一种基于Vrep的四足机器人控制方法、系统及装置

一种基于vrep的四足机器人控制方法、系统及装置
技术领域
1.本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种基于vrep的四足机器人控制方法、系统及装置。
2.背景
3.目前，四足机器人已经广泛应用在抢险救灾、极地探险等危险系数高、作业环境恶劣的场景，成为移动机器人领域人们研究的重点对象。四足机器人的出现极大的扩展了机器人的应用范围，原来的轮式机器人虽然速度快，但是无法适应森林、山川等复杂地形。履带机器人虽然越野能力强，但是其体积庞大、灵活性差，对于一些障碍物比较密集的场所，履带机器人很难通过。四足机器人因为它机动灵活，体积小巧，越野能力强的优点，在探险、探测领域得到广泛应用。
4.四足机器人虽然有较好的越野能力，但其控制算法复杂，并且对于楼梯、碎石路等不同环境其又有不同的控制算法，因此其开发周期较长，设计难度大，并且长时间操作实体机器人，很容易造成机器人的损坏。
5.当前四足机器人开发设计方法多是直接对实体机器人平台进行编程，在通过软件仿真后，直接将程序迁移到四足机器人上。四足机器人相比于轮式机器人其机械结构更加复杂，直接利用实体机器人进行开发时进行这种设计方法泛化性差，在仿真与实物机器人参数、性能差距较大时，极易对实体机器人造成破环，并且对于一些复杂算法很难将仿真与实体相结合。
6.当前在仿真机器人的电机时多利用方程建立电机的响应曲线，根据电机的参数模型来设计仿真参数。这种方法对电机参数的测量精度要求高，电机的参数众多，并且其受摩擦力、电流变化等因此影响较大，因此很难建立稳定仿真模型。
7.当前四足机器人的开发设计缺少高效的开发设计方法，基于实物平台的开发调试方法不仅开发效率低、迁移性差，而且极易对机器人造成破坏。


技术实现要素：

8.为了弥补上述现有技术的四足机器人的开发效率低的不足，本发明提出一种基于vrep的四足机器人控制方法、系统及装置。
9.本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
10.本发明提出一种基于vrep的四足机器人控制方法，其特征在于，包括如下步骤：s1：仿真与实体关系建立：接受用户的指令，利用vrep仿真环境建立实体四足机器人的仿真四足机器人，使实体四足机器人与仿真四足机器人的性能保持一致；s2：算法开发迁移：接受用户的指令，检验在vrep仿真环境进行算法开发的可行性，完成算法开发后，将控制指令通过网络串口发送到实体四足机器人，完成算法迁移；s3：机器人遥操作控制：接受用户的指令，通过网络串口对实体四足机器人进行控制。
11.在一些实施例中，所述s1步骤包括如下步骤：s11：静态参数仿真建立，根据实体四足机器人搭建仿真四足机器人，测量实体四足机器人的静态物理参数，构建仿真四足机器
人的硬件框架；s12：动态参数仿真建立，仿真和匹配实体四足机器人与仿真四足机器人之间各电机参数、摩擦力、质量响应参数，通过采集实体四足机器人电机数据，来建立仿真四足机器人的电机模型；s13：偏差校准，通过网络串口建立仿真四足机器人与实体四足机器人之间的连接，通过在虚拟环境中控制实体四足机器人的移动来调整相关参数，利用网络串口定时更新四足机器人各关节信息来减少累计误差。。
12.在一些实施例中，所述s11步骤包括如下步骤：s111：获取实体四足机器人各个部位的参数：测量实体四足机器人各关节质量、各关节长度、质心位置；s112：根据参数信息搭建仿真四足机器人：搭建仿真四足机器人腿部关节模型、躯体模型。
13.在一些实施例中，所述s12步骤包括如下步骤：s121：电机数据采集：输入量为电机当前时刻的速度、加速度、位置、力矩以及输入电压，其中控制变量为输入电压；输出量为下一时刻的速度、加速度、位置、力矩信息；s122：神经网络训练：建立多层神经网络，包括输入层、隐藏层和输出层，各层级之间通过激活函数连接；通过训练迭代得到电机的神经网路模型；s123：仿真测试：将模型导入到vrep仿真平台中，模拟实体四足机器人电机的动态参数，通过电压信号来控制仿真机器人电机的运用。
14.在一些实施例中，在s122步骤中：通过获取电机在不同时刻的电压、速度、加速度参数来训练网络模型；根据当前电机的速度、加速度、位置以及输入的电压信息，输出下一时刻电机的速度、加速度、位置参数。
15.在一些实施例中，所述s13步骤包括如下步骤：s131：运行程序，在仿真程序中设置电机位置；s132：通过网络串口将指令发送给实体四足机器人，实体四足机器人执行命令；s133：实体四足机器人反馈位置、速度、姿态参数信息；s134：仿真数据与实体数据比对，若偏差大于error1，则暂停程序，等待参数修改后重新启动；若偏差没有大于error1，则更新仿真参数，再继续运行程序。
16.在一些实施例中，所述s2步骤包括：s21：基于仿真平台的算法开发；s22：实体机器人算法迁移；s23：算法优化。
17.在一些实施例中，所述s3步骤包括：所述仿真四足机器人与所述实体四足机器人通过网络串口通信方式连接；所述仿真四足机器人发送电机控制命令到所述实体四足机器人；所述实体四足机器人返回各个电机速度、位置、姿态信息给所述仿真四足机器人，实现控制实体四足机器人电机的速度、位置，实现控制实体四足机器人的移动，实现控制实体四足机器人的姿态信息反馈。
18.本发明还提出一种基于vrep的四足机器人控制系统，其特征在于，包括：仿真与实体关系建立模块、算法开发设计模块、机器人遥操作控制模块；所述仿真与实体关系建立模块，用于建立实体四足机器人和仿真四足机器人之间的参数关系，使实体四足机器人和仿真四足机器人的性能保持一致；所述算法开发设计模块，用于在vrep软件平台对开发设计的算法进行仿真，检验算法可行性；完成算法仿真后，利用网络串口将机器人仿真时的各关节动作发送给实体四足机器人，将算法迁移到实体机器人上；所述机器人遥操作控制模块，用于在建立仿真四足机器人后，通过网络串口对实体四足机器人进行控制，在软件中实时反馈实体四足机器人的状态。
19.在一些实施例中，所述仿真与实体关系建立模块包括：静态参数仿真子模块、动态参数仿真子模块、偏差校准子模块；所述静态参数仿真子模块，用于根据实体四足机器人搭
建仿真四足机器人，测量实体四足机器人的静态物理参数，构建仿真四足机器人的硬件框架；所述动态参数仿真子模块，用于实体四足机器人与仿真四足机器人之间各电机参数、摩擦力、质量响应参数的仿真和匹配；通过采集实体四足机器人电机数据，来建立仿真四足机器人的电机模型；所述偏差校准子模块，用于通过网络串口建立仿真四足机器人与实体四足机器人之间的连接，通过在虚拟环境中控制实体四足机器人的移动来调整相关参数；利用网络串口定时更新四足机器人各关节信息来减少累计误差。
20.本发明还提出一种基于vrep的四足机器人控制装置，包括：实体四足机器人、路由器、计算机、电子秤、力传感器、米尺；所述实体四足机器人用于搭载嵌入式计算机，通过网络串口与上位机发送关节位置、加速度参数信息；所述路由器用于负责网络信息传输；所述计算机用于运行vrep仿真软件；所述电子秤用于获取实体四足机器人各关节的质量；所述力传感器用于检测实体四足机器人的电机力矩；所述米尺用来测量实体四足机器人尺寸。
21.本发明与现有技术对比的有益效果：本发明通过建立精确的仿真机器人模型，可以降低机器人的开发成本，减少机器人的开发周期，并且仿真平台可以更加直观的反应机器人的参数信息，使算法开发更加便捷；通过mlp神经网络模型拟合电机输入输出关系，可以解决参数方程拟合电机输入输出关系时参数繁多、精度低、计算量大的问题。
22.在一些实施例，本发明与现有技术对比的有益效果还有：本发明通过偏差校准算法，可以在实物与仿真出现较大偏差时主动停止程序，防止对机器人造成破坏；
23.在一些实施例，本发明与现有技术对比的有益效果还有：本发明在完成四足机器人建模的同时也建立了四足机器人遥操作控制平台，节省了机器人控制软件的开发。
附图说明
24.图1是本发明实施例的四足机器人控制方法流程示意图；
25.图2是本发明实施例的虚拟与实体机器人关系图；
26.图3是本发明实施例的静态参数仿真建立子模块的工作流程图；
27.图4是本发明实施例的动态参数仿真子模块的工作流程图；
28.图5是本发明实施例的建立mlp多层神经网络示意图；
29.图6是本发明实施例的神经网络激活函数示意图；
30.图7是本发明实施例的偏差校准子模块工作流程图；
31.图8是本发明实施例的软件开发子模块工作流程图。
具体实施方式
32.下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
34.为了解决四足机器人在算法设计难度大、开发周期长的问题，我们提出了一种基于vrep的四足机器人控制方法、系统及装置。针对四足机器人的实物平台，首先利用vrep建立1:1的仿真开发模型，即仿真四足机器人；并通过反馈机制调整仿真模型的参数，使其与实体四足机器人参数保持一致。在算法开发时，首先在仿真软件的虚拟场景中开发机器人
控制算法，在算法设计完成后，再将算法移植到实体四足机器人上。
35.为了尽可能地模拟机器人电机的动态模型，本发明提出了一种利用mlp神经网络拟合电机模型的方法，通过获取电机在不同时刻的电压、速度、加速度等参数来训练网络模型，得到的网络模型可以根据当前电机的速度、加速度、位置以及输入的电压等信息，输出下一时刻电机的速度、加速度、位置参数；解决了利用参数方程建立电机仿真模型时参数多、精度低的问题。
36.在整个开发过程完成后，不但可以得到一套可以在实体四足机器人上直接运行的控制程序，还可以一个与实物参数一致的仿真模型，在之后的开发中只需要对在仿真中验证机器人设计的可行性，之后直接将算法转移到实物中即可，大大减少了算法设计的复杂度，同时避免了在对实体四足机器人进行算法开发时机器人的损坏。此外，在建立仿真的仿真平台还可以作为机器人的遥操作控制系统，直接控制实体四足机器人的运动，减少了四足机器人控制软件的开发时间。
37.参考图1，为四足机器人控制方法流程示意图。
38.本发明实施例的一种基于vrep仿真平台的四足机器人控制方法，包括仿真与实体关系建立、算法开发设计和机器人遥操作控制模块三部分；具体步骤包括：s1：仿真与实体关系建立；利用vrep仿真环境建立实体四足机器人的仿真四足机器人，使实体四足机器人与仿真四足机器人的性能保持一致；s2：算法开发迁移；在vrep仿真环境中进行算法开发；完成算法开发后，将控制指令通过网络串口发送到实体四足机器人，完成算法迁移；s3：机器人遥操作控制；通过网络串口对实体四足机器人进行控制。
39.仿真与实体关系建立主要是建立仿真系统，即仿真四足机器人与实体四足机器人之间的参数关系，使两者的各方面性能保持一致。算法开发设计主要是在建立仿真关系之后进行快速的算法迁移。机器人遥操作控制模块主要实现机器人在vrep软件控制平台上的遥操作控制。
40.仿真与实体关系建立的s1步骤包括如下步骤：s11：静态参数仿真建立；s12：动态参数仿真建立；s13：偏差校准。
41.静态参数仿真建立的s11步骤包括如下步骤：s111：获取实体四足机器人各个部位的参数；测量实体四足机器人各关节质量、各关节长度、质心位置；s112：根据参数信息搭建仿真四足机器人；搭建仿真四足机器人腿部关节模型、躯体模型。
42.动态参数仿真建立的s12步骤包括如下步骤：s121：电机数据采集；输入量为电机当前时刻的速度、加速度、位置、力矩以及输入电压，其中控制变量为输入电压；输出量为下一时刻的速度、加速度、位置、力矩信息；s122：神经网络训练；建立多层神经网络，包括输入层、隐藏层和输出层，各层级之间通过激活函数连接；通过训练迭代得到电机的神经网路模型；s123：仿真测试；将模型导入到vrep仿真平台中，模拟实体四足机器人电机的动态参数，通过电压信号来控制仿真机器人电机的运用。
43.在神经网络训练的s122步骤中，通过获取电机在不同时刻的电压、速度、加速度参数来训练网络模型；根据当前电机的速度、加速度、位置以及输入的电压信息，输出下一时刻电机的速度、加速度、位置参数。
44.偏差校准的s13步骤包括如下步骤：s131：运行程序，在仿真程序中设置电机位置；s132：通过网络串口将指令发送给实体四足机器人，实体四足机器人执行命令；s133：实体
四足机器人反馈位置、速度、姿态参数信息；s134：仿真数据与实体数据比对；若偏差大于error1，则暂停程序，等待参数修改后重新启动；若偏差没有大于error1，则更新仿真参数，再继续运行程序。
45.算法开发迁移的s2步骤包括：s21：基于仿真平台的算法开发；s22：实体机器人算法迁移；s23：算法优化。
46.参考图2，为虚拟与实体机器人关系图；vrep仿真环境中的仿真四足机器人1与实体四足机器人2通过网络串口通信方式连接；vrep仿真环境中的仿真四足机器人1发送电机控制命令到实体四足机器人2，实体四足机器人2返回各个电机速度、位置、姿态信息给vrep仿真环境中的仿真四足机器人1，实现控制实体四足机器人2电机的速度、位置，实现控制实体四足机器人2的移动，实现控制实体四足机器人2的姿态信息反馈。
47.本发明实施例的一种基于vrep的四足机器人高效控制系统，包括：仿真与实体关系建立模块、算法开发设计模块、机器人遥操作控制模块组成。
48.其中仿真与实体关系建立模块包括：静态参数仿真子模块、动态参数仿真子模块、偏差校准子模块。仿真与实体关系建立模块主要是建立仿真软件和实体机器人之间的1：1参数关系，使实体四足机器人和仿真四足机器人的性能保持一致；相关参数的精度将会直接影响到后期算法开发设计模块的误差。
49.静态参数仿真子模块，主要负责根据实体四足机器人1：1搭建对应的虚拟仿真模型，主要完成虚拟机器人的硬件仿真部分。静态参数仿真建立子模块，主要是构建机器人的硬件框架，通过电子秤、米尺等测量机器人的静态物理参数。静态参数仿真建立子模块的工作流程：首先需要根据实体四足机器人在vrep中搭建仿真模型。参考图3，静态参数仿真建立子模块用于实体机器人各个部位的参数获取，测量机器人各个关节质量，测量机器人各个关节长度，测量机器人质心位置；再用于虚拟机器人搭建，搭建仿真机器人腿部关节模型、仿真机器人躯体模型。首先利用电子秤、米尺等工具获取实体四足机器人的各个关节质量、长度、质心等参数，然后在根据这些参数信息在仿真软件中建立对应的仿真机器人。
50.动态参数仿真子模块，主要负责实体四足机器人与仿真机器人之间各个电机参数、摩擦力、质量等响应参数的仿真和匹配。动态参数仿真子模块，通过采集电机数据，来建立仿真中的电机模型。动态参数仿真子模块的工作流程参考图4，包括电机数据采集，神经网络训练和仿真测试。参考图5，建立mlp多层神经网络，其包括输入层、隐藏层和输出层，各个层级之间通过激活函数连接。输入量为电机当前时刻的速度、加速度、位置、力矩以及输入电压，其中控制变量为输入电压，输出量为下一时刻的速度、加速度、位置、力矩信息。参考图6，为神经网络的激活函数示意图，激活函数为sigmoid函数。通过训练多次迭代就可以得到电机的神经网路模型，将模型导入到vrep仿真平台中就可以模拟实体机器人电机的动态参数，并通过电压信号来控制仿真机器人电机的运用。
51.在建立完四足机器人的动态参数和静态参数后，难免会存在一些误差；偏差校准子模块，用于利用网络串口定时更新四足机器人各个关节信息来减少累计误差。偏差校准子模块，则通过网络串口建立虚拟机器人与实体机器人之间的连接，通过在虚拟环境中控制实体机器人的移动来调整相关参数。参考图7，首先运行程序程序，仿真程序中设置电机位置、通过网络串口将指令发送给实体机器人、实体机器人执行命令、实体机器人反馈位置、速度参数等参数信息、仿真数据与实体数据比对；如果偏差大于error1，则暂停程序；如
果偏差没有大于error1，则更新仿真参数，再继续运行仿真程序。该模块的作用是在建立好四足机器人的静态和动态模型后，在vrep仿真软件中，通过网络串口来控制实体机器人和仿真机器人同时运动，并检测两者移动过程中存在的偏差，建立负反馈控制方法，每隔一段时间利用网络串口反馈实体机器人的关节信息，与仿真信息进行对比，并具有偏差报警机制，当软件预测位置与电机实际位置偏差过大时，程序将会中止运行，需要修改参数后重新启动，这样不仅可以减少仿真误差，还可以防止四足机器人在运行过程中的损坏。
52.算法开发设计模块，主要实现四足机器人高阶算法的开发，完成楼梯、碎石路等复杂路况下的程序设计，并在完成仿真算法到实体机器人平台的算法迁移。在vrep软件平台对设计的算法进行仿真，检验算法的可行性。在利用vrep软件完成算法仿真之后，利用网络串口将机器人仿真时的各个关节动作发送给四足机器人，将算法迁移到实体机器人上。参考图8，软件开发子模块包括：基于仿真平台的算法开发、实体机器人算法迁移、算法优化。在建立实体四足的机器人仿真模型后，便可以在不需要连接实体机器人的情况下，在仿真环境中对四足机器人的算法进行开发和设计。因为之前通过仿真环境建模已经将仿真中的四足机器人与实体四足机器人的参数保持一致，在仿真环境中开发设计算法不仅速度快、成本低，相关参数可以更好的可视化，大大缩短开发时间。在仿真环境中完成算法开发之后，可以直接将控制指令通过网络串口直接发送到实体机器人，完成算法迁移。
53.机器人遥操作控制模块，主要实现机器人在软件平台控制下的移动。在建立完四足机器人的仿真模型后，可以通过网络串口直接对机器人进行控制，并可以在软件中实时反馈实体机器人的状态。在完成机器人仿真建模之后，通过网络串口就可以对实体机器人进行控制，包含的功能有：1、机器人电机的速度、位置控制；2、四足机器人的移动；3、四足机器人的姿态信息反馈。
54.本发明实施例的一种基于vrep的四足机器人高效控制装置，参考表1所示，包括四足机器人、路由器、计算机、电子秤、力传感器、米尺。四足机器人用于搭载嵌入式计算机，能通过网络串口与上位机发送关节位置、加速度等参数信息；路由器用于采负责网络信息传输；计算机用于运行vrep仿真软件；电子秤用于获取四足机器人各个关节的重量；力传感器用于检测四足机器人电机力矩；米尺用来测量实体四足机器人尺寸。
55.表1装置组成表
[0056][0057]
本发明通过mlp神经网络模型拟合电机输入输出关系，可以解决参数方程拟合电机输入输出关系时参数繁多、精度低、计算量大的问题；通过建立精确的仿真机器人模型，可以降低机器人的开发成本，减少机器人的开发周期，并且仿真平台可以更加直观的反应机器人的参数信息，使算法开发更加便捷；通过偏差校准算法，可以在实物与仿真出现较大偏差时主动停止程序，防止对机器人造成破坏；在完成四足机器人建模的同时叶建立了四足机器人遥操作控制平台，节省了机器人控制软件的开发。
[0058]
本发明能够应用在四足机器人的仿真与建模、四足机器人的遥操作控制、四足机器人的算法开发等领域。具备的功能有：具有建立四足机器人高精度仿真模型的能力；具有仿真到实物快速算法迁移的能力；具有精确模拟机器人电机输入输出关系的能力；具有仿真与实体机器人仿真参数差距较大时自动断电保护的功能；具备在软件平台进行算法仿真的能力；具有四足机器人的遥操作控制能力。
[0059]
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，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。