本發(fā)明涉及機器人控制技術領域，特別是涉及一種自適應運動多關節(jié)行走機器人。

背景技術：

機器人技術屬于高新技術領域，在近幾十年中發(fā)展迅猛。它綜合了運動學、力學、機械結(jié)構(gòu)學、信息科學、控制理論、計算機、傳感技術與人工智能等多學科的最新應用研究成果，是目前最受青睞的研究領域之一，其發(fā)展水平在很大程度上代表著相關學科的技術成熟程度。

四足多關節(jié)行走機器人作為一類特種機器人，能幫助人類完成在許多危險環(huán)境下的任務，例如恐怖現(xiàn)場、地震現(xiàn)場搜索、野外偵查、外層空間探測等。四足多關節(jié)行走機器人可分為空中、水下和地面三類機器人。而與人類最為密切相關的當屬地面機器人，它可分為兩大類：一類是由車輛技術縱向發(fā)展成的輪式（包括履帶式）機器人；另一類是根據(jù)自然界如蛇、袋鼠、狗、馬、騾子、螃蟹和蜘蛛等動物的步行原理而研制的仿生足式機器人。輪式機器人在堅硬平坦的路面上具有非常明顯的速度優(yōu)勢，因而輪式機械自問世以來便成為人類最重要的交通工具。但是，地球陸地環(huán)境中超過一半的面積都是高低不平的山地和沼澤，輪式機器人在這樣的環(huán)境中應用受到很大局限。然而，仿動物的足式機器人卻能克服這一局限，具有很強的路面適應性，能在人類無法到達的許多路面環(huán)境下行走。

因此，針對上述技術問題，有必要提供一種自適應運動多關節(jié)行走機器人。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種自適應運動多關節(jié)行走機器人。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例提供的技術方案如下：

一種自適應運動多關節(jié)行走機器人，所述機器人包括：

驅(qū)動單元，包括若干伺服舵機，機器人的四肢分別設有至少2個伺服舵機；

超聲波傳感器，用于作為機器人距離的回饋；

三軸加速度器，用于作為機器人平穩(wěn)值的回饋；

光敏電阻傳感器，用于作為機器人偏移量的回饋；

主控芯片，與驅(qū)動單元、超聲波傳感器、三軸加速度器及光敏電阻傳感器相連，用于控制機器人的運行狀態(tài)；

伺服舵機控制器，用于為伺服舵機編號以控制伺服舵機的狀態(tài)。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述伺服舵機的扭力不低于16kg，可旋轉(zhuǎn)角度為360°。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述機器人的四肢分別設有3個伺服舵機，共計12個伺服舵機。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述機器人的兩側(cè)分別設有1個伺服舵機，以平穩(wěn)機器人的重心。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述伺服舵機采用串接式方式連接，以統(tǒng)一接收主控芯片的控制信號。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述主控芯片為ARM Cortex-M芯片。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述主控芯片上還設有用于傳輸信號的USB串口和/或藍牙傳感器。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的機器人結(jié)構(gòu)簡單，容易組裝，構(gòu)行限制下比較自由，運動速度較佳，且運行穩(wěn)定，處于不穩(wěn)定的運動行能夠通過不斷的進化達成自我修復。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明一具體實施方式中自適應運動多關節(jié)行走機器人的系統(tǒng)模塊圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)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(fā)明保護的范圍。

參圖1所示，本發(fā)明一具體實施方式中的自適應運動多關節(jié)行走機器人，包括：

驅(qū)動單元10，包括若干伺服舵機，機器人的四肢分別設有至少2個伺服舵機，優(yōu)選地，伺服舵機的扭力不低于16kg，可旋轉(zhuǎn)角度為360°；伺服舵機采用串接式方式連接，以統(tǒng)一接收主控芯片的控制信號；

超聲波傳感器20，用于作為機器人距離的回饋；

三軸加速度器30，用于作為機器人平穩(wěn)值的回饋；

光敏電阻傳感器40，用于作為機器人偏移量的回饋；

主控芯片50，與驅(qū)動單元10、超聲波傳感器20、三軸加速度器30及光敏電阻傳感器40相連，用于控制機器人的運行狀態(tài)，優(yōu)選地，主控芯片為ARM Cortex-M芯片；

伺服舵機控制器60，用于為伺服舵機編號以控制伺服舵機的狀態(tài)。

進一步地，主控芯片50上還設有用于傳輸信號的USB串口70和/或藍牙傳感器80。

本發(fā)明中的機器人主要使用超聲波傳感器作為距離的回饋，使用三軸加速度器作為平穩(wěn)值的回饋，使用光敏電阻傳感器作為偏移量的回饋，進而達成機器人多目標演化。

本發(fā)明中針對這四足多關節(jié)行走機器人構(gòu)行的運動行為加以試驗以及評估。在機器人運動行為控制方面，本發(fā)明采用多目標進化遺傳算法來完成多個伺服舵機機器人復雜行為的控制，采用經(jīng)典遺傳算法以及多目標遺傳算法于四足多關節(jié)仿生構(gòu)型機器人上，并且朝向降低機器人控制方面，使用最少成本(例如：染色體復雜度、時間復雜度)來達成機器人的運動行為，試驗中本發(fā)明強調(diào)機器人處于不穩(wěn)定的運動行為通過不斷的進化達成自我修復能力為主要貢獻。

本發(fā)明中所采用的是使用伺服舵機系列的機器人，在于設計機器人構(gòu)行相對的相當自由且容易組裝，優(yōu)選地，本實施方式中中伺服舵機的扭力高達16kg，可以旋轉(zhuǎn)角度為360°，并且采用串接式伺服舵機，串接式伺服舵機和傳統(tǒng)的伺服舵機差別在于信號封包傳遞，傳統(tǒng)伺服舵機只能一個伺服舵機接收一個信號于控制器，而串接式伺服舵機是能將多個伺服舵機統(tǒng)一接收主控芯片的信號，所以本發(fā)明可以一次控制多個伺服舵機，相對的在對于設計機器人構(gòu)行限制下是比較自由的。

在本發(fā)明一實施例中，以四足多關節(jié)行走機器人為例進行說明，機器人的四肢可分別設有2個伺服舵機，總共控制的伺服舵機為8個。

然而因為四足多關節(jié)行走機器人足部較短導致運動速度緩慢，所以本發(fā)明的另一實施例中，四足多關節(jié)機器人把足部加長，四肢各增加一個伺服舵機，因為機器人四肢增長導致機器人重心比較不平穩(wěn)，為了解決這問題，本實施例在機器人身體兩側(cè)各增加一個伺服舵機來支撐機器人的平穩(wěn)，總共有14個伺服舵機，真正控制的伺服舵機為12個。

同時模仿在真實世界中，機器人在執(zhí)行任務時，會有伺服舵機故障情況發(fā)生，機器人要如何去調(diào)適運動行為，在這構(gòu)型會有8個伺服舵機，有一個伺服舵機故障不會動作，所以真正控制的伺服舵機為7 個。機器人搭載比較多的伺服舵機，會使機器人本身變得比較難以控制，相對也會增加硬件損壞率，所以必須要精確的規(guī)范每一個動作(例如：每個伺服舵機的角度)。

由于四足多關節(jié)行走機器人關節(jié)多，自由度多，而且搭載了多種傳感器模塊，因此控制比較繁雜。本發(fā)明在機器人總共有14個伺服舵機，主控芯片采用 ST 公司的 ARM Cortex-M 系列產(chǎn)品。

本發(fā)明使用扭力較大的伺服舵機，能夠幫助本機器人在試驗環(huán)境中克服伺服舵機的耗損及各種因素的影響，與傳統(tǒng)的伺服舵機相比，AX12 DYNAMIXEL提供了16kg 的高扭力。AX-12DYNAMIXEL 伺服舵機不像R/C 伺服舵機使用PWM 控制器，具有多個伺服舵機串連操作，伺服舵機角度可以360°轉(zhuǎn)動，但因為考慮機器人運動行為，本發(fā)明會限制伺服舵機轉(zhuǎn)動的角度，以免造成硬件的消耗。

本發(fā)明的機器人是由多個伺服舵機拼接而成的，所以都要為每個伺服舵機進行編號來控制機器人的行為。優(yōu)選地，采用CM-530 伺服舵機控制器為各個伺服舵機編號，再通過RoboPlus伺服舵機控制軟件為每個伺服舵機進行編號。

本發(fā)明利用針對仿生機器人粒子群優(yōu)化算法，通過局部搜尋的多樣式的微調(diào)去改變基因排列及個體數(shù)組合，來控制機器人的行為。另外，本發(fā)明專利采用循環(huán)演化的方式，以四足多關節(jié)行走機器人為主要構(gòu)型，并且控制由多顆伺服舵機組合而成的機器人。因為機器人是采用多目標演化來當作遺傳的依據(jù)，所以多目標演化適應值評估是進行多目標權重分配，為機器人的一套行為進行評分，然后會選擇排名前三名的適應值個體先進行交叉的后作第一次的局部搜尋然后突變再作第二次的局部搜尋。

在本發(fā)明的一具體實施例中，以總長為160cm、寬為80cm的開放式長方形空間為例進行試驗，采用多目標演化當作試驗的主軸，使機器人能夠達成快速且平穩(wěn)的朝向目標物移動。

本發(fā)明以組為單位進行微調(diào)操作，且采取足與足的間互相模仿的方式，來控制機器人的一系列運動行為，故障的伺服舵機不列入計算范圍。首先會先取得該組每顆伺服舵機角度進行加總后求平均值，以平均值當作基準，假如該組該伺服舵機大于平均值，則對該伺服舵機進行-20°微調(diào)，反之如果小于平均值，則對該組該顆伺服舵機進行+20°的微調(diào)，使該組轉(zhuǎn)動相似程度提升，然后通過適應值評估目前的微調(diào)對于機器人行為好不好，如果評估比上一代演化來的好，則會繼續(xù)采取一樣的模式進行微調(diào)，反之如果評估是不好的，則采用反向模式操作，也就是說使足與足的間的相似程度降低進行微調(diào)。從試驗結(jié)果證明，機器人的運動行為能夠得到明顯的改善，且能夠加快機器人的收斂時間，降低試驗所耗的成本。

在本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，以四足多關節(jié)機器人為例，機器人的四肢分別設有3個伺服舵機，共計12個伺服舵機，以m0~m11 表示，為每顆伺服舵機來編號m0伺服舵機編號為1，以此類推一直到m11伺服舵機編號為12。然后通過伺服舵機控制器分別控制各個伺服舵機的行為。

由上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明的機器人結(jié)構(gòu)簡單，容易組裝，構(gòu)行限制下比較自由，運動速度較佳，且運行穩(wěn)定，處于不穩(wěn)定的運動行能夠通過不斷的進化達成自我修復。

對于本領域技術人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經(jīng)適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。