基于D-H参数法的机器人及其跳跃控制方法

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，具体涉及一种基于D-H参数法的机器人及其跳跃控制方法。

背景技术

在遇到地震、塌方等紧急情况时，很多地方人员无法直接进入。为了抢抓搜救时间，往往需要机器人执行搜救任务，到救生员无法达到的地方。现阶段搜救机器人主要有2种，一种是陆地机器人，在地面上运行进行搜救工作；另一种是飞行机器人，在开阔的场所，在天空飞行，对事故现场进行快速搜救。而陆地机器人搜救工作的展开不受空间、天气限制，比飞行机器人更被广泛使用。

对于复杂、地形多样的搜救场地，陆地机器人需要具有越障功能。地震废墟、井矿塌方等地形复杂，障碍物大，陆地机器人有时很难有效的越过各种障碍。现阶段陆地机器人包括履带式、多足式等。履带式最难越过障碍，遇到稍微大一些的障碍，机器人就无法通过。多足式机器人具有多个机器人腿，能够相对容易的越过障碍，向上向下爬行，然而遇到相比机器人体积较大的障碍时，不易越过障碍。

发明内容

本申请实施例提供一种基于D-H参数法的机器人及其跳跃控制方法，用以解决搜救机器人越障功能差的技术问题。

第一方面，本申请实施例提供一种基于D-H参数法的机器人，包括：

机身；

前腿和中腿，所述前腿设置于所述机身的底部且位于所述机身的前部，所述中腿设置于所述机身的底部且位于所述机身的中部；

跳跃装置，所述跳跃装置设于所述机身的底部且位于所述机身的后部，所述跳跃装置包括弹性部件、连接杆和后腿，所述弹性部件通过所述连接杆与所述后腿连接。

在一个实施例中，所述弹性部件沿所述机身的长度方向倾斜设置。

在一个实施例中，所述跳跃装置还包括锁定释放部件，所述连接杆的第一端与所述弹性部件铰接，所述锁定释放部件与所述连接杆的第二端连接，用于锁定或释放所述连接杆。

在一个实施例中，所述弹性部件包括第一弹簧和第二弹簧，所述第一弹簧位于所述连接杆的一侧，所述第二弹簧位于所述连接杆的另一侧，且所述第一弹簧与所述第二弹簧均与所述连接杆的第一端连接。

在一个实施例中，所述后腿包括第一后腿和第二后腿，所述第一后腿和所述第二后腿均与所述连接杆的第二端连接，且沿所述机身的宽度方向排列。

在一个实施例中，还包括减震装置，所述减震装置设置于所述前腿与所述机身之间和/或所述减震装置设置于所述中腿与所述机身之间。

在一个实施例中，所述前腿和所述中腿均为并联杆结构。

在一个实施例中，还包括控制器，所述控制器与所述前腿、所述中腿和所述跳跃装置电连接，用于控制所述前腿、所述中腿和所述跳跃装置的工作状态。

第二方面，本申请实施例提供一种基于D-H参数法的机器人的跳跃控制方法，包括：

基于D-H参数法计算后腿的跳跃参数；

当机器人遇到障碍时，跳跃装置的弹性部件收缩并产生弹性力，依据所述跳跃参数驱动所述后腿进行跳跃行为。

在一个实施例中，所述基于D-H参数法计算后腿的跳跃参数包括：

依据后腿的连杆结构建立坐标系和连杆关系矩阵；

将所述连杆关系矩阵相乘，得到机器人质心与坐标系的机器人关系矩阵；

依据机器人关系矩阵得到机器人坐标和机器人跳跃时的速度模型；

依据所述速度模型确定所述跳跃参数。

本申请实施例提供的一种基于D-H参数法的机器人，前腿和中腿分别位于机身的前部和中部，通过前腿和中腿实现机器人正常的移动行走；跳跃装置位于机身的后部，当机器人遇到障碍时，可以通过跳跃装置越过障碍；进一步地，本发明采用了弹性部件提供的弹性力作为动力来源，带动连接杆依据所述跳跃参数驱动所述后腿进行跳跃行为，满足了机器人大部分越障情况的需要。

进一步地，本申请实施例还提供一种基于D-H参数法的机器人的跳跃控制方法，其通过D-H参数法计算出机器人的跳跃速度，保证机器人跳跃能够精准控制，降低跳跃中的不确定性，提高跳跃稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种基于D-H参数法的机器人的初始状态和准备跳跃时的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种基于D-H参数法的机器人的跳跃状态的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的一种基于D-H参数法的机器人的跳跃控制方法的流程示意图；

图4是本申请实施例提供的基于D-H参数法计算的机器人简化示意图；

附图标记：

1：前腿； 2：中腿； 3：机身；

41：弹性部件；42：连接杆；43：后腿；

44：锁定释放部件；5：减震装置； 6：控制器；

7：图像传感器。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1和图2为本申请的一种基于D-H参数法的机器人的两种状态下的结构示意图。图3和图4为本申请实施例提供的一种基于D-H参数法的机器人的跳跃控制方法。

如图1和图2所示，本发明的一种基于D-H参数法的机器人，其包括：机身3、前腿1、中腿2、跳跃装置、减震装置5、图像传感器7、动力单元、搜救模块和控制器6等。

其中，机身3作为机器人的上部结构，其上安装了图像传感、动力单元和控制器6等，其下部作为安装前腿1、中腿2、减震装置5和跳跃装置的支撑。

图像传感器7用于采集机器人所处环境的图像信息，可传回控制器6或地面控制室，也可以作为机器人移动、搜救和越障的图像依据。动力单元作为机器人的动力来源，其包括蓄电池和电机等。控制器6则作为机器人整个移动、搜救和越障的控制中心，可以接收地面控制室发来的信号，并对机器人的前腿1、中腿2和跳跃装置进行控制驱动。

前腿1设置于机身3的底部且位于机身3的前部，中腿2设置于机身3的底部且位于机身3的中部。具体地，在本实施例中前腿1包括左前腿和右前腿；中腿2包括左中腿和右中腿，通过左前腿、右前腿、左中腿和右中腿的四个腿部支撑，机器人可满足大多数场合的移动所需。

进一步地，前腿1和中腿2可采用多种连接和结构方式，本实施例中采用自主调整的平行并联杆结构，提高了机器人对地面的适应能力。依据实际需要，前腿1和中腿2也可以采用直杆结构。

跳跃装置设于机身3的底部且位于机身3的后部，跳跃装置包括弹性部件41、连接杆42和后腿43，弹性部件41通过连接杆42与后腿43连接。

进一步地，本实施例的跳跃装置采用了利用弹性部件41作为动力源驱动连接杆42和后腿43进行跳跃。当需要进行跳跃行为时，首先锁定连接杆42，动力单元驱动弹性部件41收缩，并提供满足跳跃所需的弹性力，之后释放连接杆42，弹性部件41提供的弹性力，驱动连接杆42并带动后腿43进行跳跃。

进一步地，搜救模块主要满足各种搜救场景的需要，其可以为一种多轴机械臂或者传感器，机械臂可用于搬运废墟、石块等，传感器可以检测周围环境信息，对生命和财产等进行及时搜救。

在本实施例中，前腿1和中腿2分别位于机身3的前部和中部，主要用于机器人的支撑和移动，前腿1和中腿2适用于大多数平坦地形的移动；跳跃装置位于机身3的后部，主要用于机器人的跳跃，满足大部分越障需要。

本发明提供的一种基于D-H参数法的机器人，前腿1和中腿2分别位于机身3的前部和中部，通过前腿1和中腿2实现机器人正常的移动行走；跳跃装置位于机身3的后部，当机器人遇到障碍时，可以通过跳跃装置越过障碍；进一步地，本发明采用了弹性部件41提供的弹性力作为动力来源，带动连接杆42依据跳跃参数驱动后腿43进行跳跃行为，满足了机器人大部分越障情况的需要，例如：石块和废墟等。

在本申请的其中一个实施例中，弹性部件41沿机身3的长度方向倾斜设置。在本实施例中，弹性部件41安装点位位于机身3下部，且向上上扬，与水平方向呈45°角，弹性部件41与安装于机身3前部的蓄电池和电机重量匹配，保证机器人的前后重量平衡，增加了机器人的稳定性。而前腿1与后腿43的重量基本相当，则机器人在正常行进时，使得其前后质量基本相等，增强了其平衡性能和稳定性能。

在本申请的其中一个实施例中，跳跃装置还包括锁定释放部件44，连接杆42的第一端与弹性部件41铰接，锁定释放部件44与连接杆42的第二端连接，用于锁定或释放连接杆42。在本实施例中，锁定释放部件44主要用于锁定连接杆42或释放连接杆42，具体地，当机器人准备跳跃时，弹性部件41逐渐收缩，与此同时，锁定释放部件44将连接杆42锁定，则弹性部件41通过收缩来储存弹性力，此时连接杆42和后腿43均保持静止状态(如图1所示)；当弹性部件41储存足够的弹性力后，锁定释放部件44释放连接杆42，连接杆42在弹性部件41的弹性力作用下，开始转动，后腿43随连接杆42一起转动，进行一种“蹬”的运动，完成跳跃行为(如图2所示)。

具体地，锁定释放部件44可以为一种夹持机构，其具有抓手，并通过控制器6进行控制：控制器6可以控制抓手的张开和抱紧，当抓手抱紧连接杆42时，其能够克服弹性部件41产生的弹性力并使得连接杆42保持静止(即锁定状态)，当抓手张开时，连接杆42在弹性部件41的驱动下由抓手端部弹出(即释放状态)。应当理解的是，锁定释放部件44也可以采用具有同样锁定和释放功能的其他结构，本申请不局限于此。

在本申请的其中一个实施例中，弹性部件41包括第一弹簧和第二弹簧，第一弹簧位于连接杆42的一侧，第二弹簧位于连接杆42的另一侧，且第一弹簧和第二弹簧均与连接杆42的第一端连接。在本实施例中，弹性部件41采用了双弹簧结构，即在连接杆42的两侧分别布置弹簧，可以理解的是，第一弹簧和第二弹簧为同样规格的弹簧，保证二者在拉伸时提供相同的弹性力，增加了弹力和连接杆42的平衡性。另外，当其中一个弹簧失效时，另一根弹簧还能正常工作，形成弹簧冗余结构，保证弹性部件41的正常功能。

进一步地，连接杆42采用单杆的形式，能够平衡双弹簧之间的差异，避免弹力不均衡导致机器人侧翻的问题。

在本申请的其中一个实施例中，后腿43包括第一后腿和第二后腿，第一后腿和第二后腿均与连接杆42的第二端连接，且沿机身3的宽度方向排列。在本实施例中，第一后腿和第二后腿均具有支撑功能,其由弹性部件41提供的弹性力带动运动。第一后腿和第二后腿作为与地面接触的双支点结构，相比于单接触点结构，具有更好的支撑能力，能够保证机器人弹跳能力和落地的稳定性。

在本申请的其中一个实施例中，该基于D-H参数法的机器人还包括减震装置5，减震装置5设置于前腿1与机身3之间和/或减震装置5设置于中腿2与机身3之间。具体地，减震装置5可以仅设置于前腿1或中腿2，对前腿1或中腿2起到减振缓冲作用，减震装置5也可以布置多个，即在前腿1和中腿2均设有减震装置5。在本实施例中，减震装置5可以为液压式减震器、充气式减震器，其结构形式可以为单筒式，也可以为双筒式，减震装置5主要起到减震缓冲作用，当机器人跳跃落地后，增强其稳定性。

在本申请的其中一个实施例中，前腿1和中腿2均为并联杆结构。在本实施例中，后腿43为如图4所示的一种三连杆结构。

在本申请的其中一个实施例中，该基于D-H参数法的机器人还包括控制器6，控制器6与前腿1、中腿2和跳跃装置电连接，用于控制前腿1、中腿2和跳跃装置的工作状态。在本实施例中，控制器6作为机器人的“大脑”，其主要负责前腿1、中腿2和跳跃装置的动作，其也与机身3上的传感器电连接，主要用于接收图像传感器7采集到的周围环境信息，作为控制器6驱动前腿1、中腿2和跳跃装置的依据。

进一步地，控制器6还包括信息收发单元，可以与地面控制室或APP进行通信连接，一方面可以将机器人所处环境和搜救信息传输回到地面，另一方面可以接收地面发送的移动命令、越障命令和搜救命令等。

如图3和图4所示，本发明还提供一种基于D-H参数法的机器人的跳跃控制方法，该跳跃控制方法通过程序存储在机器人的控制器6内部。该跳跃控制方法包括：

基于D-H参数法计算后腿43的跳跃参数；

当机器人遇到障碍时，跳跃装置的弹性部件41收缩并产生弹性力，依据跳跃参数驱动后腿43进行跳跃行为。

进一步地，通过D-H参数法控制驱动后腿43，可以保证机器人的正常行进，并且在跳跃时，也可以保证机器人的平稳落地。

当图像传感器7监测到障碍时，或监测到前腿1和后腿43移动困难时，则判断机器人移动受阻，需要利用跳跃装置越过障碍。此时，控制器6通过D-H参数法计算后腿43的跳跃参数，控制弹性部件41收缩，并产生机器人足够越过障碍的弹性力，之后通过连接杆42传动带动后腿43进行跳跃。

在本申请的其中一个实施例中，基于D-H参数法计算后腿43的跳跃参数包括：

依据后腿43的连杆结构建立坐标系和连杆关系矩阵；

将连杆关系矩阵相乘，得到机器人质心与坐标系的机器人关系矩阵；

依据机器人关系矩阵得到机器人坐标和机器人跳跃时的速度模型；

依据速度模型确定跳跃参数。

如图3和图4所示，本发明实施例的机器人控制采用基于动力学模型的控制方法，能够更为精确的控制机器人跳跃。机器人的控制采用基于动力学模型的控制方法，能够更为精确的控制机器人跳跃。代用D-H参数法，机器人可简化为图4的示意图，其中图中E代表机器人质心，三连杆的长度分别为l

机器人D-H参数如下表所示：

因此，我们可以得到机器人每个杆的关系矩阵为：

式中，i＝1，2，3；a

将三个杆每个杆的关系矩阵相乘，可以得到质心E与坐标系{O0}的关系矩阵为：

其中

同理地：C

S

S

C

机器人机身3的坐标为(xE,yE,zE)＝(px,py,pz)，因此我们可以得到

因此，机器人跳跃时的速度模型为

其中，V

V

V

通过整合得到以下矩阵公式：

因此通过转动角，利用D-H参数法，可以计算出机器人的跳跃速度，保证机器人跳跃能够精准控制，降低跳跃中的不确定性，提高跳跃稳定性。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。