专利名称：四足式仿生机器人控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在动态神经元网络模式控制下运动的四足式仿生机器人控制装置，属机 器人运动控制技术领域。
技术背景目前世界各国都在研制四足式仿生机器人，但是常规控制方法只能保证机器人在预先设 定好的模型下运动，环境变化对其运动影响较大。所以，对于可以自我感知环境、自我调节 位姿、受环境制约最小的四足仿生机器人是现在该技术领域的前沿。美国MIT的布鲁克斯(Brooks)研究团队研发的四足式机器人将生物基本行为中存在一 些局部条件反射单元作为其机器人运动控制的主要依据，这种方法侧重于对机器人下层实行 局部控制，没有上层动态神经元系统的对外界大环境的感知、管理和调控，是一种简单的生 物反射运动。这种方法尽管可以实现机器人的运动，但受控制系统结构及控制方法的制约， 运动自主性降低，灵活性、稳定性和适应外部环境上还不够完善。清华大学的郑浩峻团队研 发的实现动物节律运动的四足式仿生机器人(专利号03157386.X)使用与动物相似的节律运 动机理来控制机器人，虽然这种方法使机器人运动更为灵活，但是机器人主体还是没有做到 自主感知外部环境并且可以自我调节运动状态。而且该机器人控制装置大部分在机器人体外， 使得机器人运动受限。 发明内容为了克服现有四足式机器人无法通过自我感知外部环境自主调节自身运动的问题，本发 明提出一种基于动态祌经元网络模式下运动的四足式仿生机器人控制装置及系统，使机器人 能够通过自身传感装置感知外界环境，并通过动态神经元网络模式调节控制机器人能够灵活、 敏捷的自主运动。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括红外传感器组，超声波传感器阵列， 火焰传感器，激光测距传感器，双目视觉传感器，数字罗盘，惯性测量单元，力传感器，行 程限位开关，三组数据采集器，三组数据融合模块，两个具备执行动态神经网络算法功能的 计算器， 一对以太网通讯模块， 一个数据存储器，若干个电机控制器和对应控制器数量的伺 服电机，上述原件构成的整个机器人控制系统是一个大的闭环传递过程，具体分为上下两个 控制层，上层犹如生物体的大脑用于感知外部环境并决策运动方向，下层犹如生物体的中枢 神经用于控制运动步态及调节自身状态。上层控制层包括红外传感器组、超声波传感器阵列、火焰传感器、激光测距传感器、双目视觉传感器、数字罗盘、上层计算器和上层以太网通讯模块，所述的红外传感器用于测量 近距离小型障碍物的距离并指导机器人越障；超声波传感器阵列用于测量前方大型障碍物距 离并指导机器人避障；火焰传感器用于判断前方是否有火焰并告知机器人避让；激光传感器 用于精准测距；双目视觉传感器用于捕捉前方障碍物轮廓；数字罗盘用于精准确定地理方向 和机器人翻滚俯仰角度，为机器人的运动标定参照方向以及确定机器人实时位姿；这其中红 外传感器组由红外数据采集器采集到一组数据后经红外传感器组数据融合模块进行数据融合 后传给上层计算器；超声波传感器阵列由超声波数据采集器采集到一组数据后经超声波阵列 数据融合模块进行数据融合后传给上层计算器；双目视觉传感器采集到图像信号经视觉信号 处理器处理后得到需要的数据传给上层计算器，火焰传感器、激光传感器和数字罗盘直接将 数据传给上层计算器，所述上层计算器收集六个传感器的数据并进行计算处理后得到下层控 制层需要的指令数据，通过上层以太网通信模块与下层控制层的下层以太网通信模块进行实 时通信。下层控制层包括惯性测量单元、力传感器、行程限位丌关、下层计算器，下层以太网通 讯模块、 一个数据采集器和一个数据存储器以及若干个电机控制器和对应控制器数量的伺服 电机所述的惯性测量单元用于测量机器人运动时的动态位姿参数；力传感器用于测量机器人 足底触地后受力的情况；行程限位开关用于各个活动关节的运动极限位置的限位；所述下层 以太网通信模块接收上层数据后传送到指令数据接收存储器保存，等待调用；所述指令数据 融合模块用于融合测量单元、力传感器和行程限位开关这三个传感器经数据采集器收集后的 数据和存放在数据存储器中的上层数据后传送给下层计算器；所述下层计算器汇总所有数据 通过动态祌经元网络算法计算后得到当前至下一指令时间段适合机器人运动的步态，并将指 令传达给电机控制器并控制各自所属的伺服电机转动。本发明的有益效果是本发明建立了一种可以实现自我感知、自我适应、自我调节运动 的四足式仿生机器人控制装置；机器人控制装置采用双控制层，与生物体大脑和中枢神经系 统的生物控制模式相对应；系统中采用多传感器融合探测外部环境，使机器人可以灵活、便 捷的避障、越障、避火光、爬坡等等；通过数字罗盘机器人还可以判断方向并实时判断自身 位姿状态，自适应导航智能化大大增强；机器人可以具有丰富的信息源并智能地调节位姿以 适应复杂的环境。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明所述机器人控制装置的示意方框图。图2是本发明所述机器人机器人上层控制装置的示意方框图。图3是本发明所述机器人机器人下层控制装置的示意方框图。
具体实施方式
装置实施例如图1所示为本发明所述的机器人控制装置方案，大多数生物体包括人类 的神经控制系统都是在一种生物模式下发生的，它分为上层大脑为核心的决策控制层和下层 中枢神经为核心的协调执行层。其中大脑用于运算处理各个器官采集到的环境数据并进行判 断，即索取有用信息，将信息生成指令传达给中枢祌经。中枢祌经用于发出执行指令、控制 四肢(包括骨骼、肌肉等)运动，这一模式就是本发明用到的上下两个控制层的动态神经元 网络模式。与生物体运动控制系统类似，本发明所述动态神经元网络模式下运动的四足仿生机器人 建立上下两个控制层，与环境采用全闭环控制。其中装在机器人各个关键部位的传感器(组)A1 A9用于全面采集环境信息提供给机器人控制层，上下两个控制层的核心计算器对采集到 的信息进行处理、运算，将决策指令下达给伺服电机系统Ml Mn，电机转动带动机器人本体 移动后，机器人状态发生改变，传感器又测量新的环境数据，这样就完成了一次控制过程的 循环。上层控制层决定机器人的运动方向、步态、速度等实现机器人的方位调整及转换，由 上层计算器实现；下层控制层利用动态神经元网络算法融合传感器数据，同时将关节控制信 号传送给电机控制器，由下层计算器实现；最后，驱动执行由伺服电机系统完成，类似生物 体肌肉骨骼系统使机器人产生运动。图2所示为本发明机器人上层控制装置。图中红外传感器组Al采用的是深圳商斯达公 司的GP2D12红外传感器组，安装于四个小腿前端，当前方有障碍物时传感器将感应到的数 据(模拟量)经模数转换传给红外数据采集器B1，红外数据采集器B1将所有红外传感器信 息收集后，传给红外数据融合模块Cl处理并传送到上层计算器01;超声波传感器阵列A2 采用北京鑫诺金公司MINI-A616010型超声波传感器阵列，安装于机器人身体正前方，当前 方有障碍物时传感器将感应到的数据(模拟量)经模数转换传给超声波数据采集器B2，超声 波数据采集器B2将所有超声波传感器信息收集后，传给超声波组数据融合模块C2处理后传 送到上层计算器01; 火焰传感器A3采用HAMAMATSU公司的C3704型火焰传感器，安 装于机器人前方，用于判断前方是否有火焰，采集到的数据是开关量，直接传递给上层传感 器01;激光传感器A4采用HOKUYO公司的URG-04LX型激光传感器，用于精确测距，采 集到的信号通过串口传递给上层计算器01;双目视觉传感器A5采用北京微IPP/^司 MVDC360SAC-GE60ST型双目视觉传感器，将采集到的信息通过视频信号传送给视觉信号处 理器B5转化成数字信号传递给上层计算器01;数字罗盘A6采集地理方向，其数据通过串 口传递给01;上层计算器Ol为PC104机，工业产品，其主板上预留有各个传感器信号传用的各种接口，其中上层以太网通信模块D1集成在PC104机上，其作用是与下层通信，将 上层计算处理后的数据传递给下层。图3所示为本发明机器人下层控制装置。图中所示惯性测量单元A7采用中星测控的 CS-IMU-01型惯性测量单元，安装于机器人内部测量机器人位姿状态参数(包括三个方向的 角加速度和线加速度)，通过串口将数据传递给数据采集器B4;力传感器A8采用江苏联能 CL-YD-331型力传感器，安装于机器人足底，当机器人足端接触到地面或其它物体，力传感 器A8会将接触力数据通过模数转换传递给数据采集器B4;行程限位开关A9采用上海振鑫 公司J5M-D0.8PK型行程限位开关，安装于各个摆动关节的前后极限位置以及摆动前的初始 位置，测量的数据是开关量，传递给数据采集器B4;下层以太网通讯模块D2用于与上层通 信和接收上层数据，并将数据储存于指令数据接收储存器E1;指令数据接收储存器El与数 据采集器B4的数据经指令数据融合模块C3数据融合后，传送到具备动态神经元网络计算功 能的下层计算器02;下层计算器02与上层一样也使用工业产品PC104机。由02计算后得到的指令数据需要立即执行，机器人安装有若干电机控制器(Gl Gn) 用于控制各个关节的电机，这些电机控制器就是用来执行下层计算器02发来的执行指令数 据；与控制器对应的安装于关节处的伺服电机由电机控制器M的控制进行转动，带动机器人 运动。
权利要求
1、四足式仿生机器人控制装置，包括红外传感器组、超声波传感器阵列、火焰传感器、激光测距传感器、双目视觉传感器、数字罗盘、惯性测量单元、力传感器、行程限位开关、三组数据采集器、三组数据融合模块、两个具备执行动态神经网络算法功能的计算器、一对以太网通讯模块、一个数据存储器、若干个电机控制器和对应控制器数量的伺服电机，其特征在于所述的红外传感器组由红外数据采集器采集到一组数据后经红外传感器组数据融合模块进行数据融合后传给上层计算器；超声波传感器阵列由超声波数据采集器采集到一组数据后经超声波阵列数据融合模块进行数据融合后传给上层计算器；双目视觉传感器采集到图像信号经视觉信号处理器处理后得到需要的数据传给上层计算器，火焰传感器、激光传感器和数字罗盘直接将数据传给上层计算器，所述上层计算器收集六个传感器的数据并进行计算处理后得到下层控制层需要的指令数据，通过上层以太网通信模块与下层以太网通信模块进行实时通信；所述下层以太网通信模块接收上层数据后传送到指令数据接收存储器保存，等待调用；所述指令数据融合模块用于融合测量单元、力传感器和行程限位开关这三个传感器经数据采集器收集后的数据和存放在数据存储器中的上层数据后传送给下层计算器；所述下层计算器汇总数据通过计算后将指令传达给电机控制器并控制各自所属的伺服电机转动。
全文摘要
本发明公开了一种四足式仿生机器人控制装置，建立上下两个控制层，各个传感器将环境信息提供给机器人控制层，上下层计算器对采集到的信息进行处理，将决策指令下达给伺服电机，电机转动带动机器人本体移动后，机器人状态发生改变，传感器又测量新的环境数据。上层控制层决定机器人的方位调整及转换，下层控制层利用动态神经元网络算法融合传感器数据，同时将关节控制信号传送给电机控制器，驱动伺服电机。本发明建立了一种可以实现自我感知、自我适应、自我调节运动的四足式仿生机器人控制装置，机器人可以具有丰富的信息源并智能地调节位姿以适应复杂的环境。
文档编号G05D1/00GK101251756SQ200710300719
公开日2008年8月27日 申请日期2007年12月21日 优先权日2007年12月21日
发明者丁良宏, 冯华山, 姬昌睿, 徐娅萍, 王润孝, 秦现生, 赵国斌, 路新亮 申请人:西北工业大学