技术领域
[0001] 本
发明涉及决策
控制模块，具体涉及一种智能仿人机器人决策控制模块及仿人机器人运动控制算法。
背景技术
[0002] 仿人机器人具有与人类类似的外形，通过双足步行实现运动，能够适应不平的路面，上下
楼梯以及攀爬梯子。目前，由于仿人机器人结构的特殊性，其
控制器一般放置在胸腔内部，而为了增强仿人机器人的步行
稳定性，对胸腔以及上肢的重量较为敏感，因此在控制器模块化封装的同时需要尽量减重，成本较高且仍然不能很好的保证机器人的步行稳定性，在维修或检测决策控制器时，需要拆除机器人上如胸腔盖板等在内的部件，操作不便；
[0003] 另外，现有的决策控制模块需要依赖其他例如脚底
力传感器来实现对仿人机器人行走时的抗扰动控制，将决策控制模块移至没有装配脚底力传感器的仿人机器人将无法正常工作，因此，现有的决策控制模块通用性低，无法做到模块标准化。
发明内容
[0004] 为了解决上述问题，本发明公开了一种智能仿人机器人决策控制模块及仿人机器人运动控制算法。
[0005] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种智能仿人机器人的决策控制模块，其包括决策控制器和设置在仿人机器人躯干部分的安装盒，所述安装盒上设有若干用于固定所述决策控制器的连接紧固
位置，所述决策控制器包括壳体和设置在所述壳体内的控制
电路板，所述决策控制器对应若干所述连接紧固位置固定在所述安装盒内，于所述壳体上设有多个用于和所述控制
电路板连接的对外电气
接口。决策控制器对应若干连接紧固位置固定在仿人机器人躯干部分的安装盒内，便于决策控制器的安装和拆卸，无需拆除仿人机器人上如胸腔盖板等在内的部件，便于对决策控制器的维修和检测。
[0006] 多个所述对外电气接口包括USB接口、以太网接口、显示器输出接口、第一电源接口以及关节
驱动器接口，所述USB接口、以太网接口、显示器输出接口、第一电源接口以及关节驱动器接口均与控制电路板电性连接。USB接口、以太网接口、显示器输出接口、第一电源接口以及关节驱动器接口的设置，便于控制电路板与设备外供电电路或装置相连，方便仿人机器人的组装。
[0007] 所述控制电路板上设有无线通讯模块、
姿态及方向传感器、决策
计算机系统、控制计算机系统和电源管理模块，所述姿态及方向传感器、无线通讯模块分别和所述控制计算机系统、决策计算机系统导通，所述控制计算机系统、决策计算机系统均与所述电源管理模块导通，所述USB接口、以太网接口、显示器输出接口与所述决策计算机系统电性连接，所述关节驱动器接口、第一电源接口分别和所述电源管理模块电性连接。
[0008] 所述控制电路板上还设有用于调节所述关节驱动器接口
输出电压的电压调节模块，所述电压调节模块和所述电源管理模块电性连接，所述决策控制器的壳体上设有用于控制所述电压调节模块的电压调节旋钮。电压调节旋钮的设置，通过电压调节模块条调节电源管理模块的输入电压，从而调节关节驱动器接口的输出电压，增加了本发明中决策控制器的适用性，能应对不同的电压输入。
[0009] 所述关节驱动器接口包括若干控制接口、第二电源接口，若干所述控制接口与所述控制计算机系统电性连接，若干所述第二电源接口与所述电源管理模块电性连接。控制接口与第二电源接口的设计，设备外关节驱动器可直接与关节驱动器接口连接便可实现决策控制器对关节驱动器的供电以及控制
信号的传输，关节驱动器无需额外接通供电电源，使仿人机器人的结构简单化。
[0010] 一种内嵌于上述智能仿人机器人的决策控制模块的仿人机器人运动控制算法，其包括全方位步行控制算法、特殊动作控制算法以及步行稳定控制算法，所述全方位步行控制算法采用制定仿人机器人髋部和足部运动轨迹的方法实现仿人机器人的步行，所述全方位步行控制算法的目标是跟随任意方向、任意大小的运动步幅指令，所述运动步幅指令形式为(Xc，Yc，θc)T，即单步的前进步幅Xc、侧移步幅Yc以及旋转步幅θc；
[0011] 所述特殊动作控制算法是通过离线调试，保存一系列关节关键
帧，并在步行运行期间在线计算关键帧之间的三次样条曲线，每一组特殊步态均具有一个ID以区别其他的步态，步态ID以及执行的次数构成特殊步态控制指令；
[0012] 所述步行稳定控制算法在仿人机器人全方位步行期间有效，在仿人机器人即将失去步行稳定时，
修改原有步幅指令，进而使得仿人机器人在下一步或下几步恢复稳定步行。在智能仿人机器人的决策控制模块内嵌入仿人机器人运动控制算法，通过全方位步行控制算法、特殊动作控制算法和步行稳定控制算法的，实现了对仿人机器人步行、特殊动作的控制以及在仿人机器人失稳时的步态修正。
[0013] 所述全方位步行控制算法采用归一化模式曲线与增益相乘的线性组合形式描述仿人机器人摆动足和髋部运动规律的方法生成关节轨迹，具体描述为：
[0014]
[0015] 式中，ai为幅度系数，i＝1,,12，步幅指令C＝(Xc,Yc,Θc)T，设单个步行周期时间为T，腿部关节控制周期为Δt，则单个步行周期的控制帧数n＝T/Δt，sj为1×n序列，为归一化曲线，sj∈[-1,1]n，j＝1,,18，(s1,s2,,s18)T为18×n矩阵。
[0016] 所述特殊控制算法首先自动设置通用步态指令(x，y，θ)为(0，0，0)，从而控制仿人机器人结束全方位步态运动，直到仿人机器人稳定站立再调用特殊步态。
[0017] 所述步行稳定控制算法，其包括以下步骤：
[0018] 步骤一，定义仿人机器人的脚底与
水平面的夹
角为Rf(φf,θf)，通过函数关系：
[0019]
[0020]
[0021] 求出仿人机器人的脚底与平面的夹角(φf,θf)，式中Rtorso和Rf分别是仿人机器人的躯干和
支撑脚在世界
坐标系下的旋转矩阵，Rsup是仿人机器人腿部关节旋转所对应的旋转矩阵；
[0022] 步骤二，通过所述姿态及方向传感器测得躯干姿态角 以及躯干转动
角速度ωr和ωp，在仿人机器人即将失去步行稳定，即ωr和ωp显著增大且提前于Rf(φf,θf)的变化时，修改原有步幅指令，进而使得仿人机器人在下一步或下几步恢复稳定步行。
[0023] 所述步骤二中，修改原有步幅指令的步幅的控制增量为：
[0024]
[0025]
[0026] 其中Δx和Δy分别是前后方向和侧移方向的步幅增量，Kpx，Kpy，px，py是需要调节的常数，由实际仿人机器人的步行稳定实验获得， 和 分别是(φf,θf)与目标数值之间的差异。该步行稳定控制算法仅依赖本发明所述的姿态及方向传感器及其所连接的关节转角反馈，不需依赖其他复杂的脚底力传感器便可实现步幅的稳定，能够有效兼容不同身高和腿部结构的仿人机器人，适用性更强，且利于决策控制模块的标准化。
[0027] 本发明的有益效果为：本发明结构设计合理巧妙，决策控制器对应若干连接紧固位置固定在仿人机器人躯干部分的安装盒内，便于决策控制器的安装和拆卸，另外在智能仿人机器人的决策控制模块内嵌入仿人机器人运动控制算法，通过全方位步行控制算法、特殊动作控制算法和步行稳定控制算法，实现了对仿人机器人步行、特殊动作的控制以及在仿人机器人失稳时的步态修正，且有利于决策控制模块的标准化。
[0028] 下面结合
附图与具体实施方式，对本发明进一步说明。
附图说明
[0029] 图1是本发明的立体图；
[0030] 图2是本发明中决策控制器的结构示意图；
[0031] 图3是本发明中决策控制器的立体图a；
[0032] 图4是本发明中决策控制器的立体图b；
[0033] 图5是本发明中集合Σ的线性函数和三角函数描述的归一化曲线。
具体实施方式
[0034]
实施例，参见图1、图2，本实施例提供的一种智能仿人机器人的决策控制模块，其包括决策控制器1和设置在仿人机器人躯干部分的安装盒2，所述安装盒2上设有若干用于固定所述决策控制器1的连接紧固位置21，所述决策控制器1包括壳体11和设置在所述壳体11内的控制电路板12，所述决策控制器1对应若干所述连接紧固位置21固定在所述安装盒2内，于所述壳体11上设有多个用于和所述控制电路板12连接的对外电气接口13。决策控制器1对应若干连接紧固位置21固定在仿人机器人躯干部分的安装盒2内，便于决策控制器1的安装和拆卸，无需拆除仿人机器人上如胸腔盖板等在内的部件，便于对决策控制器1的维修和检测。
[0035] 参见图3、图4，多个所述对外电气接口13包括USB接口131、以太网接口132、显示器输出接口133、第一电源接口134以及关节驱动器接口135，所述USB接口131、以太网接口132、显示器输出接口133、第一电源接口134以及关节驱动器接口135均与控制电路板12电性连接。USB接口131、以太网接口132、显示器输出接口133、第一电源接口134以及关节驱动器接口135的设置，便于控制电路板12与设备外供电电路或装置相连，方便仿人机器人的组装。
[0036] 所述控制电路板12上设有无线通讯模块、姿态及方向传感器、决策计算机系统、控制计算机系统和电源管理模块，所述姿态及方向传感器、无线通讯模块分别和所述控制计算机系统、决策计算机系统导通，所述控制计算机系统、决策计算机系统均与所述电源管理模块导通，所述USB接口131、以太网接口132、显示器输出接口133与所述决策计算机系统电性连接，所述关节驱动器接口135、第一电源接口134分别和所述电源管理模块电性连接。
[0037] 所述无线通讯模块由wifi无线网模块和bluetooth无线模块组成，能够连接WLAN无线局域网以及通过蓝牙设备对机器人实施无线互联和外部控制；所述姿态及方向传感器能够动态检测机器人躯干在三维空间内的姿态和转动角速度以及仿人机器人的面对方向，姿态及方向传感器由MEMS(微
机电系统)器件构成AHRS(航姿参考系统)传感器，集成三轴抗震
陀螺仪、三轴
加速度计及三轴
磁强计；决策计算机系统安装有
操作系统，如Linux，Windows等，负责完成仿人机器人的
图像采集、状态估计、智能决策、网络通讯等任务；控制计算机系统用于对关节驱动器的实时驱动进行控制，以保证多个关节在确定的时刻接收到新的运动指令，从而实现平滑的运动轨迹，避免机器人步行失稳；决策计算机系统和控制计算机系统两者之间采用一对一方式通信，采用标准的协议交换数据，形成主从式通讯和内存映射的结构。
[0038] 所述控制电路板12上还设有用于调节所述关节驱动器接口135输出电压的电压调节模块，所述电压调节模块和所述电源管理模块电性连接，所述决策控制器1的壳体11上设有用于控制所述电压调节模块的电压调节旋钮136。电压调节旋钮136的设置，通过电压调节模块条调节电源管理模块的输入电压，从而调节关节驱动器接口135的输出电压，增加了本发明中决策控制器1的适用性，能应对不同的电压输入。
[0039] 所述关节驱动器接口135包括若干控制接口、第二电源接口，若干所述控制接口与所述控制计算机系统电性连接，若干所述第二电源接口与所述电源管理模块电性连接。控制接口与第二电源接口的设计，设备外关节驱动器可直接与关节驱动器接口135连接便可实现决策控制器1对关节驱动器的供电以及
控制信号的传输，关节驱动器无需额外接通供电电源，使仿人机器人的结构简单化。
[0040] 一种内嵌于上述智能仿人机器人的决策控制模块的仿人机器人运动控制算法，其包括全方位步行控制算法、特殊动作控制算法以及步行稳定控制算法，所述全方位步行控制算法采用制定仿人机器人髋部和足部运动轨迹的方法实现仿人机器人的步行，所述全方位步行控制算法的目标是跟随任意方向、任意大小的运动步幅指令，所述运动步幅指令形T式为(Xc，Yc，θc) ，即单步的前进步幅Xc、侧移步幅Yc以及旋转步幅θc；
[0041] 所述特殊动作控制算法是通过离线调试，保存一系列关节关键帧，并在步行运行期间在线计算关键帧之间的三次样条曲线，每一组特殊步态均具有一个ID以区别其他的步态，步态ID以及执行的次数构成特殊步态控制指令；
[0042] 所述步行稳定控制算法在仿人机器人全方位步行期间有效，在仿人机器人即将失去步行稳定时，修改原有步幅指令，进而使得仿人机器人在下一步或下几步恢复稳定步行。在智能仿人机器人的决策控制模块内嵌入仿人机器人运动控制算法，通过全方位步行控制算法、特殊动作控制算法和步行稳定控制算法的，实现了对仿人机器人步行、特殊动作的控制以及在仿人机器人失稳时的步态修正。
[0043] 所述全方位步行控制算法采用归一化模式曲线与增益相乘的线性组合形式描述仿人机器人摆动足和髋部运动规律的方法生成关节轨迹，具体描述为：
[0044]
[0045] 式中，Pfm指摆动足轨迹，Phm指髋部轨迹，ai为幅度系数，i＝1,,12，步幅指令C＝(Xc,Yc,Θc)T，设单个步行周期时间为T，腿部关节控制周期为Δt，则单个步行周期的控制帧数n＝T/Δt，sj为1×n序列，为归一化曲线，sj∈[-1,1]n，j＝1,,18，(s1,s2,,s18)T为18×n矩阵。
[0046] 其中，(Xc,Yc,Θc)是是髋部姿态矩阵与仿人机器人姿态矩阵的齐次变换参数，规定该变换参数与运动步幅指令的关系存在比例关系：
[0047]
[0048] 其中，εx,εy,εθ∈[0,1]。
[0049] 因此，步态规划的参数可以归纳为：
[0050] Σn×18＝(s1,s2...s18)T
[0051] A1×15＝(a1,a2...a12,εx,εy,εθ)
[0052] 其中，曲线集合Σ定义摆了仿人机器人动足和髋部的轨迹形状，采用如图5所示的线性函数和三角函数描述的归一化曲线，描述机器人步行的基本模式。a1～a6则可以视作机器人做原地踏步时髋关节的偏移和摆动幅度。a7～a12可以视作原地踏步时摆动足的高度、摆动幅度等，该参数系列可以通过机器人的原地踏步动作，在实际机器人上调试进行优化。εx,εy,εθ则可通过稳定步行予以优化。最终仿人机器人步行期间，髋部和足部的运动轨迹只与步幅指令(Xc,Yc,Θc)T有关，最终通过腿部关节的逆运动学生成关节轨迹。
[0053] 所述特殊控制算法首先自动设置通用步态指令(x，y，θ)为(0，0，0)，从而控制仿人机器人结束全方位步态运动，直到仿人机器人稳定站立再调用特殊步态。
[0054] 所述步行稳定控制算法，其包括以下步骤：
[0055] 步骤一，定义仿人机器人的脚底与水平面的夹角为Rf(φf,θf)，通过函数关系：
[0056]
[0057]
[0058] 求出仿人机器人的脚底与平面的夹角(φf,θf)，式中Rtorso和Rf分别是仿人机器人的躯干和支撑脚在世界坐标系下的旋转矩阵，Rsup是仿人机器人腿部关节旋转所对应的旋转矩阵；
[0059] 步骤二，通过所述姿态及方向传感器测得躯干姿态角 以及躯干转动角速度ωr和ωp，在仿人机器人即将失去步行稳定，即ωr和ωp显著增大且提前于Rf(φf,θf)的变化时，修改原有步幅指令，进而使得仿人机器人在下一步或下几步恢复稳定步行。
[0060] 所述步骤二中，修改原有步幅指令的步幅的控制增量为：
[0061]
[0062]
[0063] 其中Δx和Δy分别是前后方向和侧移方向的步幅增量，Kpx，Kpy，px，py是需要调节的常数，由实际仿人机器人的步行稳定实验获得， 和 分别是(φf,θf)与目标数值之间的差异。该步行稳定控制算法仅依赖本发明所述的姿态及方向传感器及其所连接的关节转角反馈，不需依赖其他复杂的脚底力传感器便可实现步幅的稳定，能够有效兼容不同身高和腿部结构的仿人机器人，适用性更强，且利于决策控制模块的标准化。
[0064] 本发明结构设计合理巧妙，决策控制器1对应若干连接紧固位置21固定在仿人机器人躯干部分的安装盒2内，便于决策控制器1的安装和拆卸，另外在智能仿人机器人的决策控制模块内嵌入仿人机器人运动控制算法，通过全方位步行控制算法、特殊动作控制算法和步行稳定控制算法，实现了对仿人机器人步行、特殊动作的控制以及在仿人机器人失稳时的步态修正，且有利于决策控制模块的标准化。
[0065] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术手段和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。故凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。
