移動機器人的動態自適應穩定控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及零力矩點（ZMP）動態穩定控制在移動機器人方面的應用領域，尤其是公開了一種移動機器人的動態自適應穩定控制系統，包括移動平臺，設于移動平臺上可連接機器人軀干部分的連接裝置，可沿移動平臺邊緣伸出、進而增強移動平臺支撐穩定性的伸展裝置及連接所述移動平臺和伸展裝置的操控單元；操控單元包括可實時計算移動平臺零力矩點、判斷機器人動態穩定性的ZMP計算模塊、車體運動和導航控制模塊及連接機器人軀干部分的控制箱；控制箱連接ZMP計算模塊、車體運動和導航控制模塊、移動平臺及伸展裝置。本發明可實時計算機器人零力矩點、判斷移動平臺的動態穩定性，自動調整機器人軀干或者移動伸展裝置，保證機器人的動態穩定性。
【專利說明】
移動機器人的動態自適應穩定控制系統
技術領域
[0001]本發明涉及零力矩點(ZMP)動態穩定控制在移動機器人方面的應用領域，尤其是涉及一種移動機器人的動態自適應穩定控制系統。
【背景技術】
[0002]零力矩點ZMP最初起始于人形機器人雙腿的運動力學的姿態穩定控制。零力矩點被用來判定仿人機器人動態穩定控制的重要指標，ZMP落在腳掌支撐的范圍里面，則機器人可以穩定地行走。腳在接觸地面時有反作用力也會產生力矩。若存在一點其反作用力、慣性力的凈力矩和為零的點稱之為零力矩點。ZMP控制機制將ZMP原理綜合運用在運動規劃、動力學穩定控制、關節驅動控制等多個機器人動態模塊控制的方面。
[0003]但是目前并無能根據零力矩點ZMP調整機器人行走穩定性的控制裝置，進而只能保持行走機器人行走路線時的穩定性，機器人無法進行其他任何操作；即機器人搬運重物時、或者重心出現偏移時還是會傾倒，而現有的多采用在機器人上臨時增加配重的方法保持機器人穩定性的需求，而該方法耗費時間和人力、同時還增加機器人的負擔，降低了機器人的工作效率。
【發明內容】
[0004]本發明為了克服現有技術的不足，提供一種可實時計算機器人零力矩點，保證機器人動態穩定性，移動機器人的動態自適應穩定控制系統。
[0005]為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案:一種移動機器人的動態自適應穩定控制系統，包括移動平臺，設于移動平臺上可連接機器人軀干部分的連接裝置，可沿移動平臺邊緣伸出、進而增強移動平臺支撐穩定性的伸展裝置及連接所述移動平臺和伸展裝置的操控單元;所述操控單元包括可實時計算移動平臺零力矩點、判斷機器人動態穩定性的ZMP計算模塊、車體運動和導航控制模塊及連接機器人軀干部分的控制箱;所述控制箱連接ZMP計算模塊、車體運動和導航控制模塊、移動平臺及伸展裝置。移動平臺可為移動機器人提供一個穩定的基礎;連接裝置可實現將機器人軀干部分安裝于移動平臺上;伸展裝置可伸展并接觸地面，在機器人執行動作時使機器人安置更穩定;動態ZMP計算模塊可實時計算移動平臺的零力矩點，并將信息反饋給控制箱，控制箱根據需要控制伸展裝置伸展，動態ZMP計算模塊測量伸展裝置展開時擴大的零力矩點的穩定區域，保證機器人在靜置狀態下的(重心)和動態下的(零力矩點)平衡。動態ZMP計算模塊在機器人執行操控動作時可實時測量其動態的零力矩點，同時根據測量的零力矩點判斷機器人的動態穩定性，控制箱可根據以上的反饋判定計算控制機器人軀干部分的動作，使其保持在零力矩點穩定區間。移動平臺在地面上移動時，動態ZMP計算模塊計算出零力矩點。機器人在地面移動時，控制箱可實時計算控制機器人的動作，并提前規劃機器人的零力矩點和動力參數，使其保持在零力矩點穩定范圍內，保證機器人的穩定性；以確保在動態中保持機器人姿態平衡且不致傾覆，可利用實時計算零點力矩點的方法判斷移動平臺在移動中的動態穩定性，消除了采用增加機器人平衡重物的方法保持系統姿態穩定的要求，不增加機器人的負擔，且穩定性調節速度快，效率高，無需人為操作，省時省力；車體運動和導航控制模塊可實現對對障礙物的檢測和對移動平臺的運動方向的控制，保證移動平臺移動過程中能有效避開障礙物。
[0006]進一步地，所述控制箱包括主板，觸摸屏，通訊模塊及連接所述主板、觸摸屏、通訊模塊的控制器;通訊模塊連接所述ZMP計算模塊、車體運動和導航控制模塊、移動平臺及伸展裝置。控制器起到信號處理、分析和整體控制的作用，通訊模塊可實現信號的無線傳輸和接收，觸摸屏可方便操作人員的操作控制。
[0007]進一步地，所述移動平臺包括可向任意方向移動的移動機構、連接移動機構的多向驅動系統，所述多向驅動系統連接所述控制箱。多向驅動器可控制移動機構向任意方向移動，進而控制移動平臺的移動方向，所述控制箱可方便對多向驅動系統進行控制。
[0008]進一步地，所述伸展裝置包括可向移動平臺邊緣伸出的側桿、連接側桿可帶動側桿伸縮的第一驅動裝置、連接側桿的支撐桿和/支撐架，所述第一驅動裝置連接所述控制箱。控制箱可控制第一驅動裝置伸縮，進而帶動側桿伸縮，實現對支撐桿和/支撐架的伸縮控制。
[0009]進一步地，所述支撐桿和/支撐架底部設有第一全向輪。可使支撐桿和/支撐架隨移動平臺一起移動，進而保證移動平臺移動的穩定性。
[0010]進一步地，所述支撐桿中部為可彎折的支撐腿/豎直桿狀結構。可彎折的支撐腿使用更加自由，支撐更加穩定。
[0011]進一步地，所述ZMP計算模塊、車體運動和導航控制模塊均設于移動平臺上。
[0012]進一步地，所述控制箱為手提式箱體結構。可方便管理則的使用。
[0013]綜上所述，本發明可實時計算機器人零力矩點、判斷移動平臺的動態穩定性，并自動調整機器人軀干或者移動伸展裝置，保證機器人的動態穩定性。
【附圖說明】
[0014]圖1a為本發明的立體圖一；
圖1b為本發明的部分結構示意圖；
圖1c為本發明的使用狀態圖一；
圖2a為本發明的使用狀態圖二；
圖2b為本發明的使用狀態圖三；
圖3為本發明的伸展裝置展開時的狀態圖一；
圖4a為本發明的立體圖二；
圖4b為圖4a的仰視圖。
【具體實施方式】
[0015]為了使本技術領域的人員更好的理解本發明方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述。
[0016]在移動機器人的穩定控制系統中應用零力矩點穩定控制概念并運用于移動機器人姿態動態穩定性控制被認為是一個有效的控制方法。
[0017]對于移動機器人而言，零力矩點控制亦可應用于移動操控過程中系統姿態穩定。采用可調零力矩點區域控制方式能夠幫助移動機器人系統在操控時實現自適應動態穩定性控制。
[0018]如圖1-4所示，一種移動機器人的動態自適應穩定控制系統，包括移動平臺104、連接裝置106、伸展裝置108及操控單元。所述連接裝置106設于移動平臺104上，且可連接機器人軀干部分102。伸展裝置108、114可沿移動平臺104邊緣伸出，進而增強移動平臺104支撐穩定性.其中，伸展裝置108沿移動平臺104兩端伸出，而伸展裝置114則沿移動平臺104兩側伸出。操控單元連接所述移動平臺104和伸展裝置108、114。
[0019]具體的，所述操控單元包括ZMP計算模塊、車體運動和導航控制模塊及控制箱。所述控制箱為手提式箱體結構，方便操作人員使用。所述控制箱連接機器人軀干部分102，進而可對機器人軀干部分102進行控制。所述ZMP計算模塊可實時計算移動平臺零力矩，判斷機器人的動態穩定性。所述控制箱連接ZMP計算模塊、車體運動和導航控制模塊、移動平臺104及伸展裝置108、114。再者，所述控制箱包括主板、觸摸屏、通訊模塊及控制器。控制器連接所述主板、觸摸屏及通訊模塊，通訊模塊連接所述ZMP計算模塊、車體運動和導航控制模塊、移動平臺104及伸展裝置108、114。且所述ZMP計算模塊、車體運動和導航控制模塊均設于移動平臺104上。
[0020]進一步地，移動平臺可為移動機器人提供一個穩定的基礎。所述移動平臺104包括移動機構和多向驅動系統，通常移動機構具有多種移動方式，如圖1a中的單面完整驅動器116、圖1b中的普通輪轂、圖1c中的履帶驅動器。多向驅動系統連接移動機構，移動機構可向任意方向移動，進而保證移動平臺104向任意方向移動，所述多向驅動系統連接所述控制箱。移動平臺104可使機器人在狹小的空間內在任意方向靈活移動并且有效避開障礙物。
[0021]如圖1a所示，所述伸展裝置108、114至少為一個，所述伸展裝置108、114包括側桿122、第一驅動裝置、支撐桿。所述側桿122可向移動平臺104邊緣伸出，第一驅動裝置設于移動平臺104上，且第一驅動裝置連接側桿122，進而可帶動側桿122伸縮。支撐桿連接側桿122，所述第一驅動裝置連接所述控制箱。如圖1c所示，所述支撐桿中部可以是可彎折的支撐腿121;又或者如圖1b所示，支撐桿也可以是豎直桿狀結構120，當然還可以是兩者組合使用。在其他實施例中，所述支撐桿也可用支撐架代替，或者支撐桿與支撐架組合使用。所述支撐腿121可彎折處有類似關節的功能，進而可使移動平臺104具有步態移動的能力。所述支撐桿和支撐架具有可支撐垂直重量的功能。
[0022]所述伸展裝置打開并接觸地面時，可在機器人執行動作時使機器人更穩定。移動平臺104可利用多向驅動系統提供多個方向的穩定性。移動平臺104邊緣可伸展出一個零力矩點的伸展裝置，零力矩點穩定可通過伸展裝置來實現。如圖3、圖4a及圖4b所示，當伸展裝置108、114伸展時，它所覆蓋的范圍產生了零力矩點穩定區域，這個區域由機器人立足點以內的一個多邊形區域來表征。移動機器人只要保持動態重心在零力矩點穩定區域范圍內，就可以在動態移動操控中保持動態平衡穩定。機器人軀干部分102姿勢同樣可在動態操控中實現ZMP自適應調整來提高穩定性。伸展裝置108、114可通過側桿110進行伸展或收縮控制。在有些設計里，一條支撐腿121可從可從伸展裝置108、114中進一步延伸出來，進而使移動平臺104具有步態移動控制能力。在有些狹小的空間里，側面的可伸展裝置使機移動平臺104具有更好的接觸地面，并有利于提供更高的系統動態穩定性。移動平臺104的材料可以是鋼鐵、鈦、塑料、橡膠、硅等等。
[0023]如圖2a和2b所示，當機器人執行例如抱抬和移載重物的任務時，移動平臺104可伸展出至少一個伸展裝置108、114來來擴大零力矩點動態穩定區域。如圖3和圖4a所示，只要機器人系統動態的重心保持在零力矩點穩定區域內，移動平臺104和機器人軀干部分102SP可保持動態穩定。操控單元可利用實時計算零力矩點的方法來判別移動平臺104在移動中的動態穩定性。該計算零力矩點的方法消除了以往通過臨時增加機器人配重的方法保持穩定的需求。
[0024]為了在移動平臺104移動過程中保持穩定性，于是所述伸展裝置108、114底部設有第一全向輪119。
[0025]所述連接裝置106具有靈巧操控功能(至少具有抱抬及移載物品功能)的機器人通過機器人軀干部分102安裝在上述提到的移動平臺104上。連接裝置106用來安裝一個機器人軀干部分102，機器人軀干部分102包括人形機器人或類似起重機的機械系統。機器人軀干部分102可通過螺栓、螺絲、焊接、粘合等方式與移動平臺104連接。零力矩點可利用伸展裝置108、114和其他連接在移動平臺104上的部分并由電機驅動器提供動力，即所述多向驅動系統和第一驅動裝置均為電機驅動器，當然在其他實施例中，也可以是氣缸、氣缸等其他驅動部件。
[0026]動態自適應穩定控制系統為機器人操控提供動態姿態穩定性，尤其是在機器人執行靈巧操控任務時，包括抱抬和移載重物、戰場上搶救傷員時，以達到為機器人提供靜止狀態下的(重心)和動態中的(零力矩點)平衡，為機器人移動操控提供了持續動態穩定性。移動平臺104在顛簸路面利用履帶驅動器進行移動。移動平臺104可利用全向驅動系統提供任意方向的控制穩定性。移動平臺104邊界可延伸出一個零力矩點伸展裝置使機器人更穩定，防止機器人傾翻，在動態中保持機器人的平衡。
[0027]動態自適應穩定控制系統包含以下方法:具有自適應地動態移動地面支撐面的方法、使機器人具有靈巧操控功能(至少具有抱抬與移載物品功能)方法，并且和上述地面支撐點移動功能配合的方法以達到滿足系統動態姿態穩定性。在上述移動和靈巧操控時確保系統能通過在地面支撐動態調整而達到穩定的方法。測量系統重心、零力矩點、零力矩點穩定區域的方法;控制可延伸地面支撐裝置的方法;控制機器人姿勢穩定的方法；自適應規劃零力矩點和動力參數的方法。
[0028]顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本發明保護的范圍。
【主權項】
1.一種移動機器人的動態自適應穩定控制系統，包括移動平臺(104)，設于移動平臺(104)上可連接機器人軀干部分(102)的連接裝置(106)，可沿移動平臺(104)邊緣伸出、進而增強移動平臺(104)支撐穩定性的伸展裝置(108、114)及連接所述移動平臺(104)和伸展裝置(108、114)的操控單元;其特征在于:所述操控單元包括可實時計算移動平臺零力矩點、判斷機器人動態穩定性的ZMP計算模塊、車體運動和導航控制模塊及連接機器人軀干部分(102)的控制箱；所述控制箱連接ZMP計算模塊、車體運動和導航控制模塊、移動平臺(104)及伸展裝置(108、114)。2.根據權利要求1所述的移動機器人的動態自適應穩定控制系統，其特征在于:所述控制箱包括主板，觸摸屏，通訊模塊及連接所述主板、觸摸屏、通訊模塊的控制器;通訊模塊連接所述ZMP計算模塊、車體運動和導航控制模塊、移動平臺(104)及伸展裝置(108、114)。3.根據權利要求1所述的移動機器人的動態自適應穩定控制系統，其特征在于:所述移動平臺(104)包括可向任意方向移動的移動機構、連接移動機構的多向驅動系統，所述多向驅動系統連接所述控制箱。4.根據權利要求1所述的移動機器人的動態自適應穩定控制系統，其特征在于:所述伸展裝置(108、114)包括可向移動平臺(104)邊緣伸出的側桿(122)、連接側桿(122)可帶動側桿(122)伸縮的第一驅動裝置、連接側桿(122)的支撐桿和/支撐架，所述第一驅動裝置連接所述控制箱。5.根據權利要求4所述的移動機器人的動態自適應穩定控制系統，其特征在于:所述伸展裝置(108、114)底部設有第一全向輪(119)。6.根據權利要求4所述的移動機器人的動態自適應穩定控制系統，其特征在于:所述支撐桿中部為可彎折的支撐腿(121)和/豎直桿狀結構(120)。7.根據權利要求1所述的移動機器人的動態自適應穩定控制系統，其特征在于:所述ZMP計算模塊、車體運動和導航控制模塊均設于移動平臺(104)上。8.根據權利要求1所述的移動機器人的動態自適應穩定控制系統，其特征在于:所述控制箱為手提式箱體結構。
【文檔編號】G05D1/08GK105843230SQ201610395352
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月4日
【發明人】胡建軍, 林堤梨
【申請人】浙江侍維波機器人科技有限公司