一種多層可配置足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種多層可配置足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)，包括與用戶進(jìn)行交互的用戶視圖層、與攀爬機(jī)器人硬件進(jìn)行交互的硬件相關(guān)層、進(jìn)行路徑規(guī)劃和步態(tài)管理的路徑步態(tài)層、完成數(shù)據(jù)配置組織存儲(chǔ)與分析的數(shù)據(jù)中心層以及調(diào)度各層運(yùn)行的主控層；所述主控層分別與用戶視圖層、路徑步態(tài)層以及硬件相關(guān)層以及數(shù)據(jù)中心層相互通信，數(shù)據(jù)中心層分別與其他各層互聯(lián)。本發(fā)明專利技術(shù)應(yīng)用于足式攀爬機(jī)器人，功能較為完備，可針對(duì)不同機(jī)器人自由配置，通用性強(qiáng)。

Multi layer configurable foot climbing robot mobile control system

The invention discloses a multilayer configuration foot type climbing robot moving control system, including the interaction with the user view layer, and climbing robot hardware interact with the hardware layer, path layer, gait path planning and gait management of the main control layer data layer data storage and analysis organization configuration the operation and scheduling of each layer; the main control layer and the view layer, user layer and hardware layer gait path and data center layer communication, data center layer and other layers of the internet. The invention is applied to foot climbing robot, which has the advantages of complete function, free configuration for different robots and strong versatility.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種多層可配置足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)
本專利技術(shù)涉及機(jī)器人控制
，特別是一種應(yīng)用于足式攀爬機(jī)器人的移動(dòng)控制系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
近年來，智能機(jī)器人發(fā)展異常迅猛，典型的包括攀爬機(jī)器人、輪式機(jī)器人和旋翼式無人機(jī)，其中輪式機(jī)器人和旋翼式無人機(jī)的控制系統(tǒng)發(fā)展也日趨成熟，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程和居民生活；而相對(duì)地，攀爬機(jī)器人目前則還處在發(fā)展階段。攀爬機(jī)器人從吸附原理主要分為生物粘附式、手爪式、電磁吸附式，從移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要分為足式、輪式；其中足式攀爬機(jī)器人主要用于檢測(cè)空間桁架結(jié)構(gòu)，比如電力桿塔、鐵橋、腳手架、信號(hào)塔等，其攀爬環(huán)境主要是桿件組成的三維空間桁架。攀爬機(jī)器人隨著自由度的增加，并發(fā)度成倍增長(zhǎng)，控制邏輯的復(fù)雜度也成指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這就使得控制系統(tǒng)潛在的相互協(xié)調(diào)、相互制約機(jī)制較多，控制耦合度較高。一般足式攀爬機(jī)器人需要開發(fā)專用控制系統(tǒng)，這些專用控制系統(tǒng)僅能對(duì)相應(yīng)的機(jī)器人進(jìn)行控制，通用性不強(qiáng)，功能單一。現(xiàn)有足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)大多具體存在以下缺點(diǎn)：1）移動(dòng)控制系統(tǒng)多為特定的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，難以根據(jù)硬件的變化自動(dòng)配置；2）移動(dòng)過程中往往接受用戶的微觀移動(dòng)指令，缺少從宏觀的路徑規(guī)劃到微觀的關(guān)節(jié)機(jī)械動(dòng)作控制的集成；3）控制系統(tǒng)不夠完善，缺少安全管理、歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析等功能；4）移動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)耦合和控制耦合度較高，模塊化程度低，復(fù)用度低，難以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行裁剪配置，系統(tǒng)生命周期短。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)需要解決的技術(shù)問題是提供一種應(yīng)用于足式攀爬機(jī)器人的、可配置式移動(dòng)控制系統(tǒng)，提高控制系統(tǒng)的通用性。為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)所采取的技術(shù)方案如下。一種多層可配置足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)，包括與用戶進(jìn)行交互的用戶視圖層、與攀爬機(jī)器人硬件進(jìn)行交互的硬件相關(guān)層、進(jìn)行路徑規(guī)劃和步態(tài)管理的路徑步態(tài)層、完成數(shù)據(jù)配置組織存儲(chǔ)與分析的數(shù)據(jù)中心層以及調(diào)度各層運(yùn)行的主控層；所述主控層分別與用戶視圖層、路徑步態(tài)層以及硬件相關(guān)層以及數(shù)據(jù)中心層相互通信，數(shù)據(jù)中心層分別與其他各層互聯(lián)。上述一種多層可配置足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)，所述用戶視圖層包括數(shù)據(jù)顯示模塊和操控模塊；數(shù)據(jù)顯示模塊用于以列表、圖形、仿真攀爬機(jī)器人、視頻形式展示攀爬機(jī)器人攀爬過程中的環(huán)境狀態(tài)和攀爬機(jī)器人本體狀態(tài)；操控模塊按照用戶選定的方式控制攀爬機(jī)器人動(dòng)作。上述一種多層可配置足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)，所述用戶選定控制方式為預(yù)置指令列表、手勢(shì)、XBox360搖桿或者Kinect方式。上述一種多層可配置足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)，所述主控層包括系統(tǒng)調(diào)度監(jiān)控模塊和移動(dòng)安全模塊，系統(tǒng)調(diào)度模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度、SLAM、警報(bào)、日志、運(yùn)行時(shí)間監(jiān)控和數(shù)據(jù)訪問頻度監(jiān)控，移動(dòng)安全模塊負(fù)責(zé)用戶身份鑒別、權(quán)限管理和審計(jì)。上述一種多層可配置足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)中心層包括元數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，元數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理控制系統(tǒng)可變、可配置數(shù)據(jù)的取值，數(shù)據(jù)管理模塊主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、檢索攀爬機(jī)器人在移動(dòng)過程中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析模塊采用數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)找出攀爬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特征、指導(dǎo)攀爬機(jī)器人的操控和攀爬運(yùn)行。上述一種多層可配置足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)管理模塊包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理子模塊和歷史數(shù)據(jù)管理子模塊，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理子模塊管理攀爬機(jī)器人移動(dòng)過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)管理子模塊負(fù)責(zé)在攀爬機(jī)器人攀爬移動(dòng)結(jié)束后把移動(dòng)過程中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫或者LDAP服務(wù)器中。上述一種多層可配置足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)，所述路徑步態(tài)層包括避障模塊、路徑規(guī)劃模塊、關(guān)節(jié)步態(tài)管理模塊；其中，避障模塊指導(dǎo)攀爬機(jī)器人發(fā)現(xiàn)和避開障礙，較大的障礙在選擇行進(jìn)路線時(shí)繞開，較小的障礙通過調(diào)整關(guān)節(jié)機(jī)械動(dòng)作序列避開；路徑規(guī)劃模塊按照逐步求精的原則分為三級(jí)規(guī)劃，從宏觀到微觀依次是全局路徑規(guī)劃、具體的落腳點(diǎn)規(guī)劃和單步路徑規(guī)劃，輸出串行指令序列；關(guān)節(jié)步態(tài)管理模塊用于根據(jù)約束條件轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)動(dòng)作指令并協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)完成攀爬動(dòng)作。上述一種多層可配置足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)，所述路徑規(guī)劃模塊包括全局路徑規(guī)劃子模塊、落腳點(diǎn)規(guī)劃子模塊和單步規(guī)劃子模塊；其中，全局路徑規(guī)劃子模塊從全局角度對(duì)攀爬環(huán)境進(jìn)行分析，并從中粗略地篩選出一些關(guān)鍵路線構(gòu)成具有全局指向性的路徑地圖；落腳點(diǎn)規(guī)劃子模塊根據(jù)攀爬機(jī)器人各種步態(tài)的動(dòng)作范圍，以某種評(píng)價(jià)指標(biāo)為依據(jù)將路徑地圖進(jìn)行分割和離散，從而編排成環(huán)環(huán)相扣的落腳點(diǎn)序列；單步規(guī)劃子模塊規(guī)劃攀爬機(jī)構(gòu)在落腳點(diǎn)之間的攀爬運(yùn)動(dòng)。上述一種多層可配置足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)，所述關(guān)節(jié)步態(tài)管理模塊包括關(guān)節(jié)動(dòng)作序列轉(zhuǎn)換器、關(guān)節(jié)觸發(fā)器、關(guān)節(jié)動(dòng)作過程子模塊、關(guān)節(jié)事務(wù)系統(tǒng)子模塊以及關(guān)節(jié)防護(hù)子模塊；其中，關(guān)節(jié)動(dòng)作序列轉(zhuǎn)換器將路徑規(guī)劃模塊輸出的串行指令序列根據(jù)攀爬動(dòng)作范圍、外部約束等轉(zhuǎn)換為初步的并行關(guān)節(jié)指令序列；關(guān)節(jié)觸發(fā)器負(fù)責(zé)攀爬機(jī)器人多足之間的一個(gè)自動(dòng)協(xié)調(diào)機(jī)制；關(guān)節(jié)動(dòng)作過程子模塊負(fù)責(zé)管理關(guān)節(jié)機(jī)械動(dòng)作的各個(gè)序列，完成一個(gè)個(gè)指令動(dòng)作；關(guān)節(jié)事務(wù)管理子模塊用于保證足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)過程中關(guān)節(jié)機(jī)械動(dòng)作序列的事務(wù)特征；關(guān)節(jié)防護(hù)子模塊約束關(guān)節(jié)機(jī)械動(dòng)作。上述一種多層可配置足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)，所述硬件相關(guān)層包括信息采集接口、傳感器信息融合模塊和執(zhí)行器接口，其中，信息采集接口通過傳感器獲取機(jī)器人本體自身信息和環(huán)境信息，傳感器信息融合模塊主要融合傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)，執(zhí)行器接口驅(qū)動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行器硬件機(jī)構(gòu)完成預(yù)定動(dòng)作。由于采用了以上技術(shù)方案，本專利技術(shù)所取得技術(shù)進(jìn)步如下。本專利技術(shù)應(yīng)用于足式攀爬機(jī)器人，不僅可針對(duì)不同機(jī)器人自由配置，通用性強(qiáng)；并且其功能較為完備，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。1）本專利技術(shù)以數(shù)據(jù)流和控制流為中心，功能完備。不僅具有一般的感知、控制、定位、路徑規(guī)劃與避障等功能，還通過移動(dòng)安全模塊、關(guān)節(jié)步態(tài)管理器模塊、數(shù)據(jù)分析模塊等提供更加精細(xì)、完整的功能，從而保障機(jī)器人安全、高效地運(yùn)行。2）本專利技術(shù)通過多層體系結(jié)構(gòu)解耦合，業(yè)務(wù)邏輯清晰。用戶視圖層、數(shù)據(jù)中心層、主控層、路徑步態(tài)層、硬件相關(guān)層只與相鄰的上下層相關(guān)，與其它層是分離的，相對(duì)獨(dú)立。具體地說，用戶視圖層與路徑步態(tài)層、硬件相關(guān)層分離，當(dāng)用戶視圖層（數(shù)據(jù)顯示模塊或者操控模塊）需要更改時(shí)，不需要修改路徑步態(tài)層和硬件相關(guān)層。類似地，路徑步態(tài)層與用戶視圖層分離，當(dāng)路徑步態(tài)層需要修改時(shí)，不需要修改用戶視圖層；硬件相關(guān)層與數(shù)據(jù)中心層、用戶視圖層分離，當(dāng)與硬件相關(guān)的感知、控制等需要更改時(shí)，不需要修改數(shù)據(jù)中心層和用戶視圖層。數(shù)據(jù)中心層的永久數(shù)據(jù)可以根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)模和訪問次數(shù)存儲(chǔ)在RDBMS或者LDAP服務(wù)器中。只要正確實(shí)現(xiàn)了模型和接口訪問機(jī)制，用戶視圖層的數(shù)據(jù)顯示模塊就會(huì)正確顯示機(jī)器人的信息和環(huán)境信息，操控模塊就會(huì)正確控制機(jī)器人。由于采用五層分離體系，改變其中一層不會(huì)影響其他層，所以根據(jù)這種設(shè)計(jì)思想能構(gòu)建良好的松耦合、業(yè)務(wù)邏輯清晰的足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)。3）本專利技術(shù)可復(fù)用度高、維護(hù)成本低、全生命周期成本低。隨著顯示方式的多樣化需求，控制系統(tǒng)允許使用不同樣式的視圖顯示數(shù)據(jù)中心層的相同數(shù)據(jù)，所有視圖能共享機(jī)器人數(shù)據(jù)。比如，用戶可以用數(shù)據(jù)列表的形式顯示機(jī)器人的相關(guān)數(shù)據(jù)、用視頻實(shí)時(shí)播放機(jī)器人采集到的數(shù)據(jù)、根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)以圖像形式顯示機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)和相關(guān)參數(shù)。這時(shí)，只需要修改用戶視圖層的數(shù)據(jù)顯示模本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種多層可配置足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于：包括與用戶進(jìn)行交互的用戶視圖層、與攀爬機(jī)器人硬件進(jìn)行交互的硬件相關(guān)層、進(jìn)行路徑規(guī)劃和步態(tài)管理的路徑步態(tài)層、完成數(shù)據(jù)配置組織存儲(chǔ)與分析的數(shù)據(jù)中心層以及調(diào)度各層運(yùn)行的主控層；所述主控層分別與用戶視圖層、路徑步態(tài)層以及硬件相關(guān)層以及數(shù)據(jù)中心層相互通信，數(shù)據(jù)中心層分別與其他各層互聯(lián)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種多層可配置足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于：包括與用戶進(jìn)行交互的用戶視圖層、與攀爬機(jī)器人硬件進(jìn)行交互的硬件相關(guān)層、進(jìn)行路徑規(guī)劃和步態(tài)管理的路徑步態(tài)層、完成數(shù)據(jù)配置組織存儲(chǔ)與分析的數(shù)據(jù)中心層以及調(diào)度各層運(yùn)行的主控層；所述主控層分別與用戶視圖層、路徑步態(tài)層以及硬件相關(guān)層以及數(shù)據(jù)中心層相互通信，數(shù)據(jù)中心層分別與其他各層互聯(lián)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多層可配置足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于：所述用戶視圖層包括數(shù)據(jù)顯示模塊和操控模塊；數(shù)據(jù)顯示模塊用于以列表、圖形、仿真攀爬機(jī)器人、視頻形式展示攀爬機(jī)器人攀爬過程中的環(huán)境狀態(tài)和攀爬機(jī)器人本體狀態(tài)；操控模塊按照用戶選定的方式控制攀爬機(jī)器人動(dòng)作。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多層可配置足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于：所述用戶選定控制方式為預(yù)置指令列表、手勢(shì)、XBox360搖桿或者Kinect方式。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多層可配置足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于：所述主控層包括系統(tǒng)調(diào)度監(jiān)控模塊和移動(dòng)安全模塊，系統(tǒng)調(diào)度模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度、SLAM、警報(bào)、日志、運(yùn)行時(shí)間監(jiān)控和數(shù)據(jù)訪問頻度監(jiān)控，移動(dòng)安全模塊負(fù)責(zé)用戶身份鑒別、權(quán)限管理和審計(jì)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多層可配置足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于：所述數(shù)據(jù)中心層包括元數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，元數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理控制系統(tǒng)可變、可配置數(shù)據(jù)的取值，數(shù)據(jù)管理模塊主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、檢索攀爬機(jī)器人在移動(dòng)過程中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析模塊采用數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)找出攀爬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特征、指導(dǎo)攀爬機(jī)器人的操控和攀爬運(yùn)行。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多層可配置足式攀爬機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于：所述數(shù)據(jù)管理模塊包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理子模塊和歷史數(shù)據(jù)管理子模塊，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理子模塊管理攀爬機(jī)器人移動(dòng)過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)管理子模塊負(fù)責(zé)在攀爬機(jī)器人攀爬移動(dòng)結(jié)束后把移動(dòng)過程中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫或者LDAP服務(wù)器中。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多層...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：廖爾崇，柳長(zhǎng)安，姜麗梅，邵緒強(qiáng)，房靜，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：華北電力大學(xué)保定，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：河北,13