迈入应用领域的关键因素之一。因此，为了将六足机器人真实地用于服务，必须提高机器人载荷比和地形适应性。而一般情况下电机的输出能力是有限的，因此，如何通过机器人的运动步态和腿部的结构设计等方面来提高机器人的载荷比显得至关重要。另外，提高机器人对环境的适应性的智能控制方面，特别是视觉传感器的应用也仍有待开发。在现有文献中，尚未查阅到针对提高六足机器人载重比的结构优化分析，或者是六足机器人的智能控制***的开发方面的文献。

专利申请方面，六足机器人高载重比腿部结构和智能化控制也很罕见，比如，申请号为201310084564.3的专利提出了一种六足机器人，其含有多个力传感器、力矩传感器，角度位置传感器、位姿传感器以及视觉传感器，可以较好的感知环境信息，但是其摄像头用的只是普通平面摄像头，无法感知3D环境，因此无法进行追踪，自动导航的功能，同时，其腿部结构也未针对提高载重比进行优化设计；申请号为201310136384.5的专利公开了一种可以滚动前行的六足机器人，其主要是提出一种新的行走步态和结构，同样并未解决如何优化结构提高载重比问题，也没有智能控制模块。

发明内容

本发明提供一种高载重比的六足机器人及其腿部结构的优化方法，以载荷-自重比为优化目标，从静力学、动力学特性方面进行求解，得到了优化的腿部结构参数，解决现有技术中载重比不佳的技术问题。

本发明为解决上述技术问题而提供的这种六足机器人包括主体，六个腿部均分两组沿该主体的相对两边设置，六个腿部中的每条腿均按以下所述的腿部结构优化方法选择长度，还进一步包括控制机器人各部工作的控制器。

该机器人还包括设置于主体前端的深度摄像头、设置于每个腿部足端上的压力传感器和触碰开关以及设置于主体后端的红外线传感器。所述控制器中包括用于发送自身数据以及接收外部控制设备无线通讯指令的无线信号收发器。

针对上述方案中腿部结构的优化方法包括以下步骤：

A.首先根据机器人整体设计要求，采用三自由度的腿部结构，并确定单个腿部的总长度，机器人采用六足串联的结构，该机器人的六足分两列布置，每列中前、后足与中间足在静止时处于非平行状态设置；

B.根据腿部各节的结构要求，确定腿部各节所允许的最大和最小长度尺寸；

C.对机器人进行动力学建模，分析机器人腿部关节长度比例对载重比的影响，具体建模及分析计算方案是：分析机器人行走的步态，求三足着地行走时机器人足端力的分配，并选择单足着地侧的足端力分配作为分析计算的基础，更加具体的选择选择方案是：选择机器人匀速行走时求足端力的分配，在求足端力分配时，计算足端力9个分力的平方和最小，然后进行腿部关节长度比例优化计算；

D.通过步骤C的分析计算后，选择靠近足端的远足节和位于中间的中间节的长度略大于该节最小长度尺寸，进而实现最优载重比。

本发明机器人与现有机器人相比具有以下特点：

可以携带6个压力传感器、红外线传感器、触碰开关、带深度信息的摄像头，可以十分全面的感知机器人周围环境；机器人每条腿有三个自由度，可以在不平地面平稳前进；机器人腿部结构经过载重比优化分析，具有高载重比的特性；控制***采用上位机与嵌入式控制相结合的方式，上位机使用ROS(RobotOperatingSystem),下位机上使用嵌入式操作***，采用wifi通讯，操作者可以使用键盘或者语音进行控制，机器人能够快速、有效地响应，实现无线控制；机器人带有带深度信息的摄像头(ASUSXtionpro或kinect)，可以实现目标跟随，甚至可以实现自动导航，还具有语音交互、视觉SLAM的功能。

附图说明

图1是本发明六足机器人的立体示意图。

图2是本发明中六足机器人总体方案的示意图。

图3是本发明中六足机器人足端力分配的示意图。

图4是本发明中六足机器人单腿坐标的示意图。

图5是本发明中六足机器人单腿结构的示意图。

图6是本发明中六足机器人运动机构程序控制流程图。

图7是本发明中六足机器人控制器控制程序流程图。

图8是本发明中六足机器人受外部控制设备控制的示意图。

具体实施方式

结合上述附图说明本发明的具体实施例。

由图1、图2、图6至图8中可知，首先本发明的这种高载重比六足仿生机器人包括主体10，六个腿部20均分两组沿该主体10的相对两边设置，六个腿部20中的每条腿均按下述的腿部结构优化方法选择长度，还进一步包括控制机器人各部工作的控制器30。

由图1和图2中可知，该机器人还包括设置于主体10前端的深度摄像头40，进一步还包括设置于每个腿部足端21上的压力传感器22和触碰开关23，更进一步还设计了位于主体10后端的红外线传感器50。而所述控制器30中包括用于发送自身数据以及接收外部控制设备无线通讯指令的无线信号收发器31。

本发明的六足机器人总体方案如下：

机械结构方面：采用单条腿三个自由度串联结构，为使机器人在行走的时候能有更大的步长，腿与腿之间避免干涉，前面两条腿和后面两条腿分别与中间两条腿呈一定角度分布，同时为减少机器人自重，除了电机，连接铜柱(标准件)，六条腿脚下的软垫，摄像头以及控制器之外的零件都是用钣金加工而成，并适当采用镂空结构。

传感***方面：机器人每支脚上各有一个压力传感器和一个触碰开关，用来探测复杂的地面环境，机器人的头部装有一个带深度信息的摄像头，可以识别机器人周围环境，可以识别颜色、形状、人脸识别以及定位机器人自身位置和障碍物位置等信息，也可以进行室内地图绘制进行自动导航(SLAM),机器人后方还带有红外线传感器以方便在机器人后退时检测摄像头检测不到的后方有没有障碍物；

控制***方面：首先根据被控对象的特点和功能需求，选择合适的控制原理、硬件组成、控制软件及接口组成控制***。软件设计主要包括下位机的嵌入式操作***的移植，以适应多任务流程控制，上位机的控制算法的编写，就是在ROS(RobotOperatingSystem)平台上进行视觉信息和传感器信息的处理，实现智能控制。

上位机采用基于linux操作***的ROS(RobotOperatingSystem),用pocketsphinx语音识别算法，捕抓语音关键词转换成字符串，辨别声音命令，并根据命令进行动作规划，然后将规划出来的所有电机目标角度及运动时间通过wifi发送给机器人。

本机器人可以采用wifi接入局域网，上位机以ROS(RobotOperatingSystem)为控制平台，接受机器人返回的传感器和图像信息，并用OpenCV或者PCL算法处理图像信息，定位既定的目标物位置，据此进行路径规划和机器人足端轨迹规划，使机器人与目标保持距离，然后将规划好的各个关节角角度发送到机器人上的控制器，控制器根据上位机的目标角度进行必要的插值。

机器人使用WiFi接入局域网，机器人身上的控制器将传感器信号和图像信息传回上位机，上位机根据机器人返回的信息，结合操作者的操作指令进行轨迹规划，然后将规划好的18个关节角的目标角度发给机器人。控制者可使用语音或者键盘对机器人进行远程控制，同时也可以选择跟随模式，使机器人自主的跟随一个移动目标。

由图3至图5中可知，本发明中对于每条腿20的腿部结构进行优化的方法如下：

为提高机器人的载重比(载重比就是机器人最大负载与本身的重量的比值)，对机器人进行了动力学建模，优化六足机器人的载重比，分析机器人腿部关节长度比例对载重比的影响。

机器人在行走过程中至少三条腿着地，三条腿着地的时候也是机器人负载能力最低的时候，决定了机器人的载重比。因此，主要分析机器人以三角步态前进时，腿部关节长度对载重比的影响。动力学建模的第一步是求机器人足端力的分配，为了简化计算，我们忽略机器人腿部的惯量的影响，可以看成机器人处于匀加速状态，为了简化计算，设加速度为零,机器人受的总外力是:

F＝[F_x,F_y,F_z]^T＝[0,0,-Mg]

总外力矩是：

M＝[M_x,M_y,M_z]^T＝[0,0,0]

由静力学平衡有以下方程:

$\underset{i=\mathrm{1,4,5}}{\mathrm{\Σ}}{f}_{\mathrm{ix}}+F_x=0$

$\underset{i=\mathrm{1,4,5}}{\mathrm{\Σ}}{f}_{\mathrm{iy}}+F_y=0$

$\underset{i=\mathrm{1,4,5}}{\mathrm{\Σ}}{f}_{\mathrm{iz}}+F_z=0$

$\underset{i=\mathrm{1,4,5}}{\mathrm{\Σ}}{y}_i{f}_{\mathrm{iz}}-\underset{i=\mathrm{1,4,5}}{\mathrm{\Σ}}{z}_i{f}_{\mathrm{iy}}+y_c{F}_z-z_c{F}_y+M_x=0$

$\underset{i=\mathrm{1,4,5}}{\mathrm{\Σ}}{z}_i{f}_{\mathrm{ix}}-\underset{i=\mathrm{1,4,5}}{\mathrm{\Σ}}{x}_i{f}_{\mathrm{iz}}+z_c{F}_x-x_c{F}_z+M_y=0$

$\underset{i=\mathrm{1,4,5}}{\mathrm{\Σ}}{x}_i{f}_{\mathrm{iy}}-\underset{i=\mathrm{1,4,5}}{\mathrm{\Σ}}{y}_i{f}_{\mathrm{ix}}+x_c{F}_y-y_c{F}_x+M_z=0$

由于有9个未知数，而方程只有6个，所以本方程的求解使用了足端力优化方法，及使足端力的9个分力的平方和最小。

通过求足端力，可以发现leg4的负载最大，在一定负载的情况下，leg4的电机力矩输出先到达极限，因此leg4决定着机器人的载重比。

机器人的基座是做匀速直线运动，因此可以以基座坐标为参考系，在这个坐标系中，机器人的腿在支撑状态时相当于一个末端做匀速直线运动的三自由度机械臂，所以可以使用拉格朗日——欧拉方程进行动力学分析：

$\mathrm{\τ}=D\left(\mathrm{\θ}\right)\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}+h(\mathrm{\θ},\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}})+c\left(\mathrm{\θ}\right)-J^{T}F$

从而可以求出动力学解析式：

T_i＝f_i(θ₁,θ₂,θ₃,l₁,l₂,l₃,M₁,M₀),i＝1,2,3

载重比是最大负载与自身重量之比，其表达式：

$R=\frac{M_1}{M_0}$

从而求出载重比表达式，进而可以分析关节长度对载重比的影响。

高载重比优化方法：经过分析，对于单腿三自由度串联六足机器人，在机器人腿部总长度一定的情况下，远足节(L1)越长其载重比越大，但会降低机器人的灵活性和越障能力，所以L1尽量取小，最小值由具体的机械结构决定，如所用电机尺寸，连接结构等，在L1选定后，中间节(L2)越小机器人载重比越大，所以L2尽量取小，同样，其最小值也是由具体的机械结构决定(最小的理论值是零)，同时应考虑机器各部件的实际连接方式，避免干涉，因此，机器人腿部关节长度比例的选择是综合考虑的结果，

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高载重比六足仿生机器人的腿部结构优化方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：A.首先根据机器人整体设计要求，采用三自由度的腿部结构，并确定单个腿部的总长度；B.根据腿部各节的结构要求，确定腿部各节所允许的最大和最小长度尺寸；C.对机器人进行动力学建模，分析机器人腿部关节长度比例对载重比的影响；D.通过步骤C的分析计算后，选择靠近足端的远足节和位于中间的中间节的长度略大于该节最小长度尺寸，进而实现最优载重比。

2.根据权利要求1所述高载重比六足仿生机器人的腿部结构优化方法，其特征在于：步骤A中机器人采用六足串联的结构，该机器人的六足分两列布置，每列中前、后足与中间足在静止时处于非平行状态设置。

3.根据权利要求2所述高载重比六足仿生机器人的腿部结构优化方法，其特征在于：步骤C中所述的建模以及分析方法包括：C1.分析机器人行走的步态，求三足着地行走时机器人足端力的分配，并选择单足着地侧的足端力分配作为分析计算的基础；C2.进行腿部关节长度比例优化计算。

4.根据权利要求3所述高载重比六足仿生机器人的腿部结构优化方法，其特征在于：步骤C1中选择机器人匀速行走时求足端力的分配。

5.根据权利要求3所述高载重比六足仿生机器人的腿部结构优化方法，其特征在于：步骤C1中在求足端力分配时，计算足端力9个分力的平方和最小。

6.一种采用权利要求1至5中任一项所述腿部结构优化方法设计的高载重比六足仿生机器人，其特征在于：该机器人包括主体（10），六个腿部（20）均分两组沿该主体（10）的相对两边设置，六个腿部（20）中的每条腿均按权利要求1或2所述的腿部结构优化方法选择长度，还进一步包括控制机器人各部工作的控制器（30）。

7.根据权利要求6所述的高载重比六足仿生机器人，其特征在于：该机器人还包括设置于主体（10）前端的深度摄像头（40）。

8.根据权利要求6所述的高载重比六足仿生机器人，其特征在于：该机器人还包括设置于每个腿部足端（21）上的压力传感器（22）和触碰开关（23）。

9.根据权利要求6所述的高载重比六足仿生机器人，其特征在于：该机器人还包括设置于主体（10）后端的红外线传感器（50）。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的高载重比六足仿生机器人，其特征在于：所述控制器（30）中包括用于发送自身数据以及接收外部控制设备无线通讯指令的无线信号收发器（31）。