一种多功能腿轮复合机器人及其多运动模式智能切换方法
【专利摘要】本发明公开了一种多功能腿轮复合机器人及其多运动模式智能切换方法，属于机器人【技术领域】。所述方法首先进行机器人所在位置的地形特征提取；然后确定每种运动模式的地形适应能力并进行排序；确定每种运动模式的地形适应性指标和综合适应性指标，对综合适应性指标进行修正得到最佳运动模式，最后进行运动模式切换。本发明提供的多运动模式智能切换方法，融合了不同的传感器信息，全面的提取了制约不同运动模式的环境几何和物理特征，同时综合考虑了不同运动模式之间的切换代价及速度、稳定性偏重需求；切换方法快速，简便，避免了轮式运动时陷入的可能性及腿式行走能量的浪费，指导实现机器人在复杂环境中的快速稳定的运动。
【专利说明】一种多功能腿轮复合机器人及其多运动模式智能切换方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机器人【技术领域】，涉及一种具有多功能腿轮复合机器人及多运动模式智能切换方法。
【背景技术】
[0002]腿式机器人可通过泥泞路面、崎岖山地等复杂环境，具有较强的环境适应能力，但是具有控制困难，能耗高等缺点。轮式机器人可以快速，高效地通过平坦路面，但是其越障能力较差。轮、腿运动模式的结合为机器人运动带来新的便利，但实际运动中腿式行走和轮式运动之间相互影响，限制了机器人运动的速度及稳定性。探索更好的腿、轮运动结合方式，设计腿、轮分离运动的机构是当前需要解决的问题。
[0003]移动机器人研究中，机器人大多只具有单一运动模式，限制了其应用范围。移动机器人运动模式由单一化向多样化发展是移动机器人的一个发展趋势。设计具有多种运动模式的六足机器人及多运动模式间的智能切换方法是当前需要解决的问题。
【发明内容】
[0004]本发明为实现在复杂环境中快速、稳定运动，避免腿式和轮式运动相互影响，提供一种多功能腿轮复合机器人，并提供一种自主分析识别环境，智能决策多运动模式切换的方法。
[0005]本发明首先提供一种多功能腿轮复合机器人，所述的腿轮复合机器人在本体周围均匀设置六条腿，所述六条腿呈圆周对称分布，每条腿包括髋部、大腿和小腿三段。本发明中将小腿设置为向内弯曲形状，并在弯曲处设置轮子，在小腿足端设置触力传感器，在小腿上还设置有红外测距传感器。在机器人本体上安装双目立体摄像机。
[0006]基于上述的多功能腿轮复合机器人，本发明还提供一种所述的多功能腿轮复合机器人多运动模式智能切换方法包括如下步骤:
[0007]第一步，进行机器人所在位置的地形特征提取；
[0008]第二步，确定每种运动模式的地形适应能力，并进行排序；所述的地形适应能力包括坡面稳定性、越障能力和陷入性；
[0009]第三步，确定每种运动模式的地形适应性指标；
[0010]第四步，确定每种运动模式的综合适应性指标；对于每种运动模式，分别取其地形适应性指标的最大值及平均值作为该运动模式综合适应性评价指标；
[0011]第五步，对综合适应性指标进行修正，决策得到最佳运动模式；
[0012]第六步，根据最佳运动模式进行运动模式切换；所述的运动模式包括轮式、仿哺乳动物、仿昆虫和混合模式；所述的运动模式切换包括仿哺乳动物行走与轮式运动模式相互切换、仿昆虫行走与轮式运动相互切换、混合行走模式与轮式运动相互切换、仿哺乳动物行走与仿昆虫行走相互切换、仿哺乳动物行走与混合模式行走相互切换、混合模式行走与仿昆虫行走相互切换。[0013]本发明的优点在于:
[0014](1)本发明提供的多功能腿轮复合机器人采用半球形保护罩，在相同体积下具有更大的表面积，其表面可覆盖更多太阳能电池，同时为机器人的传感器、处理器等内部系统提供了更好的保护。圆周对称的腿分布使机器人可实现多种运动方式，同时可以实现零半径转弯。特殊的腿轮机构设计满足轮式运动和腿式行走各自特定构型，且切换方便，同时避免了轮子安置在足端或膝关节处造成机器人轮式运动和腿式运动之间的相互干扰。双目立体摄像机平时隐藏于机器人的半球形保护罩内，探测时通过桅杆伸出，减少贵重传感器的损耗，桅杆顶部的云台具有三个自由度，可实现多个视角测量且保持稳定，通过多个传感器的融合，可完成地图构建及地形硬度测试。
[0015](2)本发明提供的多运动模式智能切换方法，融合了不同的传感器信息，全面的提取了制约不同运动模式的环境几何和物理特征，同时综合考虑了不同运动模式之间的切换代价及速度、稳定性偏重需求。提出的综合适应性评价指标计算快，形式简单，能较好反映出不同运动模式对环境的适应性。提供的不同运动模式之间的切换方法快速，简便。通过该智能切换方法机器人可以快速决策并切换至最适宜当前环境的运动模式，避免了轮式运动时陷入的可能性及腿式行走能量的浪费，指导实现机器人在复杂环境中的快速稳定的运动。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1A为本发明提供的多功能复合腿轮机器人的结构示意图；
[0017]图1B为本发明中提供的多功能复合腿轮机器人的单腿结构示意图；
[0018]图2为本发明中地图构建DEM图；
[0019]图3A为本发明中轮式运动时机器人硬度测试构型示意图；
[0020]图3B为本发明中腿式运动时机器人硬度测试构型示意图；
[0021]图4A~4D为本发明中多功能腿轮复合机器人四种运动模式示意图，依次为仿哺乳动物行走模式、仿昆虫行走模式、混合行走模式和轮式运动模式；
[0022]图5为轮式运动与仿昆虫、仿哺乳动物运动运动模式相互切换示意图；
[0023]图6为轮式运动与混合运动模式相互切换示意图；
[0024]图7为本发明提供的智能切换方法流程图。
[0025]图中:
[0026]1.主体； 2.半球形保护罩； 3.腿； 4.轮子； 5.触力传感器；
[0027]6.红外测距传感器；7.双目立体摄像机；8.云台；9.髋部；10.大腿；
[0028]11.小腿；12.髋部舵机；13.大腿舵机；14.小腿舵机；15.轮驱动舵机；
[0029]16.髋部舵机输出轴；17.大腿舵机输出轴；
[0030]18.小腿舵机输出轴；19.轮驱动舵机输出轴；
[0031]301.腿 A ；302.腿 B ； 303.腿 C; 304.腿 D; 305 ;腿 E ;
[0032]306.腿 F。401.轮 A ； 402.轮B; 403.轮C; 404.轮D;
[0033]405.轮 E ；406.轮 F ；
【具体实施方式】[0034]下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0035]本发明提供一种多功能复合腿轮机器人，如图1所示，所述的机器人包括半球形保护罩2和本体1，本体I上四周均匀设置有六条相同腿轮复合结构的腿3，所述腿3如图1B所示，包括髋部9、大腿10和小腿11三段，其中在小腿11中部弯曲处设置有轮子4。所述机器人还包括用于地形检测的双目立体摄像机7 (Point Grey公司的Bumblebee?), IMU(XSENS MT1-100)和小腿部足底安装的触力传感器5 (FSR4020.5)及小腿上装置的红外测距传感器6(SHARP GP2D12)。所述半球形保护罩2为铝合金结构，上方具有观察孔，半球形保护罩表面覆盖太阳能电池。
[0036]所述机器人本体I为圆盘状结构，本体I与半球形保护罩2之间通过六个螺栓连接。六条腿3沿着机器人主体I呈圆周对称分布。所述机器人的每条腿3上髋部9、大腿10和小腿11三段腿的长度比例为1:9:10。所述髋部9通过髋横摆关节与本体I连接，通过髋纵摆关节与大腿10连接，所述大腿10通过膝关节与小腿11连接；所述的髋部9的根部连接有用于驱动髋部9相对于本体I横摆的髋部舵机12，所述的髋部舵机12的输出轴16与本体I固定连接。
[0037]所述的髋部9前端连接有用于驱动大腿10相对于本体I纵摆的大腿舵机13，所述的大腿10与大腿舵机13的输出轴17固定连接。
[0038]所述的小腿11上连接有用于驱动小腿伸展、收拢的小腿舵机14，所述的大腿10与小腿舵机14的输出轴18固定连接。所述小腿11为弯曲形状，弯曲夹角为165度，向本体I方向弯曲。所述的小腿11弯曲处固定有360°转动舵机15，舵机15的输出轴19通过花键直接连接轮子4，用于驱动轮子4转动。
[0039]所述双目立体摄 像机7安装在半球形保护罩2内部可升降的云台8上，可通过半球形保护罩2顶部设置的观察孔伸出进行探测，云台8具有三自由度。
[0040]所述红外测距传感器6设置在足底和轮子4中间位置的小腿11上，一般选取距离足底5cm的位置，通过两个螺钉与小腿11连接。所述红外测距传感器6用于测量地面与红外测距传感器6间距离，间接计算足底与地面间的距离。
[0041]所述触力传感器5安置于足底，通过粘胶粘贴于橡胶材质的足底上，用于测量作用在机器人足底的接触压力。
[0042]本发明提供的多功能轮腿复合机器人具有多种运动模式，具体的可分为轮式运动和腿式行走，其中腿式行走又可分为仿哺乳动物方式行走、仿昆虫方式行走、混合方式行走等。不同模式的运动具有各自特点及适宜的环境，本发明中通过双目立体摄像头、触力传感器和红外测距传感器采集的数据信息，对所处的地形环境进行建模，提取制约不同运动模式的关键特征(几何特征及物理硬度特征)，分析对比各运动模式的环境适应性，同时考虑不同运动模式之间的切换代价及速度、稳定性偏重需求，综合决策地图上不同位置的适宜运动模式，并提供了不同运动模式之间的切换方法，为实现机器人的快速、稳定运动提供了一种有效方法。
[0043]本发明中提供的多运动模式智能切换方法，如图7所示，具体通过如下步骤实现:
[0044]第一步，地图构建及制约运动的地形特征提取；
[0045]通过双目立体摄像头7，采用成熟的算法(如SLAM算法，见参考文献[I]:A.J.Davison, ^Real-time simultaneous localisation and mapping with a singlecamera, 〃in Computer Vision,2003.Proceedings.Ninth IEEE InternationalConference on, 2003, pp.1403-1410.)进行地图构建,得到机器人所处一定区域内的地形高程点阵云(DEM图)，如图2所示，按照分辨率要求对该DEM图重新栅格化，这里设置栅格的大小为2cmX 2cm，建立固定于机器人本体中心机器人坐标系Σκ世界坐标系(Xi, Yj)代表世界坐标系Se中X-Y平面上的一个栅格，Zij = f(Xi； Yj)代表栅格(Xi, Yj)对应的高程值。将机器人在世界坐标系Se的X-Y平面内投影，假设机器人中心投影位于栅格(XyYj)内部，将最小包络机器人投影的栅格区域([Xi_n，xi+n], [yj-ffl, yJ+ffl])作为一个投影区块，根据该投影区块及机器人沿运动方向移动一个栅格后投影区块的地形特征，决策相应的最适宜运动模式，即为栅格(Xi,Yj)的最适宜运动模式。定义机器人中心在世界坐标系Se中坐标为/?g(x,y,z)。
[0046]所述的地形特征包括坡度、越障高度、纹理和刚度，具体提取方法如下:
[0047]1、坡度:拟合机器人不同运动模式时的滚转角和俯仰角，具体分析步骤如下，
[0048]机器人坐标系Σκ与世界坐标系Se之间的位姿变换关系可以通过齐次矩阵TeK表
示:
[0049]
【权利要求】
1.一种多功能腿轮复合机器人的多运动模式智能切换方法，其特征在于，包括如下步骤: 第一步，进行机器人所在位置的地形特征提取； 第二步，确定每种运动模式的地形适应能力，并进行排序；所述的地形适应能力包括坡面稳定性、越障能力和陷入性； 第三步，确定每种运动模式的地形适应性指标； 第四步，确定每种运动模式的综合适应性指标；对于每种运动模式，分别取其地形适应性指标的最大值及平均值作为该运动模式综合适应性指标的第一位和第二位； 第五步，对综合适应性指标进行修正，先比较不同运动模式之间综合适应性指标的第一位，选取第一位指标值最小的运动模式，如综合适应性指标第一位相等，再比较综合适应性指标的第二位，选取指标第二位中最小的为最佳运动模式，作为最终的最佳运动模式； 第六步，根据最佳运动模式进行运动模式切换；所述的运动模式包括轮式、仿哺乳动物、仿昆虫和混合模式；所述的运动模式切换包括仿哺乳动物行走与轮式运动模式相互切换、仿昆虫行走与轮式运动相互切换、混合行走模式与轮式运动相互切换、仿哺乳动物行走与仿昆虫行走相互切换、仿哺乳动物行走与混合模式行走相互切换、混合模式行走与仿昆虫行走相互切换。
2.根据权利要求1所述的一种多功能腿轮复合机器人的多运动模式智能切换方法，其特征在于:所述的地形特征提取包括坡度、越障高度、纹理和刚度特征提取，具体提取方法如下: (I)、坡度:拟合机器人不同运动模式时的滚转角和俯仰角，具体分析步骤如下， 机器人坐标系Σκ与世界坐标系Se之间的位姿变换关系通过齐次矩阵TeK表示:
3.根据权利要求1所述的一种多功能腿轮复合机器人的多运动模式智能切换方法，其特征在于:所述的坡面稳定性，当机器人具有最小安全能量稳定裕度时，四种运动模式机器人进行排序得: 对于俯仰角稳定性排序及俯仰角极限值: 仿哺乳动物运动(40° )>混合模式运动(30° )>轮式运动(25° )>仿昆虫运动(20。) 对于滚转角稳定性排序及滚转角极限值: 仿昆虫运动(40° )>混合模式运动(30° ) >仿哺乳动物运动(20° )~轮式运动(20。) 所述的越障能力，四种运动模式的排序为: 仿昆虫运动 > 混合模式运动 > 仿哺乳动物运动 > 轮式运动； 所述的陷入性通过接触压强的排序体现，具体排序为: 轮行模式~3+3步态>4+2步态>5+1步态。
4.根据权利要求1所述的一种多功能腿轮复合机器人的多运动模式智能切换方法，其特征在于:第三步中所述的每种模式的适应性指标，用下标wheel, mammal, insect, hybrid分别表示轮式运动、仿哺乳动物行走、仿昆虫行走、混合行走各个运动模式所对应的数据，具体为:越障适应性指标:
5.根据权利要求1所述的一种多功能腿轮复合机器人的多运动模式智能切换方法，其特征在于:综合适应性指标修正，包括切换代价修正、速度需求修正和稳定性需求修正，根据用户需求，在综合适应性指标的基础上加上相应的切换代价修正量、速度需求修正量和/或稳定性需求修正量，得到最佳运动模式。
6.根据权利要求1所述的一种多功能腿轮复合机器人的多运动模式智能切换方法，其特征在于:第六步中所述运动模式的切换，假设机器人本体四周均匀设置六条腿，分别为腿A、腿B、腿C、腿D、腿E和腿F，每条腿上分别具有轮A、轮B、轮C、轮D、轮E和轮F，具体切换方法如下: (1)、仿哺乳动物行走与轮式运动模式相互切换方法； 机器人从仿哺乳动物行走切换到轮式运动，机器人初始状态为仿哺乳动物行走模式，具体切换步骤如下: (1.1)腿B、D、F上大腿舵机驱动大腿向下纵摆、小腿舵机驱动小腿收拢至小腿与地面平行且小腿与本体距离为K ； (1.2)降低本体高度至轮B、D、F着地后，腿A、C、E上三个大腿舵机驱动大腿向上纵摆至最大值后，小腿舵机驱动小腿继续收拢至最小值，大腿舵机驱动大腿向下纵摆以及小腿舵机驱动小腿伸展至小腿与地面平行且小腿与本体距离为L，L〈K ； (1.3)腿B、D、F上三个大腿舵机驱动大腿向上纵摆，小腿舵机驱动小腿收缩至小腿与地面平行且小腿与本体距离为L，至此六个轮子完全与地面接触，机器人呈轮行状态； 机器人从轮式运动切换到仿哺乳动物行走模式，机器人初始状态为轮式运动模式，具体切换步骤如下: (1-1)腿B、D、F上三个大腿舵机驱动大腿纵摆，小腿舵机驱动小腿伸展，本体升高至与地面距离为K>L ； (1-2)腿A、C、E上三个小腿舵机驱动小腿收缩，大腿舵机驱动大腿伸展至各小腿与地面垂直后，大腿舵机驱动大腿向下纵摆至足底落地后继续支撑； (1-3)升高本体高度至H，腿B、D、F运动至相应立足点，六腿平行，机器人处于仿哺乳动物行走初始状态； (2)、仿昆虫行走与轮式运动相互切换方法； 机器人仿昆虫行走切换到轮式运动模式的方法与步骤(1.D~(1.3)仿哺乳动物行走切换到轮式运动的步骤一致； 机器人轮式运动切换到仿昆虫行走模式的步骤与步骤(1-1)~(1-3)轮式运动切换到仿哺乳动物行走的步骤一致； (3)、混合行走模式与轮式运动相互切换方法； 机器人从混合行走模式切换到轮式运动模式，机器人初始状态为混合行走模式，具体切换步骤如下: (3.1)腿B、D、F上三个髋部舵机驱动髋部横摆至与腿A平行，大腿舵机驱动大腿向下纵摆，小腿舵机驱动小腿收拢至小腿与地面平行且小腿与本体距离为K ； (3.2)降低本体高度至轮B、D、F着地后，腿A、C、E上三个小腿舵机驱动小腿继续收拢，髋部舵机驱动髋部横摆至与运动轴线平行后，大腿舵机驱动大腿向下纵摆以及小腿舵机驱动小腿伸展至小腿与地面平行且小腿与本体距离为L，L〈K ； (3.3)腿B、D、F上三个大腿舵机驱动大腿向上纵摆，小腿舵机驱动小腿伸展至小腿与地面平行且小腿与本体距离为L，至此六个轮子完全与地面接触，机器人呈轮行状态；机器人从轮式运动切换到混合行走模式，具体切换步骤如下: (3-1)腿B、D、F上三个大腿舵机驱动大腿向下纵摆，小腿舵机驱动小腿伸展，本体升高至与地面距离为K>L ； (3-2)腿A、C、E上三个小腿舵机驱动小腿收缩，大腿舵机驱动大腿向上纵摆至各小腿与地面垂直后，调节髋部舵机驱动髋部横摆，使腿A、C、E呈120°轴对称分布，然后大腿舵机驱动大腿向下纵摆至足底落地后继续支撑； (3-3)本体高度升高至H后，腿B、D、F运动至相应立足点，六腿呈轴对称分布，机器人处于混合行走模式初始状态； (4)、仿哺乳动物行走与仿昆虫行走相互切换方法； 仿哺乳动物行走与仿昆虫行走具有相同的初始姿态； 从仿哺乳动物行走模式切换至仿昆虫行走模式，假设此时腿B、D、F为摆动腿，腿A、C、E为支撑腿，具体切换步骤如下: (4.1)调整腿A、C、E支撑本体水平移动二分之一步幅； (4.2)调整腿B、腿D、腿F的落足点至与仿昆虫行走初始状态相同，此时机器人处于仿昆虫行走模式初始姿态，即可开始仿昆虫行走； 从仿昆虫行走模式切换至仿哺乳动物行走模式，假设此时腿B、腿D、腿F为摆动腿，腿A、腿C、腿E为支 撑腿，具体切换步骤如下: (4-1)调整腿AJi C、腿E支撑本体水平移动二分之一步幅； (4-2)调整腿B、腿D、腿F的落足点至与仿哺乳动物行走初始状态相同，此时机器人处于仿哺乳动物行走模式初始姿态，即可开始仿哺乳动物行走； (5)、仿哺乳动物行走与混合模式行走相互切换方法； 从仿哺乳动物行走模式切换至混合模式行走模式，假设腿AJi C、腿E为支撑腿，腿B、腿D、腿F为摆动腿，具体切换步骤如下: (5.1)调整摆动腿腿B、腿D、腿F上三个髋部舵机驱动髋部横摆，使其呈120°分布，着地后转换为支撑腿，本体高度为H ； (5.2)腿A、腿C、腿E转换为摆动腿，调整腿A、腿C、腿E上三个髋部舵机驱动髋部横摆至各腿呈圆周对称分布，此时机器人处于混合模式初始姿态，即可开始混合行走； 从混合模式行走模式切换至仿哺乳动物行走模式，假设腿AJi C、腿E为支撑腿，腿B、腿D腿F为摆动腿，具体切换步骤如下: (5-1)调整摆动腿腿B、腿D腿F上三个髋部舵机驱动髋部横摆，使其与腿平行，着地后转换为支撑腿； (5-2)腿AJi C、腿E转换为摆动腿，调整腿AJi C、腿E上三个髋部舵机驱动髋部横摆至各腿与腿A平行，此时机器人处于仿哺乳动物行走初始姿态，即可开始仿哺乳动物行走； (6)、混合模式行走与仿昆虫行走相互切换方法，同步骤(5.1)~(5.2)和步骤(5-1)~(5-2)。
7.根据权利要求1所述的一种多功能腿轮复合机器人的多运动模式智能切换方法，其特征在于:所述的多功能复合腿轮机器人，包括半球形保护罩和本体，本体为圆盘状结构，本体与半球形保护罩之间通过六个螺栓连接；本体上四周均匀设置有六条相同腿轮复合结构的腿，所述腿包括髋部、大腿和小腿三段，所述髋部通过髋横摆关节与本体连接，通过髋纵摆关节与大腿连接，所述大腿通过膝关节与小腿连接；所述小腿为弯曲形状，弯曲夹角为165度，向本体方向弯曲；在小腿弯曲处设置有轮子，所述机器人的足底安装的触力传感器，小腿上安装有红外测距传感器，所述半球形保护罩顶部具有观察孔，半球形保护罩表面覆盖太阳能电池，内部设置双目立体摄像机；所述的髋部的根部连接有用于驱动髋部相对于本体横摆的髋部舵机，所述的髋部舵机的输出轴与本体固定连接；所述的髋部前端连接有用于驱动大腿相对于本体纵摆的大腿舵机，所述的大腿与大腿舵机的输出轴固定连接；所述的小腿上连接有用于驱动小腿伸展、收拢的小腿舵机，所述的大腿与小腿舵机的输出轴固定连接；所述的小腿弯曲处固定有转动舵机，转动舵机的输出轴通过花键直接连接轮子，用于驱动轮子转动。
8.根据权利要求7所述的一种多功能腿轮复合机器人的多运动模式智能切换方法，其特征在于: 所述髋部、大腿和小腿三段腿的长度比例为1:9:10。
【文档编号】B62D57/028GK103786806SQ201410025261
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月20日 优先权日:2014年1月20日
【发明者】丁希仑, 杨帆, 徐坤, 彭赛金 申请人:北京航空航天大学