一种四足机器人运动控制方法、系统及机器人与流程

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种四足机器人运动控制方法、系统及机器人。

背景技术：

随着机器人应用的普及，各种领域都有了机器人的身影。人们利用仿生学原理提出了足式行走机器人，包括仿人形状的两足机器人和仿其他生物的四足机器人，四足机器人的稳定性高于两足机器人，更适合在复杂路况的环境中工作。

目前，国内外四足机器人的转向主要是基于爬行步态的，通过机械腿的侧摆实现转向。但是这种转向方式不够灵活，转向时需要先降低速度，完成转向后才能正常行进，无法在不影响正常行进速度的前提下完成转向。

技术实现要素：

针对现有四足机器人行走机构无法在快速行驶速度下转弯的技术问题，本发明提供一种四足机器人运动控制方法、系统及机器人，以解决现有四足机器人无法在正常行驶状态下完成转弯的技术问题。

第一方面，本发明提供一种四足机器人运动控制方法，包括：

采集路况信息；

将四条机械腿划分为两组对角机械腿；

根据路况信息计算旋转半径；

根据所述旋转半径和机器人机身参数分别计算两组对角机械腿的运动参数；

控制两组对角机械腿按照各自的运动参数交替摆动行进。

进一步的，所述根据路况信息计算旋转半径包括：

获取弯路内径rx；

获取弯路路宽w；

设置第一标准旋转半径r1和对应的第一标准外径rx1和第二标准路宽w1；

设置第二标准旋转半径r2和对应的第二标准外径rx2和第二标准路宽w2；

利用公式计算旋转半径第一估算值；

利用公式计算旋转半径第二估算值；

比较第一估算值和第二估算值并将较小估算值作为旋转半径取值。

进一步的，所述根据所述旋转半径、机器人机身参数和旋转角度分别计算两组对角机械腿的运动参数包括：

根据旋转半径和机身对角线确定机器人机械腿的旋转中心；

设置机器人旋转角度阈值；

根据机器人机械腿最大步幅计算机器人最大旋转角度；

根据旋转角度阈值和机器人最大旋转角度确定机器人旋转角度；

根据机器人旋转角度计算机械腿旋转角度；

根据机器人旋转角度、旋转半径和机器人机身参数分别计算同组两条机械腿的步幅。

进一步的，所述方法还包括：

获取当前路线坡度；

根据前后着力点距离、机械腿高度调节腿长度和所述坡度计算保持机器人机身水平状态所需的低位机械腿高度调节腿的展开角度；

根据所述展开角度控制低位机械腿高度。

进一步的，所述方法还包括：

采集障碍物宽度和高度；

根据障碍物宽度和高度选择机器人跨越模式：

若选择高度模式，则控制四条机械腿的高度调节腿均旋转至竖直状态；

若选择宽度模式，则控制前机械腿高度调节腿向前旋转至与机身平行且控制后机械腿高度调节腿向后旋转至与机身平行。

第二方面，本发明提供一种四足机器人运动控制装置，包括：

路线采集单元，配置用于采集路况信息；

四足分组单元，配置用于将四条机械腿划分为两组对角机械腿；

旋转计算单元，配置用于根据路况信息计算旋转半径；

参数计算单元，配置用于根据所述旋转半径和机器人机身参数分别计算两组对角机械腿的运动参数；

运动执行单元，配置用于控制两组对角机械腿按照各自的运动参数交替摆动行进。

进一步的，旋转计算单元包括：

外径获取模块，配置用于获取弯路内径rx；

路宽获取模块，配置用于获取弯路路宽w；

第一标准模块，配置用于设置第一标准旋转半径r1和对应的第一标准外径rx1和第二标准路宽w1；

第二标准模块，配置用于设置第二标准旋转半径r2和对应的第二标准外径rx2和第二标准路宽w2；

第一估算模块，配置用于利用公式计算旋转半径第一估算值；

第二估算模块，配置用于利用公式计算旋转半径第二估算值；

半径确定模块，配置用于比较第一估算值和第二估算值并将较小估算值作为旋转半径取值。

进一步的，参数计算单元包括：

中心确定模块，配置用于根据旋转半径和机身对角线确定机器人机械腿的旋转中心；

阈值设置模块，配置用于设置机器人旋转角度阈值；

角度计算模块，配置用于根据机器人机械腿最大步幅计算机器人最大旋转角度；

角度确定模块，配置用于根据旋转角度阈值和机器人最大旋转角度确定机器人旋转角度；

旋转计算模块，配置用于根据机器人旋转角度计算机械腿旋转角度；

步幅计算模块，配置用于根据机器人旋转角度、旋转半径和机器人机身参数分别计算同组两条机械腿的步幅。

进一步的，还包括：

坡度获取单元，配置用于获取当前路线坡度；

水平保持单元，配置用于根据前后着力点距离、机械腿高度调节腿长度和所述坡度计算保持机器人机身水平状态所需的低位机械腿高度调节腿的展开角度；

低位调节单元，配置用于根据所述展开角度控制低位机械腿高度。

进一步的，还包括：

障碍采集单元，配置用于采集障碍物宽度和高度；

模式选择单元，配置用于根据障碍物宽度和高度选择机器人跨越模式；

高度调节单元，配置用于控制四条机械腿的高度调节腿均旋转至竖直状态；

宽度调节单元，配置用于控制前机械腿高度调节腿向前旋转至与机身平行且控制后机械腿高度调节腿向后旋转至与机身平行。

第三方面，本发明提供一种四足机器人，包括：机身、四条机械腿和如控制设备，所述控制设备可以实施第一方面提供的控制方法，所述四条机械腿均与机身活动连接；所述四条机械腿的执行执行驱动均与控制设备电连接。

其中，机械腿包括：转向腿、高度调节腿、大腿、和小腿，所述转向腿通过转向关节与机身活动连接；所述高度调节腿通过高度调节关节与转向腿活动连接；所述大腿的一端通过髋关节与高度调节腿活动连接，大腿另一端通过膝关节与小腿活动连接；其中转向关节可沿轴向自由旋转；所述高度调节关节、髋关节和膝关节在同一平面内转动。

本发明的有益效果在于，

本发明提供的四足机器人运动控制方法、装置、终端及存储介质，通过将机器人的四条机械腿按对角线分为两组对角机械腿(在同一对角线上的两条机械腿为一组)，并采集路况信息，然后根据路况信息计算旋转半径并根据所述旋转半径和机器人机身参数分别计算两组对角机械腿的运动参数，通过控制两组对角机械腿按照各自的运动参数交替摆动行进，从而实现灵活转弯。本发明通过仿生动物的对角小跑步态实现四足机器人的快速转弯，使四足机器人能够在医疗救护、野外作业、军事等领域发挥重要作用。

此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

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，对于本领域普通技术人员而言，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是本发明一个实施例的方法的示意性流程图。

图2是本发明一个实施例的方法的计算原理图。

图3是本发明一个实施例的方法的计算原理示意图。

图4是本发明一个实施例的方法的旋转效果示意图。

图5是本发明一个实施例的方法的旋转效果示意图。

图6是本发明一个实施例的方法的旋转效果示意图。

图7是本发明一个实施例的方法的旋转效果示意图。

图8是本发明实施例提供的一种四足机器人的机械腿的结构示意图。

其中，1、转动关节；2、转动腿；3、高度调节关节；4、高度调节腿；5、髋关节；6、大腿；7、膝关节；8、小腿。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。

下面对本发明中出现的关键术语进行解释。

图1是本发明一个实施例的方法的示意性流程图。其中，图1执行主体可以为一种四足机器人运动控制装置。

如图1所示，该方法100包括：

步骤110，采集路况信息；

步骤120，将四条机械腿划分为两组对角机械腿；

步骤130，根据路况信息计算旋转半径；

步骤140，根据所述旋转半径和机器人机身参数分别计算两组对角机械腿的运动参数；

步骤150，控制两组对角机械腿按照各自的运动参数交替摆动行进。

可选地，作为本发明一个实施例，所述根据路况信息计算旋转半径包括：

获取弯路内径rx；

获取弯路路宽w；

设置第一标准旋转半径r1和对应的第一标准外径rx1和第二标准路宽w1；

设置第二标准旋转半径r2和对应的第二标准外径rx2和第二标准路宽w2；

利用公式计算旋转半径第一估算值；

利用公式计算旋转半径第二估算值；

比较第一估算值和第二估算值并将较小估算值作为旋转半径取值。

可选地，作为本发明一个实施例，所述根据所述旋转半径、机器人机身参数和旋转角度分别计算两组对角机械腿的运动参数包括：

根据旋转半径和机身对角线确定机器人机械腿的旋转中心；

设置机器人旋转角度阈值；

根据机器人机械腿最大步幅计算机器人最大旋转角度；

根据旋转角度阈值和机器人最大旋转角度确定机器人旋转角度；

根据机器人旋转角度计算机械腿旋转角度；

根据机器人旋转角度、旋转半径和机器人机身参数分别计算同组两条机械腿的步幅。

可选地，作为本发明一个实施例，所述方法还包括：

获取当前路线坡度；

根据前后着力点距离、机械腿高度调节腿长度和所述坡度计算保持机器人机身水平状态所需的低位机械腿高度调节腿的展开角度；

根据所述展开角度控制低位机械腿高度。

可选地，作为本发明一个实施例，所述方法还包括：

采集障碍物宽度和高度；

根据障碍物宽度和高度选择机器人跨越模式：

若选择高度模式，则控制四条机械腿的高度调节腿均旋转至竖直状态；

若选择宽度模式，则控制前机械腿高度调节腿向前旋转至与机身平行且控制后机械腿高度调节腿向后旋转至与机身平行。

为了便于对本发明的理解，下面以本发明四足机器人运动控制方法的原理，结合实施例中对四足机器人运动机构进行控制的过程，对本发明提供的四足机器人运动控制方法做进一步的描述。

具体的，所述四足机器人运动控制方法包括：

s1、采集路况信息。

采集路线的弯路内侧半径rx和路面宽度w。

s2、将四条机械腿划分为两组对角机械腿。

将在同一对角线上的机械腿划分为同组机械腿，即对角机械腿。

s3、根据路况信息计算旋转半径。

如图1所示，矩形线框代表机器人，机器人在旋转的过程中，其整体的轨迹是位于两个同心圆之间的圆环内，其中大圆半径为rd，小圆半径为rx(代表弯路内径)。

表1为大小不同的机器人，机器人的旋转半径与道路信息的关系表格，表中各项数据位仿真实验所得数据。a表示机器人同侧前后腿之间的距离，b表示两前机械腿或两后机械腿的横向距离。r表示靠近旋转中心的机械腿到旋转中心的距离，也为旋转半径。rd为机器人行驶的弯路的外侧半径。rx为机器人行驶的弯路的内侧半径。

表1机器人旋转半径与道路信息关系对应表

根据表中数据分析可知：

(1)r越大，则道路半径越大，路越宽；机器人机身参数对旋转半径的影响可忽略不计。

(2)路宽相对于r的增长成线性增长；

因此，在经过多次仿真实验得到大量关系数据后，得到旋转半径的计算方法，如下：

首先从仿真实验的数据中挑选两组数据作为标准数据，本实施例中分别设置第一标准旋转半径r1和对应的第一标准内径rx1和第二标准路宽w1；第二标准旋转半径r2和对应的第二标准内径rx2和第二标准路宽w2。其中r1、rx1、w1、r2、rx2和w2均为已知数值。

计算旋转半径第一估算值：

计算旋转半径第二估算值：

得到两个估算值后，取较小估算值作为旋转半径。

s4、根据所述旋转半径和旋转角度分别计算两组对角机械腿的运动参数。

为保证机器人在转弯时的稳定性，需要设置机器人旋转角度阈值，本实施例中设为20°。

如图2所示，在已知旋转半径r和s1s1’的情况下，设机器人旋转角度为θ也可以利用三角函数直接计算θ/2的值，从而得到

判断得到的θ值是否小于20°，若小于20°则将作为机器人的旋转角度，若大于20°，则将机器人的旋转角度定为20°。

利用三角形内角和为π，根据θ的值即可计算∠l2s1s1’＝(π-θ)/2，根据机器人的参数计算则∠l1s1s1’＝∠l2s1s1’-∠l1s1l2。根据∠l1s1s1’即可计算机器人机械腿需要旋转的角度θ’＝π/2-∠l1s1s1’。

若计算得到的θ小于20°，则外侧机械腿的步幅为机器人最大步幅，若计算得到的θ大于20°，则外侧机械腿的步幅l为

内侧机械腿的步幅根据上步得到的外侧机械腿步幅计算，方法如下：

根据在已知o1l2、o1s1、s1s1’的情况下，即可得到l2l2’的值。

左前腿和右后腿步距的计算方法与上述计算方法相同。

s5、控制两组对角机械腿按照内侧步距和外侧步距交替摆动前行。

当机器人需要转向的时候，摆动腿第一次抬起至落地的期间，其转向腿需要旋转过步骤s4计算出的θ’，两条摆动腿旋转角度一致，之后，其两条摆动腿分别按照步骤s4计算的步距摆动落地进入支撑状态，机器人机身旋转过角度θ。然后，抬起另外一组对角机械腿按照步骤s4的方法计算运动参数，并按照运动参数运动，两组对角机械腿交替完成上述动作直至完成转向。

如图3所示，机器人有四个旋转中心，四个旋转中心可以分成四组，o1o2、o3o4、o2o3、o1o4，选定一组旋转中心后，机器人可以进行顺时针旋转和逆时针旋转。以o1o2为旋转中心逆时针旋转(单步旋转15°为例)，请参考图4，机器人首先以对角线上的o1为旋转中心，逆时针旋转一个单步转角，本实施例用的15°，从位置1到位置2，然后机器人再以对角线上的o2为旋转中心，逆时针旋转15°，到位置3，然后再以对角线上的o1为旋转中心，逆时针旋转15°，到位置4，以此类推，交替以o1和o2为旋转中心，从初始位置1沿逆时针转出一个环形轨迹。以o1o2为旋转中心顺时针旋转(单步旋转15°为例)，请参考图5，机器人首先以对角线上的o1为旋转中心，顺时针旋转15°，从位置1到位置2，然后机器人再以对角线上的o2为旋转中心，顺时针旋转15°，到位置3，然后再以对角线上的o1为旋转中心，顺时针旋转15°，到位置4，以此类推，交替以o1和o2为旋转中心，从初始位置1沿顺时针转出一个环形轨迹。

以o1o4为旋转中心顺时针旋转，请参考图6，机器人首先以对角线上的o1为旋转中心，顺时针旋转15°，从位置1到位置2，然后机器人再以对角线上的o4为旋转中心，顺时针旋转15°，到位置3，然后再以对角线上的o1为旋转中心，顺时针旋转15°，到位置4，以此类推，交替以o1和o4为旋转中心，从初始位置1沿顺时针转出一个环形轨迹。以o1o4为旋转中心逆时针旋转，请参考图7，机器人首先以对角线上的o1为旋转中心，逆时针旋转15°，从位置1到位置2，然后机器人再以对角线上的o4为旋转中心，逆时针旋转15°，到位置3，然后再以对角线上的o1为旋转中心，逆时针旋转15°，到位置4，以此类推，交替以o1和o4为旋转中心，从初始位置1沿逆时针转出一个环形轨迹。

以不同的组合作为旋转中心，可以获得不同的旋转效果。可以根据具体情况选择。无论哪种情况，连续旋转，都会走出一个完整的圆环。

s6、通过采集的路况信息获取当前路线坡度(或利用重力陀螺仪采集坡度)；根据前后着力点距离、机械腿高度调节腿长度和所述坡度计算保持机器人机身水平状态所需的低位机械腿高度调节腿的展开角度；控制低位机械腿的高度调节退展开到展开角度。

s7、采集障碍物宽度和高度；根据障碍物宽度和高度选择机器人跨越模式：当机器人需要跨越高度障碍的时候，将四条高度调节腿旋转至竖直状态，可以提高机器人本体的高度，可以使得机器人能够跨越较高的障碍物；当机器人需要跨越宽度障碍的时候，将两条后高度调节腿向后旋转至与机身平行状态，将两条前高度调节腿向前旋转至与机身平行状态，增大后支撑点和前支撑点的距离，可以提高机器人跨越宽度障碍物的能力。

如图3示，该装置300包括：

路线采集单元310，所述路线采集单元210用于采集路况信息；

四足分组单元320，所述四足分组单元220用于将四条机械腿划分为两组对角机械腿；

旋转计算单元330，所述旋转计算单元230用于根据路况信息和机器人尺寸参数计算旋转半径；

参数计算单元340，所述参数计算单元240用于根据所述旋转半径和旋转角度分别计算两组对角机械腿的运动参数；

运动执行单元350，所述运动执行单元250用于控制两组对角机械腿按照各自的运动参数交替摆动行进。

可选地，作为本发明一个实施例，参数计算单元包括：

中心确定模块，配置用于根据旋转半径和机身对角线确定机器人机械腿的旋转中心；

阈值设置模块，配置用于设置机器人旋转角度阈值；

角度计算模块，配置用于根据机器人机械腿最大步幅计算机器人最大旋转角度；

角度确定模块，配置用于根据旋转角度阈值和机器人最大旋转角度确定机器人旋转角度；

旋转计算模块，配置用于根据机器人旋转角度计算机械腿旋转角度；

步幅计算模块，配置用于根据机器人旋转角度、旋转半径和机器人机身参数分别计算同组两条机械腿的步幅。

可选地，作为本发明一个实施例，装置还包括：

坡度获取单元，配置用于获取当前路线坡度；

水平保持单元，配置用于根据前后着力点距离、机械腿高度调节腿长度和所述坡度计算保持机器人机身水平状态所需的低位机械腿高度调节腿的展开角度；

低位调节单元，配置用于根据所述展开角度控制低位机械腿高度。

可选地，作为本发明一个实施例，装置还包括：

障碍采集单元，配置用于采集障碍物宽度和高度；

模式选择单元，配置用于根据障碍物宽度和高度选择机器人跨越模式；

高度调节单元，配置用于控制四条机械腿的高度调节腿均旋转至竖直状态；

宽度调节单元，配置用于控制前机械腿高度调节腿向前旋转至与机身平行且控制后机械腿高度调节腿向后旋转至与机身平行。

本实施例提供一种四足机器人，包括：机身、四条机械腿和控制设备，所述四条机械腿均与机身活动连接；所述四条机械腿的执行执行驱动均与控制设备电连接。其中机械腿包括：转向腿、高度调节腿、大腿、和小腿，所述转向腿通过转向关节与机身活动连接；所述高度调节腿通过高度调节关节与转向腿活动连接；所述大腿的一端通过髋关节与高度调节腿活动连接，大腿另一端通过膝关节与小腿活动连接；其中转向关节可沿轴向自由旋转；所述高度调节关节、髋关节和膝关节在同一平面内转动。

本实施例提供的四足机器人的控制设备能够实施本发明提供的四足机器人运动控制方法。本实施例中控制设备通过向各个机械腿的执行驱动下发命令控制机械腿运动，执行驱动控制机械腿运动的方法和执行驱动与机械腿连接关节处的具体结构为现有技术，此处不再赘述。本实施例提供的四足机器人与现有技术不同的是，本实施例提供的四足机器人具有高度调节腿和转向腿。

因此，本发明通过将机器人的四条机械腿按对角线分为两组对角机械腿(在同一对角线上的两条机械腿为一组)，并采集路况信息，然后根据路况信息和机器人尺寸参数计算旋转半径并根据所述旋转半径和旋转角度分别计算两组对角机械腿的运动参数，通过控制两组对角机械腿按照各自的运动参数交替摆动行进，从而实现灵活转弯。本发明通过仿生动物的对角小跑步态实现四足机器人的快速转弯，使四足机器人能够在医疗救护、野外作业、军事等领域发挥重要作用，本实施例所能达到的技术效果可以参见上文中的描述，此处不再赘述。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。