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(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111142523A(43)申请公布日2020.05.12(21)申请号201911362724.X(22)申请日2019.12.26(71)申请人西北工业大学地址710072陕西省西安市友谊西路127号(72)发明人冯华山章艺嵩刘昊林应天明罗翔宇徐娅萍(74)专利代理机构西北工业大学专利中心61204代理人陈星(51)Int.Cl.G05D1/02(2020.01)B62D57/032(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图2页(54)发明名称一种轮腿式移动机器人运动控制系统(57)摘要本发明公开了一种轮腿式移动机器人运动控制系统,由意识层、协调层、反射层和结构层四部分组成。意识层的作用是感知环境变化、路径规划以及接收运动指令;协调层的作用是解算各轮、腿的行为参数和动作序列,协同各轮、腿共同动作;反射层根据力检测单元和扭矩测量单元测得的力和力矩信息,通过轮地接触力估计模型进行计算得到轮地接触力信息,并向驱动单元发出相应的驱动指令,以使滚轮与地面保持支撑力和摩擦力。结构层的作用是根据反射层传递来的驱动信号进行作动,调整轮地接触力,保持机身运动的平稳性。机器人运动控制系统适应多种复杂非结构化地形,同时保证机器人运动的快速、平稳性,提高机器人的机动能力和作业效率。CN111142523ACN111142523A权利要求书1/1页1.一种轮腿式移动机器人运动控制系统,其特征在于:运动控制系统由意识层、协调层、反射层和结构层组成,意识层的作用是感知环境变化、路径规划及接收运动指令;协调层的作用是解算各滚轮、腿的行为参数和动作序列,协同各滚轮、腿共同动作;反射层根据力检测单元和扭矩测量单元测得的力和力矩信息,通过轮地接触力估计模型进行计算得到轮地接触力信息,并向驱动单元发出相应的驱动指令,以使滚轮与地面保持支撑力和摩擦力;结构层根据反射层传输的驱动信号进行作动,调整轮地接触力,保持机身运动的平稳性;所述意识层包括环境信息采集模块、信息综合模块和决策输出模块,环境信息采集模块感知外界环境,实时获取地形信息;信息综合模块将外界环境信息和运动指令信息进行综合分析;决策指令模块则根据外界环境信息进行路径规划,意识层将路径规划信息与三维运动指令输入协调层进行行为解算和协同;所述协调层包括解算控制器,根据意识层输入的路径规划信息与三维运动指令,进行行为解算,包含滚轮方向协调、轮地接触力协调两方面的协调控制;根据急停、原地转向、半径转向、侧行、斜行、前进与倒退运动要求,对机器人各滚轮转向和滚轮转速进行协调控制;对于不同的地形在运动过程中对滚轮与地面的接触力进行协调控制;所述反射层包括轮腿机器人各单腿模型中的驱动单元、力检测单元,驱动单元由伺服电机和传动机构组成,力检测单元由各种力和力矩传感器组成,通过在运动过程中实时采集单腿模型中各个关节的力和力矩信息,经过轮地接触力估计模型解算获得滚轮与地面的接触力信息,并对驱动单元发出驱动信号;所述结构层由单腿机构和被动力调节单元组成,单腿机构为轮腿机器人运动和支撑的主体,被动力调节单元用于减少机器人在非结构化地形中受到的冲击,防止各构件受到损害,结构层直接作用在地形环境中,抵抗外界扰动;其运动控制方法如下:意识层接收三维运动指令,或者通过环境采集模块获取外界环境信息并进行路径规划,向协调层输出滚轮位置信息,经逆运动学计算,得出伺服电机或者直线运动机构驱动单元的运动参数,协调层向反射层发出驱动指令,驱动单元作动使结构层运动;同时,根据单腿机构上安装的力检测单元获取的各驱动力和关节力矩信息,经过接触力估计模型计算得到滚轮与地面的接触力,在保持机身平稳的前提下,与运动稳定模型的理论接触力进行比较,反射层驱动单元持续作动,调整轮腿机器人的轮腿结构,以重新分配轮腿机器人滚轮与地面的接触力,使各滚轮与地面接触力与理论接触力基本相等,使机器人在运动过程中保持机身平稳与运动稳定。2CN111142523A说明书1/4页一种轮腿式移动机器人运动控制系统技术领域[0001]本发明涉及机器人及自动控制技术领域,具体地说,涉及一种轮腿式移动机器人运动控制系统,以及基于轮地接触力感知再分配的轮腿式移动机器人运动控制方法。背景技术[0002]随着机器人技术的飞速发展,移动机器人已经广泛运用于军事、工业、农业、医疗、救援诸多领域。轮腿移动机器人不仅具备轮式移动机器人的高机动性,而且相比于传统的轮式或履带式移动机器人,具有更强的地形适应能力,尤其是在不规则的复杂地形上。此外,轮腿式移动机器人在跨越复杂地形的同时,能够保证机身运动的平稳性,这样将使得安装在机身上的任务载荷不受运动干扰,大大提高作业效率。目前很多履带式移动机器人虽然能一定程度上适应缓慢变化的地形,