(19)中华人民共和国国家知识产权局 ▣▣ (12)发明专利申请 可 (10)申请公布号CN105599821A (43)申请公布日2016.05.25 (21)申请号201610006061.8 (22)申请日2016.01.06 (71)申请人山东优宝特智能机器人有限公司 地址250101山东省济南市高新区新泺大街 1166号奥盛大厦3号楼2103 (72)发明人范永谢爱珍 (74)专利代理机构济南圣达知识产权代理有限 公司37221 代理人张勇 (51)nt.Cl. B62D57/032(2006.01) G05B1904(2006.01) 权利要求书2页说明书7页附图5页 (54)发明名称 具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人 及控制方法 (57)摘要 本发明公开了具有环境感知能力的电驱动仿 样觉处纸器 生四足机器人及控制方法，头部通过颈部、头部连 位首和方平 杆与前躯干铰接，头部和颈部联动，前躯干与后躯 环境炒：郊器 反坡 电对执音余流 干铰接；后躯干的后部设有尾部，尾部还通过尾 部连杆与前躯干铰接：前躯干的两侧分别设有前 包解你息 腿，后躯干的两侧分别设有后腿：后腿的长度长 传感学负北 动出 于前腿：前躯干的最宽处宽于后躯干的最宽处： 还包括环境感知传感器组和摄像头，环境感知传 感器组、摄像头与中央处理器连接，中央处理器的 输出端连接电驱动执行系统，电源管理模块为环 境感知传感器组、中央处理器及电驱动执行系统 供电。采用电驱动控制方式，实现仿生四足机器人 对环境的动态感知、自主导航、实时跟随，以及适 应地形变化和随机干扰的仿生步态运动规划。 33669901 石
CN105599821A 权利要求书 1/2页 1.具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人，包括头部，其特征是，所述头部通过颈 部、头部连杆与前躯干铰接，头部和颈部联动，所述前躯干与后躯干铰接：所述后躯干的后 部设有尾部，所述尾部还通过尾部连杆与所述前躯干铰接，实现尾部与前躯干的联动：所述 前躯干的两侧分别设有前腿，所述后躯干的两侧分别设有后腿：所述后腿的长度长于前腿； 所述前躯干的最宽处宽于后躯干的最宽处：还包括环境感知传感器组和摄像头，所述环境 感知传感器组、摄像头与中央处理器连接，所述中央处理器的输出端连接电驱动执行系统， 电源管理模块为所述环境感知传感器组、中央处理器及电驱动执行系统供电。 2.如权利要求1所述具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人，其特征是，所述环境 感知传感器组包括视觉传感器、超声传感器、红外传感器、音频传感器、压力传感器、三轴倾 角传感器及触觉传感器。 3.如权利要求1所述电驱动四足仿生机器人，其特征是，所述尾部的两端中的一端设有 上下两个铰接点，所述后躯干与所述尾部的上铰接点铰接，所述尾部的下铰接点与所述尾 部连杆的一端铰接，所述尾部连杆的另一端与所述前躯干铰接。 4.基于权利要求2所述具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人的控制方法，其特 征是，环境感知传感器组采集外部环境及自身位姿信息，中央处理器通过决策层策略处理 接收到的环境感知传感器组采集的信息，做出主人识别及足端路径规划的反应，产生相应 的控制信号控制电驱动执行系统执行动作。 5.如权利要求4所述具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人的控制方法，其特征 是，足端路径规划方法包括，建立四个关键点坐标系，通过坐标变换方程，将机器人重心轨 迹规划变换成足端轨迹规划，选择不同的三维空间轨迹得到不同的运动效果，经过反变换 以后得到机器人关节运动数据，输出控制信号给电驱动执行系统。 6.如权利要求4所述具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人的控制方法，其特征 是，决策层策略处理需要融合多种传感器信息，采用添加优先级因子的加权平均算法求决 策结果：传感器信息经过滤波、归一化以后，先与优先级因子运算，再经过加权平均得到最 后的决策结果。 7.如权利要求4所述具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人的控制方法，其特征 是，主人识别的方法包括：主人图像数据制成模板，存储在数据库中，摄像头采集到主人脸 部的图像后，首先经过卡尔曼滤波，减轻光照、旋转、表情对人脸的影响，然后利用积分投影 的方法确定面部特征点，提取局部特征的模板，然后和数据库的主人模板进行局部模板匹 配，判断是否是主人。 8.如权利要求4所述具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人的控制方法，其特征 是，还包括手势控制方法，包括左右设置的两个红外传感器，系统状态每次分叉为4种，采用 四叉树遍历算法，并在四叉树遍历中插入时间参数：在从一个树节点往下一个枝叶节点遍 历的过程中，判断时间参数是否在限定范围内，在则继续往下个节点走，小于范围是由于左 右传感器差异误进入，需要跳到最顶层节点，超出范围则回到上一层节点：最低的一层节点 表示手势的最终结果。 9.如权利要求4所述具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人的控制方法，其特征 是，还包括跟踪的控制方法，采用红外传感器和超声传感器融合的方法，以红外传感器检测 结果作为有效跟踪范围，红外传感器的处理算法采用四叉树遍历算法结合时间变量，在有 2
CN105599821A 权利要求书 2/2页 效跟踪范围内加上超声传感器处理算法整数规划算法，超声波的距离数据作为变量，决策 因子是一个经过调试设定的固定值，距离数据和决策因子的乘积结果作为运动结果参考 量，运动结果参考量经过割平面法最终得到运动结果。 10.如权利要求4所述具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人的控制方法，其特征 是，行走采用滑步步态规划，平衡控制策略选用机器人稳定性判据中的稳定裕量，当稳定裕 量超出稳定范围值时，结合下蹲策略和挥臂策略来调整机器人的姿态，直到恢复稳定状态。 3
CN105599821A 说明书 1/7页 具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人及控制方法 技术领域 [0001]本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其涉及一种具有环境感知能力的电驱动仿生 四足机器人及控制方法。 背景技术 [0002]从机器人运动方式来看，机器人大致可分为轮式机器人、履带式机器人和腿足式 机器人三类。相对于轮式或履带式机器人，腿足式运动具有轮式或履带式所不具备的优越 特性： [0003] (1)腿足式运动的落足点是离散的，可以在足的可达空间内选择最优支撑点，可以 跨越障碍，提高了对崎岖地面的适应能力。 [0004] (2)腿足式运动能实现全方位移动，运动更加灵活。 [0005](3)腿足式运动可以主动隔振，即躯干质心运动轨迹与足端轨迹解耦，在地面高低 不平时身体仍可保持平稳。 [0006] (4)腿足式运动在不平坦或松散地面上仍能实现较高的移动速度，能耗不会显著 增加。 [0007]当前，世界范围内，一些国家对四足机器人展开了广泛的研究，取得了丰硕的成 果，尤其是美国波士顿动力(Boston Dynamics)发布了液压四足机器人BigDog之后，在世界 范围内掀起了研究液压四足机器人的热潮，如韩国工业技术研究院研发了液压马达驱动的 四足机器人，意大利理工学院研发了电液混合驱动的四足机器人HyQ,随后波士顿动力又发 布了AlphaDog和LS3四足机器人，在抗扰动、负载能力和环境适应能力方面有了大幅度提 升。 [0008]在国内，清华大学、山东大学、哈尔滨工业大学和华中科技大学等高校也在从事四 足仿生机器人的研发工作，并取得了一定的成果。 [0009] 从目前的研究来看，四足机器人的驱动方式分为液压驱动和电驱动两大类。 [0010] 液压驱动四足机器人在高动态性、高负载能力方面具备其优势，但存在功耗大和 噪音大等问题。 [0011]电驱动四足机器人的自由度相对较少，运动不够灵活：对环境的感知能力差，难以 适应复杂的地面运动。 发明内容 [0012]本发明的目的就是为了解决上述问题，提供了一种具有环境感知能力的电驱动仿 生四足机器人及控制方法，模拟四足哺乳动物体态，设计头部、躯干、腿部和尾部，集成多传 感器，包括视觉传感器、超声传感器、红外传感器、音频传感器、压力传感器、三轴倾角传感 器、触觉传感器等，采用电驱动控制方式，实现仿生四足机器人对环境的动态感知、自主导 航、实时跟随，以及适应地形变化和随机干扰的仿生步态运动规划。 [0013]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
CN105599821A 说明书 2/7页 [0014] 具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人，包括头部，所述头部通过颈部、头部 连杆与前躯干铰接，头部和颈部联动，所述前躯干与后躯干铰接：所述后躯干的后部设有尾 部，所述尾部还通过尾部连杆与所述前躯干较接，实现尾部与前躯干的联动：所述前躯干的 两侧分别设有前腿，所述后躯干的两侧分别设有后腿：所述后腿的长度长于前腿：所述前躯 干的最宽处宽于后躯干的最宽处：还包括环境感知传感器组和摄像头，所述环境感知传感 器组、摄像头与中央处理器连接，所述中央处理器的输出端连接电驱动执行系统，电源管理 模块为所述环境感知传感器组、中央处理器及电驱动执行系统供电。 [0015]所述环境感知传感器组包括视觉传感器、超声传感器、红外传感器、音频传感器、 压力传感器、三轴倾角传感器及触觉传感器。 [O016]所述尾部的两端中的一端设有上下两个铰接点，所述后躯干与所述尾部的上铰接 点铰接，所述尾部的下铰接点与所述尾部连杆的一端铰接，所述尾部连杆的另一端与所述 前躯干铰接。 [0017]具有环境感知能力的电驱动仿生四足机器人的控制方法，环境感知传感器组采集 外部环境及自身位姿信息，中央处理器通过决策层策略处理接收到的环境感知传感器组采 集的信息，做出主人识别及足端路径规划的反应，产生相应的控制信号控制电驱动执行系 统执行动作。 [0018]足端路径规划方法包括，建立四个关键点坐标系，通过坐标变换方程，将机器人重 心轨迹规划变换成足端轨迹规划，选择不同的三维空间轨迹得到不同的运动效果，经过反 变换以后得到机器人关节运动数据，输出控制信号给电驱动执行系统。 [0019]决策层策略处理需要融合多种传感器信息，采用添加优先级因子的加权平均算法 求决策结果：传感器信息经过滤波、归一化以后，先与优先级因子运算，再经过加权平均得 到最后的决策结果。 [0020]主人识别的方法包括：主人图像数据制成模板，存储在数据库中，摄像头采集到主 人脸部的图像后，首先经过卡尔曼滤波，减轻光照、旋转、表情对人脸的影响，然后利用积分 投影的方法确定面部特征点，提取局部特征的模板，然后和数据库的主人模板进行局部模 板匹配，判断是否是主人。 [0021]还包括手势控制方法，包括左右设置的两个红外传感器，系统状态每次分叉为4 种，采用四叉树遍历算法，并在四叉树遍历中插入时间参数：在从一个树节点往下一个枝叶 节点遍历的过程中，判断时间参数是否在限定范围内，在则继续往下个节点走，小于范围是 由于左右传感器差异误进入，需要跳到最顶层节点，超出范围则回到上一层节点：最低的一 层节点表示手势的最终结果。 [0022]还包括跟踪的控制方法，采用红外传感器和超声传感器融合的方法，以红外传感 器检测结果作为有效跟踪范围，红外传感器的处理算法采用四叉树遍历算法结合时间变 量，在有效跟踪范围内加上超声传感器处理算法整数规划算法，超声波的距离数据作为变 量，决策因子是一个经过调试设定的固定值，距离数据和决策因子的乘积结果作为运动结 果参考量，运动结果参考量经过割平面法最终得到运动结果。 [0023]行走采用滑步步态规划，平衡控制策略选用机器人稳定性判据中的稳定裕量，当 稳定裕量超出稳定范围值时，结合下蹲策略和挥臂策略来调整机器人的姿态，直到恢复稳 定状态。 5