一种仿人型快速行走循迹避障机器人的制作方法

本发明涉及机器人领域，特别涉及一种仿人型快速行走循迹避障机器人。

背景技术：

高仿真和仿人是机器人发展的主要方向之一。双足机器人属于类人机器人，其对于双足步行的控制，实现难度大，但是在实用性方面具有强大的优势。因此仿人型行走机器人无疑是现今的研究热点。可快速行走的双足机器人以执行机构代替肌肉，能够实现对身体的支撑，以及连续地协调运动。其对于环境的要求极低，可适应各种地面，且具有较高的逾越障碍的能力，因此具有广阔的应用前景。

在全球范围内,美国和日本一直走在机器人研发的技术前沿。通过运用多种传感技术和控制算法,美国不断创新机器人产品形态,优化性能。日本则在用于运输、救灾等领域的机器人研发方面成绩突出。由日本本田公司研制的仿人机器人asimo，是目前最先进的仿人行走机器人。asimo身高1.2米，体重52公斤。它的行走速度是0-1.6km/h。早期的机器人如果直线行走时突然转向，必须先停下来，看起来比较笨拙。而asimo就灵活得多，它可以实时预测下一个动作并提前改变重心，因此可以行走自如，进行诸如"8"字形行走、下台阶、弯腰等各项"复杂"动作。此外，asimo还可以握手、挥手，甚至可以随着音乐翩翩起舞。

目前来说，同类型的小型仿人行走机器人一般采用直流伺服电机驱动，这种方法控制精度低而且行走也不稳定。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种仿人型快速行走循迹避障机器人，该机器人使用多双轴舵机联动八自由度快速行走，具有避障行走的功能，并具有可控性强、姿态稳定性高、结构精简、便于安装及加工的特点，适用于快速稳定行走环境。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种仿人型快速行走循迹避障机器人，包括上身和两只机械腿，两只机械腿对称分布在上身下方，单只机械腿主要由腿侧机构和脚部机构组成，其中，腿侧机构包括第一u型架、斜直板和三个双轴舵机，两个第一u型架上下对称布置，并排的两个斜直板将两个第一u型架连接起来，第一u型架各安装一个双轴舵机，双轴舵机位于两个斜直板之间，腿侧机构上端的第一u型架对向正交垂直连接一个第二u型架，第二u型架连接一个内置于上身的双轴舵机，从而使两只机械腿连接在上身下方；

脚部机构包括第二u型架、角铝、平板和一个双轴舵机，腿侧机构下端的第一u型架对向正交垂直连接脚部机构的第二u型架，并排的两个角铝将第二u型架和平板连接起来，平板与地面接触，第二u型架安装一个双轴舵机，双轴舵机位于两个角铝之间；

上身安装有openmv机器视觉模块、电力模块；openmv机器视觉模块包括用于拍摄图像的摄像头，openmv机器视觉模块连接arduino主控芯片，arduino主控芯片设计循迹避障决策，arduino主控芯片与电力模块共同连接双轴舵机以驱动八个双轴舵机的机械腿运动。

进一步，所述上身外部主要由上身顶板、上身后板、上身前板和两块上身侧板组合而成，电力模块置于上身内部。

进一步，该机器人还包括平衡模块，平衡模块包括两个手臂和双轴舵机，两个手臂由连在一起的固定端和悬臂端组成，两个手臂分别固定在上身两侧的上身侧板上，每个手臂连接一个双轴舵机。

进一步，该机器人还包括通信组网模块，通过通信组网部件连接一上位机统一控制多机器人联动行走。

进一步，所述电力模块包括电池和粘附带，并通过粘附带固定在上身内部。

进一步，所述斜直板由一直板两头呈150°夹角形成，有利于降低该机器人整体的重心。

进一步，所述上身顶板的顶部设有云台，供openmv机器视觉模块放置固定。

进一步，所述上身前板中心设有摄像头固定座，供摄像头放置固定。

进一步，所述平板采用由洞洞板和亚克力板组成，角铝下方固定亚克力板，亚克力板下方固定洞洞板。

进一步，所述双轴舵机在连接处均设有舵机座。

采用上述方案后，本发明的两条机械腿通过基于u型架连接的八个双轴舵机构成八个自由度的变化，可以配合完成抬脚和落脚的动作，实现多双轴舵机联动八自由度快速行走；并能够通过摄像头采样、openmv机器视觉模块识别以及arduino主控芯片分析判断进行实时决策，最后电驱动机械腿动作，实现循迹避障功能，适用于快速稳定行走环境；此外，本发明为仿人型设计，所作动作姿态稳定性高，可配合其他功能的模块，可控性强；再者，u型架具有便于调节和成本低的特点，使得本发明的结构精简，便于安装及加工。

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明腿侧机构示意图；

图2为本发明脚部机构示意图；

图3为本发明u型架示意图；

图4为本发明手臂示意图；

图5为本发明斜直板的示意图；

图6为本发明角铝示意图；

图7为本发明上身结构示意图；

图8为本发明摄像头固定座示意图；

图9为本发明云台示意图；

图10为本发明单只机械腿结构示意图；

图11为本发明整体结构示意图；

图12为本发明方法流程示意图；

图13为本发明双轴舵机分布示意图；

图14为本发明arduino主控芯片的电连接框图。

标号说明

1-上身；11-上身顶板；12-上身后板；13-上身前板；14-上身侧板；15-摄像头固定座；16-云台；

2-机械腿；21-腿侧机构；211-第一u型架；212-斜直板；22-脚部机构；221-第二u型架；222-角铝；223-平板；

3-手臂；31-固定端；32-悬臂端；

41,42,43,44,45,46,47,48,49,50-双轴舵机；51-舵机座；

6-arduino主控芯片；61-循迹避障决策模块；62-舵机控制模块；63-驱动；631-3s航模电池；64-红外测量模块；65-外置光源。

具体实施方式

本发明揭示的一种仿人型快速行走循迹避障机器人，参阅图1-13，包括两只机械腿2和安装有openmv机器视觉模块、电力模块的上身1，两只机械腿2对称分布在上身1下方。

如图7所示，上身1外部主要由上身顶板11、上身顶板12、上身前板13和两块上身侧板14组成，且组成具有腔室的上身1内部，电力模块置于上身1内部，电力模块包括电池和粘附带，并将其置于上身1内部由上至下的五分之三处并通过粘附带固定，在减轻供电系统自身重量的同时稳定重心。在本实施例中，电池采用使用锂电池为该机器人系统供电。

结合图1-3、10-11所示，单只机械腿2主要由腿侧机构21和脚部机构22组成，下面以右机械腿进行说明，左机械腿具有相同结构，故不赘述，其中，腿侧机构21包括第一u型架211、斜直板212和三个双轴舵机42,43,44，铝制的斜直板212由一直板两头呈150°夹角形成，该设计有利于降低该机器人整体的重心，如图5所示。两个第一u型架211上下对称布置，并排的两个斜直板212将两个第一u型架211连接起来，第一u型架211各安装一个双轴舵机43,44，双轴舵机43,44位于两个斜直板212之间，腿侧机构21上端的第一u型架211对向正交垂直连接一个第二u型架221，第二u型架221连接一个内置于上身1的双轴舵机41，从而使两只机械腿2连接在上身1下方；脚部机构22包括第二u型架221、角铝222、平板223和一个双轴舵机45，腿侧机构21下端的第一u型架211对向正交垂直连接脚部机构22的第二u型架221，并排的两个角铝222将第二u型架221和平板223连接起来，平板223与地面接触，第二u型架221安装一个双轴舵机45，双轴舵机45位于两个角铝222之间。在本实施例中，第一u型架211和第二u型架221采用相同的规格，第一u型架211和第二u型架221均开设若干个安装孔，与双轴舵机配合连接，详见图3。

整体上看，两只机械腿2为两个对称结构，位于机器人纵向对称线的左、右两边，两条机械腿2通过基于u型架211,221连接的八个双轴舵机42,43,44,45,46,47,48,49构成八个自由度的变化，并配合完成抬脚和落脚的动作，实现多双轴舵机联动八自由度快速行走。u型架211,221具有便于调节和成本低的特点，使得本发明的结构精简，便于安装及加工。

上端的第二u型架221与上身1连接，下端的第二u型架221通过角铝222连接平板223，角铝222结构如图6所示，平板223由洞洞板和亚克力板组成，角铝222下方固定亚克力板，亚克力板下方固定洞洞板，洞洞板与地面接触；直板位于机械腿2的下端，通过自身材料的韧性与地面不同触地点产生偏向摩擦力，与其他结构共同完成行走过程。在多次测试中观察发现，当该机器人直接用亚克力板接触地面时，会经常出现机器人撞地，摔倒的情况。考虑到亚克力板的触地韧性较差，会对接触地面时的力的控制不利，而洞洞板具有很好的韧性，故选择在亚克力板下加上洞洞板，测试发现可以有效的避免这个问题，使机器人行走更加稳定快速。

上身1安装有openmv机器视觉模块、电力模块，openmv机器视觉模块包括用于拍摄图像的单目摄像头和外置光源，openmv机器视觉模块连接arduino主控芯片6，arduino主控芯片6采用stm32f7型号，arduino主控芯片6设计循迹避障决策，使得该机器人通过单目摄像头采样、视觉传感器识别以及arduino主控芯片6分析判断进行决策，arduino主控芯片6与电力模块共同连接双轴舵机以驱动机械腿2根据决策作出动作组，实现循迹避障功能，如图8所示，上身前板13设有摄像头固定座15，供单目摄像头放置固定，将单目摄像头设计固定于机器人胸前，目的在于减小判断误差，将视野集中于身体正前方，并配合外置光源减免环境光强误差；如图9所示，上身顶板11的顶部设有云台16，供openmv机器视觉模块放置固定，使得openmv机器视觉模块可以360°自由旋转。

如图14所示，作为优选实施例，arduino主控芯片6连接循迹避障决策模块61，舵机控制模块62，驱动63，红外测量模块64及外置光源65。首先arduino主控芯片6通过rs485通信模块与循迹避障决策模块61实现通讯。驱动63则外接直流3s航模电池631。arduino主控芯片6与舵机控制模块62通过arduino串口通信。外置光源65则是单独与电源串联起来，当开关打开后，便开始照明。红外测距则模块64是通自带的串口与arduino主控芯片6通信。

该机器人行走时的动作调节即动作组的设定，设定有直行、左转、右转三种动作，并提供了两套动作方案，具体如下：

1)大步幅方案

设定该套动作组的初衷是，能够在坚硬地面上以空间换取时间，使用较大步态以减少行进时间。该方案舵机的延时也较长，大概300ms。以防机器人大步行走时倒地的情况。

2)小步幅方案

设定该套动作组的初衷是，能够在较软地面上以频率换取时间，通过提高机器人的迈步频率，减小机器人的步幅，从而实现在松软地面上不会跌倒。此动作组中，各分解动作之间的延时不大于150ms，位于上端的第二u型架221所连接的双轴舵机42,48的旋转角度较小，整体行进幅度由全部的第二u型架221所连接的双轴舵机42,45,46,48的旋转角度共同决定。并且双腿的步态中，必然存在不同腿对向方向的触地摩擦力来控制平衡。

3)转弯动作

无论是大步幅还是小步幅都会遇到转弯的情况，利用人类原地转弯的原理：第一步，只旋转其中一只机械腿的下端第二u型架上的舵机。第二步，另一条腿的舵机按照直走的动作，抬脚，第三步，迈脚。这样就实现了原地快速转弯。转弯时如下表所示，其中舵机位置编号即为图13中的编号，舵机角度和速度的数字表示每个舵机的旋转角度和速度。

4)直走动作

直走动作第一步一只脚偏移重心，另一只脚实现抬脚，第二步之后迈脚。第三、四步反之亦然。往复循环实现直走动作。其执行时每个舵机的角度、速度如下表所示。

对于前进动作的策略，本发明提供了两套解决方案。

(1)直接策略

将对于动作指令的判断直接归于直行、左转、右转三大类中。即在机器人行进过程中，动作组选择上述1)大步幅方案时，由于左右转和直行图像的回传坐标具有明显的区分，因此采用三类图像回传坐标的临界值来进行下一步动作指令的判断。

(2)动态策略

在机器人行进过程中，动作组选择上述2)小步幅方案时，由于视野变化较大步幅时小，因此在三类动作执行后回传的图像中坐标区分不明显。因此需要考虑在每一类具体动作后，对于下一步动作的判断的特征临界值。

本发明为仿人型设计，所作动作姿态稳定性高，可配合其他功能的模块，可控性强，如图4所示，该机器人还包括平衡模块，平衡模块包括两个手臂3和双轴舵机41,50，两个手臂3由连在一起的固定端31和悬臂端32组成，两个手臂3分别通过固定端31连接在上身侧板14上，每个手臂3连接一个双轴舵机提供手臂自由度，悬臂端32可以展开保持身体平衡。此外，手臂上可载负多种传感器，探测外部数据反馈回arduino主控芯片6。该机器人还包括通信组网模块，若实现多机器人联动行走，可通过通信组网部件连接一上位机统一控制多机器人联动行走。

因此，在本实施例中，加上平衡模块的两个双轴舵机41,50，该机器人共有十个双轴舵机，在身体各部分对称并分布式构成十个动力点，控制行走机器人完成快速行走动作。动力点分布依据二八原则，优先满足腿部平衡传动需要。

为了加强整体结构稳定性，所述双轴舵机在连接处均设有舵机座51，如图1所示。

openmv机器视觉模块是一个开源、低成本、功能强大的机器视觉模块。openmv机器视觉模块上的机器视觉算法包括颜色识别、形状识别、标志跟踪。本发明的openmv机器视觉模块采用了颜色识别和形状识别两种算法，根据特定的阈值范围，对前方轨迹和障碍物进行判断并进行决策来执行动作组，从而完成循迹避障功能。

色彩空间(lab)是由国际照明委员会制定的一种色彩模式，自然界中任何一点颜色都可以在lab空间中表达出来。

一种仿人型机器人快速行走循迹避障实现方法，该方法为：

该机器人电力模块启动后，摄像头同时开始采集图像传到arduino主控芯片6，选择颜色识别算法对传回的图像进行判断；

首先对lab色彩空间进行映射，设定识别阈值，之后计算单帧图像中在阈值内的色素块，并选择最大块作为识别的目标区域，回传坐标值，通过坐标值计算舵机角度与预先设定好的角度值比较是否在预设的循迹角度或线内，若是则执行直走动作；若否则判断是否小于预设角度，若是则采用左转转弯动作，若否则采用右转转弯动作，最终都再次返回摄像头采样直到在预设的角度内，以此循环，直到走完全程；

直走动作之后，openmv机器视觉模块测定与地距离传到arduino主控芯片6，判断是否小于预设的高度值，若是执行平衡动作，若否，则返回继续判断是否在预设的循迹角度或线内。以此循环方案，直到走完全程。

在经过十次测试路程后，对于回传的坐标进行聚类分析，通过数据建模，寻找出路程中直行、左转弯、右转弯的标志数据，并以此为判断向arduino主控芯片6发送动作控制指令。

以上仅为本发明的具体实施例，并非对本发明的保护范围的限定。凡依本案的设计思路所做的等同变化，均落入本案的保护范围。