一种机器人地形处理与多地形步态控制方法及系统与流程

本发明涉及家用机器人技术领域，特别涉及一种机器人地形处理与多地形步态控制方法及系统。

背景技术：

步足机器人相较于传统可移动机器人的构型(如轮式)具有更好的多地形适应性，特别是因为其运动原理接近人类，其对于人类所生活的环境具有良好的适用性，但这一特点也就使其工作过程中面临众多的复杂环境。

目前已有的步行机器人地形感知系统大多基于激光雷达或图像识别等视觉处理技术，但这种地形感知系统仅能够对机器人整体运动轨迹进行规划，达到避障与最优路径选择的结果，无法准确的判断地形的精确结构，会使步行步态不能准确的适应地面结构，从而使机器人出现摔倒等情况。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种机器人地形处理与多地形步态控制方法，以实现对机器人足部落处地形与材质的识别，实现对机器人步态的准确调节，提高机器人在复杂地形的通过性。

本发明的第二个目的在于提供一种基于上述机器人地形处理与多地形步态控制方法的控制系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种机器人地形处理与多地形步态控制方法，包括步骤：

1)摆动相足部结构处于摆动相周期的顶点时，驱动摆动相足部结构进行预设角度的前后左右摆动；

2)采集摆动相足部结构摆动过程中倾角数据以及末端离地距离数据，进行逻辑运算后与预存基础数据进行比对分析，若测量数据合理，则进入步骤3)，若测量数据不合理，则调用数据库中的特殊地形机体运动程序；

3)对所述倾角数据以及所述末端离地距离数据进行分析处理，形成摆动相足部结构可能落下区域的地形高度图，对地形高度进行分析，确定对摆动相足部结构的步态算法的微调处理方法；

4)根据微调处理方法控制上述摆动相足部结构着地，同时控制支撑相足部结构微调机器人重心；

5)采集摆动相足部结构着地时的摩擦电信号以及压力信号，得出对地面材质的分析结果，同时采集支撑相足部结构的压力信号，分析支撑相足部结构的受力情况，将受力情况的分析结果与下一周期机器人运动计划比对，微调支撑相足部结构的重心控制；

6)将下一周期机器人运动计划与地面材质的分析结果以及支撑相足部结构的受力情况进行比对，微调下一周期机器人运动计划，微调支撑相足部结构变为摆动相时的运动步态；

7)控制支撑相足部结构离地变为摆动相，返回所述步骤1)。

优选地，所述步骤2)具体包括：

201)采集摆动相足部结构摆动过程中倾角数据以及末端离地距离数据，进行逻辑运算后与预存基础数据进行第一次比对分析，若测量数据合理，则进入步骤202)，若测量数据不合理，则返回所述步骤1)；

202)第二次采集摆动相足部结构摆动过程中倾角数据以及末端离地距离数据，若测量数据合理，则进入步骤3)，若测量数据不合理，则调用数据库中的特殊地形机体运动程序。

优选地，所述步骤3)具体包括：

301)对所述倾角数据以及所述末端离地距离数据进行分析处理，形成摆动相足部结构可能落下区域的地形高度图；

302)采集周围环境数据，对周围环境进行分析，根据预存地形数据库获得匹配的地形数据，结合地形数据对所述地形高度图进行分析，确定对摆动相足部结构的步态算法的微调处理方法。

优选地，所述步骤4)具体包括：

401)根据周围环境分析结果，对摆动相足部结构的步态算法的微调处理方法进行进一步调整，同时对支撑相足部结构的数据进行微调；

402)控制上述摆动相足部结构着地，同时控制支撑相足部结构微调机器人重心。

优选地，所述预设角度为15°。

一种基于如上任意一项所述的机器人地形处理与多地形步态控制方法的控制系统，包括在支撑相以及摆动相之间交替变化的多个足部结构，还包括：

用于驱动所述足部机构前后、左右摆动的舵机系统；

用于测量所述足部结构倾角的陀螺仪传感器；

用于测量所述足部结构末端离地距离的测距传感器、用于测量所述足部结构与地面接触的摩擦电信号的摩擦电传感器以及用于测量所述足部结构与地面接触的压力信号的压力传感器，所述测距传感器、摩擦电传感器以及压力传感器设置于所述足部结构用于触地的端部；

主控系统、足部地形处理系统、地形匹配系统以及运动控制系统，所述主控系统分别与所述足部地形处理系统以及所述运动控制系统通信连接，所述地形匹配系统与所述足部地形处理系统通信连接，所述运动控制系统与所述舵机系统通信连接，所述陀螺仪传感器、所述测距传感器、所述摩擦电传感器以及所述压力传感器均分别与所述足部地形处理系统通信连接；所述足部地形处理系统用于对所述陀螺仪传感器、所述测距传感器、所述摩擦电传感器以及所述压力传感器采集的数据进行分析处理；所述地形匹配系统用于将所述足部地形处理系统提供的数据与预存地形数据库进行比对并获得匹配的地形数据；所述主控系统根据所述足部地形处理系统以及所述地形匹配系统的分析结果通过所述运动控制系统控制所述舵机系统带动所述足部结构动作。

优选地，还包括环境分析系统，所述环境分析系统与环境数据采集装置通信连接，所述地形匹配系统以及所述主控系统分别与所述环境分析系统通信连接。

优选地，所述环境数据采集装置至少包括激光雷达以及摄像头。

优选地，所述测距传感器设置有多个且各个所述测距传感器绕所述足部机构末端的边缘阵列分布。

优选地，所述摩擦电传感器以及所述压力传感器分别设置有多个，且各个所述摩擦电传感器以及各个所述压力传感器在各个所述测距传感器的阵列内呈矩阵排列。

为达到上述第一个目的，本发明提供了一种机器人地形处理与多地形步态控制方法，包括步骤：1)摆动相足部结构处于摆动相周期的顶点时，驱动摆动相足部结构进行预设角度的前后左右摆动；2)采集摆动相足部结构摆动过程中倾角数据以及末端离地距离数据，进行逻辑运算后与预存基础数据进行比对分析，若测量数据合理，则进入步骤3)，若测量数据不合理，则调用数据库中的特殊地形机体运动程序；3)对倾角数据以及末端离地距离数据进行分析处理，形成摆动相足部结构可能落下区域的地形高度图，对地形高度进行分析，确定对摆动相足部结构的步态算法的微调处理方法；4)根据微调处理方法控制上述摆动相足部结构着地，同时控制支撑相足部结构微调机器人重心；5)采集摆动相足部结构着地时的摩擦电信号以及压力信号，得出对地面材质的分析结果，同时采集支撑相足部结构的压力信号，分析支撑相足部结构的受力情况，将受力情况的分析结果与下一周期机器人运动计划比对，微调支撑相足部结构的重心控制；6)将下一周期机器人运动计划与地面材质的分析结果以及支撑相足部结构的受力情况进行比对，微调下一周期机器人运动计划，微调支撑相足部结构变为摆动相时的运动步态；7)控制支撑相足部结构离地变为摆动相，返回步骤1)。

为达到上述第二个目的，本发明还提供了一种用于实现上述机器人地形处理与多地形步态控制方法的控制系统，该系统包括足部结构、舵机系统、陀螺仪传感器、测距传感器、摩擦电传感器、压力传感器、主控系统、足部地形处理系统、地形匹配系统以及运动控制系统，其中，多个足部结构能够在支撑相以及摆动相之间交替变化；舵机系统用于驱动足部机构前后、左右摆动；陀螺仪传感器用于测量足部结构倾角；测距传感器用于测量足部结构末端离地距离，摩擦电传感器用于测量足部结构与地面接触的摩擦电信号，压力传感器用于测量足部结构与地面接触的压力信号，测距传感器、摩擦电传感器以及压力传感器设置于足部结构用于触地的端部；主控系统分别与足部地形处理系统以及运动控制系统通信连接，地形匹配系统与足部地形处理系统通信连接，运动控制系统与舵机系统通信连接，陀螺仪传感器、测距传感器、摩擦电传感器以及压力传感器均分别与足部地形处理系统通信连接；足部地形处理系统用于对陀螺仪传感器、测距传感器、摩擦电传感器以及压力传感器采集的数据进行分析处理；地形匹配系统用于将足部地形处理系统提供的数据与预存地形数据库进行比对并获得匹配的地形数据；主控系统根据足部地形处理系统以及地形匹配系统的分析结果通过运动控制系统控制舵机系统带动足部结构动作；

综上所述，上述控制方法以及系统通过测距传感器，实现摆动相足部结构落下前的地形预判，提供摆动相足部结构落地前步态调节的参考数据，对落地时步态进行实时调整，通过压力传感器以及摩擦电传感器，实现摆动相足部结构落地后的地形材质判断，从而实现摆动相足部结构以及支撑相足部结构下一步步态调整和机器人整体重心的调节，由此可见，上述的控制方法以及系统能够精确地对足部结构所触及的地形及材质进行识别，同时可根据识别结果对机器人步态进行精确控制，达到提高机器人在复杂地形的通过性的目的。

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为本发明一种实施例提供的机器人地形处理与多地形步态控制方法的流程图；

图2为本发明另一种实施例提供的机器人地形处理与多地形步态控制方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的机器人地形处理与多地形步态控制系统的结构图。

具体实施方式

本发明的第一个目的在于提供一种机器人地形处理与多地形步态控制方法，该机器人地形处理与多地形步态控制方法能够对机器人足部落处地形与材质进行识别，实现对机器人步态的准确调节，提高机器人在复杂地形的通过性。

本发明的第二个目的在于提供一种基于上述机器人地形处理与多地形步态控制方法的控制系统。

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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明一种实施例提供的机器人地形处理与多地形步态控制方法的流程图。

本发明实施例提供的一种机器人地形处理与多地形步态控制系统，包括步骤：

S100：摆动相足部结构处于摆动相周期的顶点时，驱动摆动相足部结构进行预设角度的前后左右摆动；

步足机器人包括多个足部结构，各个足部结构在摆动相以及支撑相之间交替变换实现步足机器人的移动，本方法以足部结构处于摆动相的顶点时作为初始状态。

S200：采集摆动相足部结构摆动过程中倾角数据以及末端离地距离数据，进行逻辑运算后与预存基础数据进行比对分析，若测量数据合理，则进入步骤S300，若测量数据不合理，则调用数据库中的特殊地形机体运动程序；

此步骤主要目的是检查机器人足部落地点是否存在特殊情况，比如当如测出距离高于此时足部与地面的距离，检测数据不连续等情况可能分别对应的是楼梯台阶或足部结构将落下位置具有正在移动对物体，此时必须要使用特殊地形的运动模式。

S300：对倾角数据以及末端离地距离数据进行分析处理，形成摆动相足部结构可能落下区域的地形高度图，对地形高度进行分析，确定对摆动相足部结构的步态算法的微调处理方法；

若机器人没有处于特殊地形，则此时可对落脚点的地形进行分析，得出地形高度图，并根据地形高度图对摆动相足部结构的预设步态进行微调，预设步态是机器人在平面上的移动步态。

S400：根据微调处理方法控制上述摆动相足部结构着地，同时控制支撑相足部结构微调机器人重心；

为保证摆动相足部结构着地后，机器人依然能够保持稳定，必须同时对机器人的重心进行调整。

S500：采集摆动相足部结构着地时的摩擦电信号以及压力信号，得出对地面材质的分析结果，同时采集支撑相足部结构的压力信号，分析支撑相足部结构的受力情况，将受力情况的分析结果与下一周期机器人运动计划比对，微调支撑相足部结构的重心控制；

S600：将下一周期机器人运动计划与地面材质的分析结果以及支撑相足部结构的受力情况进行比对，微调下一周期机器人运动计划，微调支撑相足部结构变为摆动相时的运动步态；

S700：控制支撑相足部结构离地变为摆动相，返回步骤S100。

与现有技术相比，本发明提供的机器人地形处理与多地形步态控制方法能够实现对摆动相足部结构落下前的地形预判，提供摆动相足部结构落地前步态调节的参考数据，对落地时步态进行实时调整，并且在摆动相足部结构落地后进行地面材质判断，从而实现摆动相足部结构以及支撑相足部结构下一步步态调整和机器人整体重心的调节，由此可见，上述的控制方法能够实现对足部结构所触及的地形及材质进行识别，同时可根据识别结果对机器人步态进行精确控制，达到提高机器人在复杂地形的通过性的目的。

进一步优化上述技术方案，为避免出现误判，如图2所示，图2为本发明另一种实施例提供的机器人地形处理与多地形步态控制方法的流程图，上述步骤S200具体包括：

S201：采集摆动相足部结构摆动过程中倾角数据以及末端离地距离数据，进行逻辑运算后与预存基础数据进行第一次比对分析，若测量数据合理，则进入步骤202)，若测量数据不合理，则返回步骤S100；

S202：第二次采集摆动相足部结构摆动过程中倾角数据以及末端离地距离数据，若测量数据合理，则进入步骤S300，若测量数据不合理，则调用数据库中的特殊地形机体运动程序。

即在第一次出现数据不合理时，不是直接调用特殊地形机体运动程序，而使再返回S100进行二次测量，两次测量数据均不合理时才调用特殊地形机体运动程序，避免误判的发生。

较优地，为提高地形分析的准确性，最好能够利用周围环境信息进行综合判断，具体地，在本发明实施例中，步骤S300具体包括：

S301：对倾角数据以及末端离地距离数据进行分析处理，形成摆动相足部结构可能落下区域的地形高度图；

S302：采集周围环境数据，对周围环境进行分析，根据预存地形数据库获得匹配的地形数据，结合地形数据对地形高度图进行分析，确定对摆动相足部结构的步态算法的微调处理方法。

这样，通过对足下地形以及周围环境的综合分析，能够得到更为准确的地形分析结果，提高步态控制的精度。

作为优选地，步骤S400具体包括：

S401：根据周围环境分析结果，对摆动相足部结构的步态算法的微调处理方法进行进一步调整，同时对支撑相足部结构的数据进行微调；

S402：控制上述摆动相足部结构着地，同时控制支撑相足部结构微调机器人重心。

作为优选地，摆动相足部结构进行前后左右摆动的预设角度为15°，当然，15°仅仅是本发明实施例提供的一种优选实施方案，实际并不局限于15°，本领域技术人员可以根据需要进行调整。

进一步地，如图3所示，本发明还提供了一种基于如上任意实施例所述的机器人地形处理与多地形步态控制方法的控制系统，该控制系统包括足部结构、舵机系统、陀螺仪传感器、测距传感器、摩擦电传感器、压力传感器、主控系统、足部地形处理系统、地形匹配系统以及运动控制系统。

其中，多个足部结构能够在支撑相以及摆动相之间交替变化；舵机系统用于驱动足部机构前后、左右摆动；陀螺仪传感器用于测量足部结构倾角；测距传感器用于测量足部结构末端离地距离，摩擦电传感器用于测量足部结构与地面接触的摩擦电信号，压力传感器用于测量足部结构与地面接触的压力信号，测距传感器、摩擦电传感器以及压力传感器设置于足部结构用于触地的端部；主控系统分别与足部地形处理系统以及运动控制系统通信连接，地形匹配系统与足部地形处理系统通信连接，运动控制系统与舵机系统通信连接，陀螺仪传感器、测距传感器、摩擦电传感器以及压力传感器均分别与足部地形处理系统通信连接；足部地形处理系统用于对陀螺仪传感器、测距传感器、摩擦电传感器以及压力传感器采集的数据进行分析处理；地形匹配系统用于将足部地形处理系统提供的数据与预存地形数据库进行比对并获得匹配的地形数据；主控系统根据足部地形处理系统以及地形匹配系统的分析结果通过运动控制系统控制舵机系统带动足部结构动作。

进一步优化上述技术方案，该控制系统还包括环境分析系统，环境分析系统与环境数据采集装置通信连接，地形匹配系统以及主控系统分别与环境分析系统通信连接。

作为优选地，环境数据采集装置至少包括激光雷达以及摄像头。

作为优选地，测距传感器设置有多个且各个测距传感器绕足部机构末端的边缘阵列分布。

作为优选地，摩擦电传感器以及压力传感器分别设置有多个，且各个摩擦电传感器以及各个压力传感器在各个测距传感器的阵列内呈矩阵排列。

具体地，在本发明实施例中，测距传感器设置有6个，摩擦电传感器以及压力传感器分别设置有4个。

结合上述控制方法和控制系统，本发明给出一种具体实施例。

在摆动相足部结构位于整个摆动周期的顶点时，即整个系统的运行初始状态时，摆动相足部结构在舵机系统的驱动下运行一次前后倾角各为15°，左右倾角各为15°的侧摆与前后摆动运动，使足部结构末端的六个测距传感器配合足部结构安装的陀螺仪传感器进行地形状态分析；

将每次测距时的足部结构末端离地距离与每次测距时陀螺仪传感器的数据传回至足部地形处理系统，首先进行第一次逻辑运算，若数值溢出或数据收集出现不合理，则足部地形处理系统与主控系统通信，要求回到上一步骤，再执行一次该足部结构的前后左右摆动，并进行第二次逻辑运算，若侦测到测距数据具有不合理性，如测出距离高于此时摆动相足部结构与地面的距离，检测数据不连续等情况，直接将数据通过主控系统与环境分析系统交流，两者进行数据比对，判断足部是否处于特殊环境(如楼梯或足部将落下位置具有正在移动对物体)，调用环境分析系统数据库中的特殊地形机体运动程序；

足部地形处理系统经以上两次比对，认定数据合理，不需要重新测量数据与调用环境分析系统的数据库后，将测距传感器的测距数据与每次测距时陀螺仪传感器的数据进行分析处理，形成足部可能落下区域的地形高度图，发送至地形匹配系统；

地形匹配系统收到地形高度图后，首先接受上层环境分析系统的数据，利用环境分析系统通过其他传感器(激光雷达或者摄像头)的数据在地形数据库内寻找匹配的地形数据，然后对地形高度图进行分析，确定对摆动相足部结构的步态算法的微调处理方法。

将微调处理方法发送至主控系统，主控系统调用环境分析系统中对机器人所处环境的分析数据，对微调方法进行进一步调整。同时调用环境分析系统中对机器人所处环境的分析数据，对支撑相足部结构数据进行微调。从主控系统中将上述摆动相足部结构以及支撑相足部结构的控制数据发送至运动控制系统。

运动控制系统进行运动控制，支撑相足部结构根据微调数据结合原始步态程序微调机器人重心，摆动相足部结构根据微调数据着地；

着地后，摆动相足部结构上安装的摩擦电传感器与压力传感器传送数据至足部地形处理系统，足部地形处理系统与地形匹配系统通信，调用上层环境分析系统对地形的初步分类，将数据发送至足部地形处理系统，结合传感器数据得出对地面材质的分析结果，同时在足部地形处理系统中单独调用支撑相足部结构的压力传感器数值，分析支撑相足部结构的各自受力情况，将受力情况处理后发送至主控系统，与下一个周期机器人运动计划比对，获得各支撑相足部结构微调数据，并发送至运动控制系统。

主控系统将下一周期机器人运动计划与足部地形处理系统分析的地表材质以及支撑相足部结构受力数据相比对，微调下一周期机器人运动计划中支撑相足部结构变为摆动相时的运动步态，并将该步态数据发送至运动控制系统。

最后，运动控制系统控制支撑相足部结构离地，支撑相转变为摆动相，返回最初步骤，进行下一个循环。

综上所述，本发明实施例提供的控制方法在控制逻辑上仿造了人类运动中对地形的处理逻辑，即通过以环境的判断作为上位控制单元，以足底触感为辅助控制单元，利用仿生学，模仿仿生模板即哺乳动物神经的分层调节，在控制系统构造上仿造了人类的神经分级调节系统，对识别系统进行了分层，根据传感器数值结果，数据处理单元分层进行处理，三层处理单元分别为足部地形处理系统、地形匹配系统层，环境分析系统层，控制系统的分层控制提高了分析系统的精确度，鲁棒性，使足部结构着地点的微地形分析与机器人所处大环境地形分析并行进行，提高分析的精确度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。