CN117565037A - 基于相位域合成的爬虫机器人实时运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于相位域合成的爬虫机器人实时运动控制方法，首先建立表示爬虫机器人节段伸缩节律的局部相位与时间的对应关系，并计算不同运动模式下爬虫机器人参考关节位置与相位之间的关系，且进行快速傅里叶变换，并在频域进行压缩及特征提取，得到不同运动模式的特征；获得操作指令后，生成指令相位和运动模式特征，利用操作指令对应的特征，与直线运动模式特征在相位域中进行对齐、叠加，从而合成新运动模式。本发明通过建立局部相位，将运动模式合成工作从时域转移到相位域，有效降低运动模式的特征维度，实现不同时间尺度的运动模式在常数时间消耗下高效合成，使用户可以根据地形和运动情况实时修正运动路径，提高爬虫机器人复杂地形下的机动性。

Description

基于相位域合成的爬虫机器人实时运动控制方法

技术领域

本发明涉及爬虫机器人运动控制领域，特别涉及一种基于相位域合成的多节段串并混联爬虫机器人的实时运动控制方法。

背景技术

中国专利CN115352545B提出了一种易于小型化的高机动性爬虫机器人。该机器人采用串并混联结构，具有高自由度，可以实现伸缩、偏转、俯仰等多种运动模式，适合在狭小空间内执行任务。由于此类爬虫机器人借助足部抓地提供附着力，通过身体周期性变形改变附着位置从而实现移动，因此其身体形态在运动过程中应尽量贴合地形，从而保证足部良好附着，提升运动稳定性。这就要求为此类机器人全身关节设计适应空间运动任务的运动控制方法和控制系统，依据人类操作员的操作指令实时生成对应的机器人参考关节位置。但是现有控制方法和控制系统在运动技能丰富性、时间开销等方面难以满足任务需要。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明提出一种基于相位域合成的爬虫机器人实时运动控制方法，针对采用串并混联结构的爬虫机器人，通过提取机器人基本运动模式、预设路径、操作指令的相位域特征，并提供了三者的合成策略，从而生成可以适应复杂地面环境的参考关节位置。

本发明的技术方案为：

一种基于相位域合成的爬虫机器人实时运动控制方法，包括以下步骤：

步骤1：建立表示爬虫机器人节段伸缩节律的局部相位与时间的对应关系：

式中，表示第i个节段在t时刻的相位，表示相位φ⁽ⁱ⁾在时刻的变化速度；用向量φ表示所有节段的局部相位：n_s为爬虫机器人节段个数；

步骤2：依据爬虫机器人的脊线运动学模型与动力学模型计算不同运动模式下，爬虫机器人参考关节位置与相位之间的关系其中表示某一运动模式下，局部相位为φ时，由所有关节的位置组成的向量，Θ表示所有允许的关节位置，n_a表示关节的数量；所述运动模式包括直线运动模式、空间运动模式以及预设地形模式；

步骤3：对步骤2得到的参考关节位置与相位之间的关系进行快速傅里叶变换，并在频域进行压缩及特征提取，得到不同运动模式的特征：其中，表示FFT运算，θ_e表示初始关节位置，ω表示特征的频率分量，Γ(ω)表示频率分量ω对应的值；

步骤4：获取操作指令，其中第k个操作指令对应时刻t_k，从而生成一组指令相位和运动模式特征

步骤5：利用步骤4得到的操作指令对应的特征Γ_k(ω)，与直线运动模式特征Γ_r(ω)，在相位域中，依据当前的局部相位φ和指令相位φ_r,k进行对齐、叠加，从而合成新运动模式，得到新运动模式的参考关节位置和相位的关系：

进而依据步骤1建立的局部相位与时间的关系，得到未来一段时间内参考关节位置与时间的对应关系其中，n_c表示操作指令个数，Ω_k表示指令特征Γ_k(ω)对应的所有频率分量，Ω_r表示直线运动特征Γ_r(ω)对应的所有频率分量；

步骤6：对于t_k+1时刻输入的新操作指令，重复步骤4～步骤5重新合成新的运动模式，直至运动结束。

进一步的，步骤2中，所述空间运动模式包括俯仰运动模式以及偏转运动模式。

进一步的，当步骤4中，当k＝0时，对应预设地形模式。

在此基础上，本发明提出一种基于相位域合成的爬虫机器人实时运动控制系统，包括用户操作终端、运动模式控制器和关节伺服控制器；

所述用户操作终端能够用于输入操作指令；

所述运动模式控制器包含内部时钟模块、运动模式特征存储模块、运动模式合成模块、客户端通信模块和参考角度输出模块；

所述内部时钟模块用于计时，提供操作指令之间的对齐基准；

所述运动模式特征存储模块用于存储步骤3中得到的不同运动模式的特征；

所述运动模式合成模块用于执行步骤4～步骤6，生成受用户实时控制的运动模式，输出未来一段时间内的参考关节角度，实现爬虫机器人实时运动控制；

所述客户端通信模块用于运动模式控制器与用户操作终端之间通信，接收用户操作指令，同时向用户操作终端上传当前关节位置信息；

所述参考角度输出模块用于向关节伺服控制器输出参考关节角度；

所述关节伺服控制器用于控制关节运动，使机器人关节实际位置跟踪运动模式控制器输出的参考关节位置。

进一步的，所述用户操作终端还能够用于监视爬虫机器人当前的关节位置。

进一步的，所述运动模式控制器运行在爬虫机器人搭载的嵌入式微控制器上，或者运行在远程终端上。

进一步的，所述关节伺服控制器使用嵌入式微控制器实现，并集成在机器人本体上。

进一步的，所述用户操作终端的形式包括但不限于手柄、运行在手机或笔记本电脑上的应用程序；用户能够通过手柄摇杆、键盘按键或点击屏幕按钮方式输出用户设置的操作指令。

有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明提出一种基于相位域合成的爬虫机器人实时运动控制方法，该方法基于预设地形和少数几种基本运动模式，能够生成新的运动模式，提升了爬虫机器人运动模式的丰富性，进而提高了爬虫机器人复杂地形下的运动能力，同时也降低了机器人运动模式设计工作量。

2.本发明所述基于相位域合成的爬虫机器人实时运动控制方法，通过建立局部相位，将运动模式合成工作从时域转移到相位域，可以有效降低运动模式的特征维度，实现了不同时间尺度的运动模式在常数时间消耗下高效合成，使用户可以根据地形和运动情况实时修正运动路径，提高了爬虫机器人复杂地形下的机动性。

3.本发明提出一种基于相位域合成的爬虫机器人实时运动控制系统，为实现本发明所述控制方法建立了灵活的运动控制系统框架，使用户可以通过有线或无线方式，在多种操作终端上实时控制爬虫机器人的三维空间运动。基于所述方法和系统的爬虫机器人能够在核设施检测、发动机原位检测、空间站维护、灾害废墟救援等任务中得到应用。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：基于相位域合成的爬虫机器人实时运动控制方法流程图；

图2：4节段串—并混联爬虫机器人结构图；

图3：基于相空间合成的爬虫机器人实时运动控制系统架构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例以一个4节段串并混联爬虫机器人为例，即n_s＝4。该机器人每个节段由3个电机驱动，共有n_a＝12个驱动关节。共有四项用户操作指令，分别是：左转、右转、爬坡和下坡，对应了水平方向的偏转和垂直方向的俯仰运动。尽管本实施例中仅给出了四种操作指令，但操作指令也可以依据在本领域技术人员的实际需要进行拓展。在本实施例中，对该爬虫机器人进行实时运动控制的方法，包括以下步骤：

步骤1：建立表示爬虫机器人节段伸缩节律的局部相位与时间的对应关系：

式中，表示第i个节段在t时刻的相位，表示相位φ⁽ⁱ⁾在时刻的变化速度，由直线运动步态周期T、摆动时间T⁽ⁱ⁾和延迟时间共同决定。对于0≤t-kT<T，如果那么否则，δ⁽ⁱ⁾(t)＝0；用向量φ表示所有节段的局部相位：

步骤2：依据爬虫机器人的脊线运动学模型与动力学模型计算在直线运动模式、预设地形模式以及空间运动模式下，爬虫机器人参考关节位置与相位之间的关系这里空间运动模式对应了上述水平方向的偏转和垂直方向的俯仰运动。表示某一运动模式下，局部相位为φ时，由所有关节的位置组成的向量，Θ表示所有允许的关节位置，在本实施例中，任一驱动关节角度满足0°<θ<90°。

步骤3：对步骤2得到的参考关节位置与相位之间的关系进行快速傅里叶变换(FFT)，并在频域进行压缩及特征提取，得到不同运动模式的特征： 其中，表示FFT运算，θ_e表示初始关节位置，ω表示特征的频率分量，Γ(ω)表示频率分量ω对应的值。

步骤4：获取操作指令，其中第k个操作指令对应时刻t_k，从而生成一组指令相位和运动模式特征特殊地，k＝0时表示预设地形。

步骤5：利用步骤4得到的操作指令对应的特征Γ_k(ω)，与直线运动模式特征Γ_r(ω)，在相位域中，依据当前的局部相位φ和指令相位φ_r,k进行对齐、叠加，从而合成新运动模式，得到新运动模式的参考关节位置和相位的关系：

其中，频率特征Γ_k(ω)和Γ_r(ω)均是复数，可表示为Γ＝|Γ|e^j∠Γ。进而依据步骤1建立的局部相位与时间的关系，得到未来一段时间内参考关节位置与时间的对应关系其中，n_c表示操作指令个数，Ω_k表示指令特征Γ_k(ω)对应的所有频率分量，Ω_r表示直线运动特征Γ_r(ω)对应的所有频率分量。

步骤6：对于t_k+1时刻输入的新操作指令，重复步骤4～步骤5重新合成新的运动模式，直至运动结束。

在此基础上，本实施例提出一种基于相位域合成的爬虫机器人实时运动控制系统，包括用户操作终端、运动模式控制器和关节伺服控制器；

所述用户操作终端能够用于输入操作指令；具体而言所述用户操作终端的形式包括但不限于手柄、运行在手机或笔记本电脑上的应用程序；用户能够通过手柄摇杆、键盘按键或点击屏幕按钮方式输出用户设置的操作指令。本实施例中，用户操作终端的形式是一款应用程序，运行于用户的笔记本电脑上。在机器人运动过程中，用户可以随时点击用户操作界面上“左转”、“右转”、“上坡”、“下坡”、“直线运动”等按钮，向机器人发送相应的操作指令。同时，在用户操作终端的界面上展示机器人当前驱动关节角度。

所述运动模式控制器包含内部时钟模块、运动模式特征存储模块、运动模式合成模块、客户端通信模块和参考角度输出模块；所述运动模式控制器运行在爬虫机器人搭载的嵌入式微控制器上，或者运行在远程终端上；本实施例中运动模式控制器运行在用户的笔记本电脑上。

所述内部时钟模块用于计时，提供操作指令之间的对齐基准。

所述运动模式特征存储模块用于存储步骤3中得到的不同运动模式的特征。

所述运动模式合成模块用于执行步骤4～步骤6，生成受用户实时控制的运动模式，输出未来一段时间内的参考关节角度，实现爬虫机器人实时运动控制。

所述客户端通信模块用于运动模式控制器与用户操作终端之间Socket通信，接收用户操作指令，同时向用户操作终端上传当前关节位置信息。

所述参考角度输出模块用于向关节伺服控制器输出参考关节角度。

所述关节伺服控制器用于控制关节运动，采用PID控制器，使机器人关节实际位置跟踪运动模式控制器输出的参考关节位置。关节伺服控制器运行在机器人本体集成的嵌入式微控制器上，与运动模式控制器之间通过WIFI通信。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于相位域合成的爬虫机器人实时运动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立表示爬虫机器人节段伸缩节律的局部相位与时间的对应关系：

式中，表示第i个节段在t时刻的相位，表示相位φ⁽ⁱ⁾在时刻的变化速度；用向量φ表示所有节段的局部相位：n_s为爬虫机器人节段个数；

步骤2：依据爬虫机器人的脊线运动学模型与动力学模型计算不同运动模式下，爬虫机器人参考关节位置与相位之间的关系其中表示某一运动模式下，局部相位为φ时，由所有关节的位置组成的向量，Θ表示所有允许的关节位置，n_a表示关节的数量；所述运动模式包括直线运动模式、空间运动模式以及预设地形模式；

步骤3：对步骤2得到的参考关节位置与相位之间的关系进行快速傅里叶变换，并在频域进行压缩及特征提取，得到不同运动模式的特征：其中，表示FFT运算，θ_e表示初始关节位置，ω表示特征的频率分量，Γ(ω)表示频率分量ω对应的值；

步骤4：获取操作指令，其中第k个操作指令对应时刻t_k，从而生成一组指令相位和运动模式特征

步骤5：利用步骤4得到的操作指令对应的特征Γ_k(ω)，与直线运动模式特征Γ_r(ω)，在相位域中，依据当前的局部相位φ和指令相位φ_r,k进行对齐、叠加，从而合成新运动模式，得到新运动模式的参考关节位置和相位的关系：

进而依据步骤1建立的局部相位与时间的关系，得到未来一段时间内参考关节位置与时间的对应关系其中，n_c表示操作指令个数，Ω_k表示指令特征Γ_k(ω)对应的所有频率分量，Ω_r表示直线运动特征Γ_r(ω)对应的所有频率分量；

步骤6：对于t_k+1时刻输入的新操作指令，重复步骤4～步骤5重新合成新的运动模式，直至运动结束。

2.根据权利要求1所述一种基于相位域合成的爬虫机器人实时运动控制方法，其特征在于：步骤2中，所述空间运动模式包括俯仰运动模式以及偏转运动模式。

3.根据权利要求1所述一种基于相位域合成的爬虫机器人实时运动控制方法，其特征在于：当步骤4中，当k＝0时，对应预设地形模式。

4.一种实现权利要求1～3任一所述方法的爬虫机器人实时运动控制系统，其特征在于：包括用户操作终端、运动模式控制器和关节伺服控制器；

所述用户操作终端能够用于输入操作指令；

所述运动模式控制器包含内部时钟模块、运动模式特征存储模块、运动模式合成模块、客户端通信模块和参考角度输出模块；

所述内部时钟模块用于计时，提供操作指令之间的对齐基准；

所述运动模式特征存储模块用于存储步骤3中得到的不同运动模式的特征；

所述运动模式合成模块用于执行步骤4～步骤6，生成受用户实时控制的运动模式，输出未来一段时间内的参考关节角度，实现爬虫机器人实时运动控制；

所述客户端通信模块用于运动模式控制器与用户操作终端之间通信，接收用户操作指令，同时向用户操作终端上传当前关节位置信息；

所述参考角度输出模块用于向关节伺服控制器输出参考关节角度；

所述关节伺服控制器用于控制关节运动，使机器人关节实际位置跟踪运动模式控制器输出的参考关节位置。

5.根据权利要求4所述爬虫机器人实时运动控制系统，其特征在于：所述用户操作终端还能够用于监视爬虫机器人当前的关节位置。

6.根据权利要求4所述爬虫机器人实时运动控制系统，其特征在于：所述运动模式控制器运行在爬虫机器人搭载的嵌入式微控制器上，或者运行在远程终端上。

7.根据权利要求4所述爬虫机器人实时运动控制系统，其特征在于：所述关节伺服控制器使用嵌入式微控制器实现，并集成在机器人本体上。

8.根据权利要求4所述爬虫机器人实时运动控制系统，其特征在于：所述用户操作终端的形式包括但不限于手柄、运行在手机或笔记本电脑上的应用程序；用户能够通过手柄摇杆、键盘按键或点击屏幕按钮方式输出用户设置的操作指令。