一种基于视觉的仿人机器人快速作业全身规划及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于微小型视觉系统的仿人机器人快速作业全身规划及控制方法，属于机器人控制技术领域。
【背景技术】
[0002]仿人机器人具有人类的外形特征，能够在不改变人类日常生活环境及工作条件的前提下，辅助或代替人完成各种工作，节省改造环境的巨大成本。仿人机器人作为机器人领域的高技术前沿，具有潜在的强大应用前景，已成为智能机器人技术研究的焦点。刚刚结束的美国国防部先进研究项目局举办的机器人挑战赛旨在考查机器人的抗灾救援能力，各个参赛队被要求开车、走路、开门、钻墙、关闭消防栓、越过障碍、爬梯子等项目，可以说该比赛汇聚了世界各国的最先进机器人，也代表了世界机器人的先进水平。纵观各个项目，机器人也都是在相对静态环境下进行缓慢操作，并未实现快速动态过程中的操作动作。就比赛而言，各参赛队出色的完成了比赛，然而实际境况中，若真在救灾现场，时间就是生命与金钱，机器人如果能够突破动态快速作业的关键技术，必将实现其走向实用化的跨越式发展。
[0003]由于仿人机器人本身的复杂性以及运动过程中的稳定性保持极其困难，现有的仿人机器人并不能实现全身快速运动与作业，只能完成相对静态的作业，例如双足固定不动，手臂完成较慢的操作以保证仿人机器人的稳定性；另外仿人机器人手臂大多只对静态物体进行操作，不能对动态物体进行操作(例如抓取飞来物体等任务)。因此，就需要提高仿人机器人的工作效率及实用性，解决仿人机器人快速移动作业过程中的视觉检测、全身规划及稳定性控制等关键技术冋题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种基于微小型视觉系统的仿人机器人快速作业全身规划及控制方法，解决仿人机器人快速移动作业过程中的视觉检测、全身规划及稳定性控制等关键技术问题。
[0005]本发明的技术方案是
[0006]—种仿人机器人快速作业全身规划及控制方法，所述仿人机器人具有微小视觉系统，所述方法包括如下步骤:
[0007]步骤I，通过视觉检测分析运动目标轨迹，确定手臂末端执行器需要到达的目标位置及剩余时间；
[0008]步骤2，根据仿人机器人自身状态进行全身运动规划，
[0009]步骤3，进行动态稳定控制；
[0010]步骤4，实现仿人机器人快速作业。
[0011]优选地，所述的微小视觉系统包括双目摄像头、信号处理板、相机云台伺服控制电路；所述微小视觉系统安装在所述仿人机器人头部，其具有两个自由度，控制双目摄像头进行360°全方位搜索。
[0012]优选地，所述步骤2中的全身运动规划过程包括如下步骤:
[0013]对目标位置及剩余时间进行检测，根据机器人自身状态确定目标位置是否在运动范围内，若在，则只规划手臂轨迹；若不在，则通过双足跨步的方式增大运动范围；
[0014]在双足轨迹规划时首先对跨步规划进行分析，判定是否单步跨步就能完成目标规划，若是则只做单步规划，若否则进行多步连续规划；
[0015]进行手臂规划。
[0016]优选地，所述仿人机器人具有足部感知系统，所述步骤3中的动态稳定控制包括软着地控制，所述软着地进一步包括:
[0017]利用足部感知系统采集的脚面距地面距离及脚面姿态的信息，对摆动腿进行控制，
[0018]d为足部感知系统测量的脚面的顶点离地面的距离，通过微分可以得到脚面着地的速度，
[0019]通过这四个顶点与地面的距离及接近速度，控制摆动腿进行软着地，目的是着地时，摆动腿脚面与地面平行，与地面相对速度为零。
[0020]优选地，所述步骤3中的动态稳定控制包括摆动腿控制，所述摆动腿控制进一步包括:
[0021]以足部感知系统采集的摆动腿的角速度、角加速度为输入，输出摆动腿髋关节的修正量Δ Θ h (t)；
[0022]Θ h0(t)等于在线规划的动态步态髋关节的参考值，该参考值加上修正量Δ Θ h(t)为髋关节的实际参考值，达到消除振荡的目的。
[0023]现有的仿人机器人作业方案由于稳定性原因，常采用静态状态下(即双足固定的状态下)完成手臂作业，并不能实现快速高效的作业；另外其作业内容也紧紧局限于静态物体。本发明旨在突破仿人机器人迈入实用化的重大瓶颈，提出了基于视觉系统的仿人机器人手臂快速作业过程中的全身运动规划与控制方法，解决现有仿人机器人工作效率较低等问题，快速高效稳定的到达指定位置，高效完成任务。
【附图说明】
[0024]图1是本发明的基于视觉系统的仿人机器人迅速作业全身规划及控制流程图。
[0025]图2是根据本发明的微小型视觉系统示意图
[0026]图3是全身运动规划流程图
[0027]图4是摆动腿软着地控制示意图
[0028]图5是摆动腿消振控制原理示意图
【具体实施方式】
[0029]图1为基于视觉系统的仿人机器人快速作业全身规划及控制流程图，过程如下:通过视觉检测分析运动目标轨迹，确定手臂末端执行器需要到达的目标位置及剩余时间，根据机器人自身状态进行全身运动规划，而后进行动态稳定控制，最后实现机器人快速作业。
[0030]提到的微小视觉系统由高速相机、信号处理板、相机云台伺服控制电路等构成。安装在仿人机器人头部的两个自由度(自由度I和自由度2)可以控制双目摄像头进行360°全方位搜索，具有安装空间小的特点，如图2所示。
[0031]图3为全身运动规划流程图，过程如下:首先对目标位置及剩余时间进行检测，根据机器人自身状态确定目标位置是否在运动范围内，若在，则只规划手臂轨迹；若不在，则通过双足跨步的方式增大运动范围。为最大限度节省时间，提高效率，在双足轨迹规划时首先对跨步规划进行判定，是否单步跨步就能完成目标规划，若是则只做单步规划，若否则进行多步连续规划，最后进行手臂规划。
[0032]机器人在快速跨步时，摆动腿必须是快速抬起，快速落下，这种快速着地很可能在0.15s左右完成，导致了地面给摆动腿较大的冲击，使机器人不稳定。为了使机器人软着地，设计软着地控制器，利用足部感知系统采集的脚面距地面距离及脚面姿态等信息，对摆动腿进行控制，如图4。d为足部感知系统测量的脚面的顶点离地面的距离，通过微分可以得到脚面着地的速度，通过这四个顶点与地面的距离及接近速度，控制摆动腿进行软着地，目的是着地时，摆动腿脚面与地面平行，与地面相对速度为零。
[0033]当机器人进行快速跨步时，机器人的髋关节运动角度较大，而且下肢的惯量较大，势必导致摆动腿振荡，对机器人稳定性产生严重影响。为了消除振荡，设计摆动腿控制器，以足部感知系统采集的摆动腿的角速度、角加速度为输入，摆动腿髋关节的修正量A 9h(t)输出。0M(t)等于在线规划的动态步态髋关节的参考值，该参考值加上修正量A 9h(t)为髋关节的实际参考值，达到消除振荡的目的，如图5所示。
【主权项】
1.一种仿人机器人快速作业全身规划及控制方法，所述仿人机器人具有微小视觉系统，所述方法包括如下步骤: 步骤I，通过视觉检测分析运动目标轨迹，确定手臂末端执行器需要到达的目标位置及剩余时间； 步骤2，根据仿人机器人自身状态进行全身运动规划， 步骤3，进行动态稳定控制； 步骤4，实现仿人机器人快速作业。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的微小视觉系统包括双目摄像头、信号处理板、相机云台伺服控制电路；所述微小视觉系统安装在所述仿人机器人头部，其具有两个自由度，控制双目摄像头进行360°全方位搜索。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中的全身运动规划过程包括如下步骤: 对目标位置及剩余时间进行检测，根据机器人自身状态确定目标位置是否在运动范围内，若在，则只规划手臂轨迹；若不在，则通过双足跨步的方式增大运动范围； 在双足轨迹规划时首先对跨步规划进行分析，判定是否单步跨步就能完成目标规划，若是则只做单步规划，若否则进行多步连续规划； 进行手臂规划。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述仿人机器人具有足部感知系统，所述步骤3中的动态稳定控制包括软着地控制，所述软着地进一步包括: 利用足部感知系统采集的脚面距地面距离及脚面姿态的信息，对摆动腿进行控制， d为足部感知系统测量的脚面的顶点离地面的距离，通过微分可以得到脚面着地的速度， 通过这四个顶点与地面的距离及接近速度，控制摆动腿进行软着地，目的是着地时，摆动腿脚面与地面平行，与地面相对速度为零。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中的动态稳定控制包括摆动腿控制，所述摆动腿控制进一步包括: 以足部感知系统采集的摆动腿的角速度、角加速度为输入，输出摆动腿髋关节的修正量 Δ Θ h(t)； 0ho(t)等于在线规划的动态步态髋关节的参考值，该参考值加上修正量△ 0h(t)为髋关节的实际参考值，达到消除振荡的目的。
【专利摘要】本发明提供了一种仿人机器人快速作业全身规划及控制方法，基于视觉信息得到目标位置后，通过判定是否在运动范围内来判定是否跨步以及如何跨步，最后进行手臂规划的运动规划方法。本发明针对机器人快速移动作业任务提出的软着地控制器与摆动腿消振控制器进行动态稳定控制，最后实现机器人快速作业。
【IPC分类】B25J11/00, B25J9/16
【公开号】CN105033997
【申请号】CN201510586749
【发明人】黄强, 张思, 余张国, 陈学超, 张伟民, 孟立波, 刘华欣
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年9月15日