自适应运动多关节行走机器人的制作方法

本发明涉及机器人控制技术领域，特别是涉及一种自适应运动多关节行走机器人。

背景技术：

机器人技术属于高新技术领域，在近几十年中发展迅猛。它综合了运动学、力学、机械结构学、信息科学、控制理论、计算机、传感技术与人工智能等多学科的最新应用研究成果，是目前最受青睐的研究领域之一，其发展水平在很大程度上代表着相关学科的技术成熟程度。

四足多关节行走机器人作为一类特种机器人，能帮助人类完成在许多危险环境下的任务，例如恐怖现场、地震现场搜索、野外侦查、外层空间探测等。四足多关节行走机器人可分为空中、水下和地面三类机器人。而与人类最为密切相关的当属地面机器人，它可分为两大类：一类是由车辆技术纵向发展成的轮式（包括履带式）机器人；另一类是根据自然界如蛇、袋鼠、狗、马、骡子、螃蟹和蜘蛛等动物的步行原理而研制的仿生足式机器人。轮式机器人在坚硬平坦的路面上具有非常明显的速度优势，因而轮式机械自问世以来便成为人类最重要的交通工具。但是，地球陆地环境中超过一半的面积都是高低不平的山地和沼泽，轮式机器人在这样的环境中应用受到很大局限。然而，仿动物的足式机器人却能克服这一局限，具有很强的路面适应性，能在人类无法到达的许多路面环境下行走。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种自适应运动多关节行走机器人。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自适应运动多关节行走机器人。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种自适应运动多关节行走机器人，所述机器人包括：

驱动单元，包括若干伺服舵机，机器人的四肢分别设有至少2个伺服舵机；

超声波传感器，用于作为机器人距离的回馈；

三轴加速度器，用于作为机器人平稳值的回馈；

光敏电阻传感器，用于作为机器人偏移量的回馈；

主控芯片，与驱动单元、超声波传感器、三轴加速度器及光敏电阻传感器相连，用于控制机器人的运行状态；

伺服舵机控制器，用于为伺服舵机编号以控制伺服舵机的状态。

作为本发明的进一步改进，所述伺服舵机的扭力不低于16kg，可旋转角度为360°。

作为本发明的进一步改进，所述机器人的四肢分别设有3个伺服舵机，共计12个伺服舵机。

作为本发明的进一步改进，所述机器人的两侧分别设有1个伺服舵机，以平稳机器人的重心。

作为本发明的进一步改进，所述伺服舵机采用串接式方式连接，以统一接收主控芯片的控制信号。

作为本发明的进一步改进，所述主控芯片为ARM Cortex-M芯片。

作为本发明的进一步改进，所述主控芯片上还设有用于传输信号的USB串口和/或蓝牙传感器。

本发明的有益效果是：

本发明的机器人结构简单，容易组装，构行限制下比较自由，运动速度较佳，且运行稳定，处于不稳定的运动行能够通过不断的进化达成自我修复。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一具体实施方式中自适应运动多关节行走机器人的系统模块图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参图1所示，本发明一具体实施方式中的自适应运动多关节行走机器人，包括：

驱动单元10，包括若干伺服舵机，机器人的四肢分别设有至少2个伺服舵机，优选地，伺服舵机的扭力不低于16kg，可旋转角度为360°；伺服舵机采用串接式方式连接，以统一接收主控芯片的控制信号；

超声波传感器20，用于作为机器人距离的回馈；

三轴加速度器30，用于作为机器人平稳值的回馈；

光敏电阻传感器40，用于作为机器人偏移量的回馈；

主控芯片50，与驱动单元10、超声波传感器20、三轴加速度器30及光敏电阻传感器40相连，用于控制机器人的运行状态，优选地，主控芯片为ARM Cortex-M芯片；

伺服舵机控制器60，用于为伺服舵机编号以控制伺服舵机的状态。

进一步地，主控芯片50上还设有用于传输信号的USB串口70和/或蓝牙传感器80。

本发明中的机器人主要使用超声波传感器作为距离的回馈，使用三轴加速度器作为平稳值的回馈，使用光敏电阻传感器作为偏移量的回馈，进而达成机器人多目标演化。

本发明中针对这四足多关节行走机器人构行的运动行为加以试验以及评估。在机器人运动行为控制方面，本发明采用多目标进化遗传算法来完成多个伺服舵机机器人复杂行为的控制，采用经典遗传算法以及多目标遗传算法于四足多关节仿生构型机器人上，并且朝向降低机器人控制方面，使用最少成本(例如：染色体复杂度、时间复杂度)来达成机器人的运动行为，试验中本发明强调机器人处于不稳定的运动行为通过不断的进化达成自我修复能力为主要贡献。

本发明中所采用的是使用伺服舵机系列的机器人，在于设计机器人构行相对的相当自由且容易组装，优选地，本实施方式中中伺服舵机的扭力高达16kg，可以旋转角度为360°，并且采用串接式伺服舵机，串接式伺服舵机和传统的伺服舵机差别在于信号封包传递，传统伺服舵机只能一个伺服舵机接收一个信号于控制器，而串接式伺服舵机是能将多个伺服舵机统一接收主控芯片的信号，所以本发明可以一次控制多个伺服舵机，相对的在对于设计机器人构行限制下是比较自由的。

在本发明一实施例中，以四足多关节行走机器人为例进行说明，机器人的四肢可分别设有2个伺服舵机，总共控制的伺服舵机为8个。

然而因为四足多关节行走机器人足部较短导致运动速度缓慢，所以本发明的另一实施例中，四足多关节机器人把足部加长，四肢各增加一个伺服舵机，因为机器人四肢增长导致机器人重心比较不平稳，为了解决这问题，本实施例在机器人身体两侧各增加一个伺服舵机来支撑机器人的平稳，总共有14个伺服舵机，真正控制的伺服舵机为12个。

同时模仿在真实世界中，机器人在执行任务时，会有伺服舵机故障情况发生，机器人要如何去调适运动行为，在这构型会有8个伺服舵机，有一个伺服舵机故障不会动作，所以真正控制的伺服舵机为7 个。机器人搭载比较多的伺服舵机，会使机器人本身变得比较难以控制，相对也会增加硬件损坏率，所以必须要精确的规范每一个动作(例如：每个伺服舵机的角度)。

由于四足多关节行走机器人关节多，自由度多，而且搭载了多种传感器模块，因此控制比较繁杂。本发明在机器人总共有14个伺服舵机，主控芯片采用 ST 公司的 ARM Cortex-M 系列产品。

本发明使用扭力较大的伺服舵机，能够帮助本机器人在试验环境中克服伺服舵机的耗损及各种因素的影响，与传统的伺服舵机相比，AX12 DYNAMIXEL提供了16kg 的高扭力。AX-12DYNAMIXEL 伺服舵机不像R/C 伺服舵机使用PWM 控制器，具有多个伺服舵机串连操作，伺服舵机角度可以360°转动，但因为考虑机器人运动行为，本发明会限制伺服舵机转动的角度，以免造成硬件的消耗。

本发明的机器人是由多个伺服舵机拼接而成的，所以都要为每个伺服舵机进行编号来控制机器人的行为。优选地，采用CM-530 伺服舵机控制器为各个伺服舵机编号，再通过RoboPlus伺服舵机控制软件为每个伺服舵机进行编号。

本发明利用针对仿生机器人粒子群优化算法，通过局部搜寻的多样式的微调去改变基因排列及个体数组合，来控制机器人的行为。另外，本发明专利采用循环演化的方式，以四足多关节行走机器人为主要构型，并且控制由多颗伺服舵机组合而成的机器人。因为机器人是采用多目标演化来当作遗传的依据，所以多目标演化适应值评估是进行多目标权重分配，为机器人的一套行为进行评分，然后会选择排名前三名的适应值个体先进行交叉的后作第一次的局部搜寻然后突变再作第二次的局部搜寻。

在本发明的一具体实施例中，以总长为160cm、宽为80cm的开放式长方形空间为例进行试验，采用多目标演化当作试验的主轴，使机器人能够达成快速且平稳的朝向目标物移动。

本发明以组为单位进行微调操作，且采取足与足的间互相模仿的方式，来控制机器人的一系列运动行为，故障的伺服舵机不列入计算范围。首先会先取得该组每颗伺服舵机角度进行加总后求平均值，以平均值当作基准，假如该组该伺服舵机大于平均值，则对该伺服舵机进行-20°微调，反之如果小于平均值，则对该组该颗伺服舵机进行+20°的微调，使该组转动相似程度提升，然后通过适应值评估目前的微调对于机器人行为好不好，如果评估比上一代演化来的好，则会继续采取一样的模式进行微调，反之如果评估是不好的，则采用反向模式操作，也就是说使足与足的间的相似程度降低进行微调。从试验结果证明，机器人的运动行为能够得到明显的改善，且能够加快机器人的收敛时间，降低试验所耗的成本。

在本发明的一优选实施例中，以四足多关节机器人为例，机器人的四肢分别设有3个伺服舵机，共计12个伺服舵机，以m0~m11 表示，为每颗伺服舵机来编号m0伺服舵机编号为1，以此类推一直到m11伺服舵机编号为12。然后通过伺服舵机控制器分别控制各个伺服舵机的行为。

由上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明的机器人结构简单，容易组装，构行限制下比较自由，运动速度较佳，且运行稳定，处于不稳定的运动行能够通过不断的进化达成自我修复。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。