CN104057452B - 类人机器人通用动作调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种类人机器人通用动作调试方法，通过向机器人的舵机发送命令获得所有的舵机参数数据，通过不断调试，使得机器人舵机实际数据和舵机原始目标数据之间的差距缩小，将优化后舵机目标数据保存，即机器人机械执行结构一个动作调试完毕，获得一组最优动作数据。本发明是一个通用的独立调试方法，具有很强的通用性，由于采取了机器人舵机执行结果实时数据读回技术，该技术使机器人动作调试变得有目的有方向性，而不是传统的依靠经验来调试，采用了三次样条插值技术，大大优化了机器人的动作，使机器人动作稳定流畅。

Description

类人机器人通用动作调试方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是类人机器人的控制。

背景技术

类人形机器人能够代替人类完成各种作业，并在很多方面可以扩展人类的能力，在服务、医疗、教育、娱乐等多个领域得到广泛应用。我国在类人机器人方面做了大量研究，并取得了很多成果。比如国防科技大学研制成了双足步行机器人，北京航空航天大学研制成了多指灵巧手，哈尔滨工业大学、西北工业大学等也在这方面做了大量深入的工作。

现阶段，各研发单位在类人机器人动作开发调试过程中主要使用以下两种方法：第一，人工手动调试，这种方法主要依靠有丰富调试经验的工作人员手动更改控制参数来进行调试，既费时又费力，调试出的动作还不够流畅、稳定；第二，借助类人机器人动作开发调试平台进行动作调试，现在市场上的类人机器人动作开发调试平台多是和机器人产品相互绑定，通用性不强，并且开发平台都是开环控制，控制系统无法及时获知机器人实际运动情况，也就无法做到使机器人在实际环境中运动自如。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种类人机器人通用动作调试方法。

本发明主要是解决现有技术所存在的耗时长、通用性差、无法实时反馈的缺陷，本发明具有很强的通用性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

(1)调试人员将机器人摆为一个动作当中的任意姿势，定义为该动作的初始姿势，然后向机器人的所有舵机发送读取舵机参数命令，获得机器人所有的舵机参数数据，舵机参数数据包括舵机自己的ID号和舵机所转动的角度值，把机器人该动作的初始姿势时舵机所转动的角度值叫做初始角度值；

(2)调试人员将机器人的动作摆为步骤(1)中该动作的最后一个姿势，定义该姿势为动作的结束姿势，然后再次向机器人的所有舵机发送读取舵机参数命令，获得机器人动作结束时所有的舵机参数数据，把机器人动作结束姿势时舵机所转动的角度值叫做结束角度值；

(3)调试人员设定该动作从开始到结束所需要的时间为T，为了方便后续计算，假定动作开始的时刻为t₀，则动作结束的时刻为t₀+T；

(4)分别对机器人每一个舵机的初始角度值和结束角度值进行三次样条插值处理，三次样条插值约束条件选为转角边界条件，转角边界条件如下：

$\{\begin{array}{c}{s}^{\′}(t_0+0)=m_0\\ s^{\′}(t_0+T-0)=m_n\end{array}---\left(1\right)$

s(t)为插值后的机器人舵机角度值对时间t的函数，s'(t)为s(t)对时间t的导数，公式(1)中，t₀+0是一种逼近t₀右极限的表示方法，即在时间轴t上无限向右逼近t₀，相应的t₀+T-0为在时间轴t上无限向左逼近t₀+T，所以s'(t₀+0)为机器人舵机角度值在t₀+0时刻的导数值，假设这个值为m₀，而s’(t₀+T-0)为机器人舵机角度值在t₀+T-0时刻的导数值，假设这个值为m_n；

(5)m₀和m_n值的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_0=\frac{s(t_0+T)-s\left(t_0\right)}{T}\\ m_n=\frac{s(t_0+T)-s\left(t_0\right)}{T}\end{array}\right.---\left(2\right)$

公式(2)中s(t₀)为舵机初始角度值，s(t₀+T)为舵机结束角度值；

(6)由步骤(4)和步骤(5)可以得到三次样条插值而成的机器人舵机角度值对于时间的平滑曲线，设置k值，k为机器人完成这个动作所需要播发的帧数据组数，k≥2，将动作所需的时间k-1等分，每一份时间为T/(k-1)，则每个时间等分点处的舵机角度值为将每个时间等分点处的舵机角度值以及该等分时间点的舵机的ID号存储起来形成舵机的原始目标数据；

(7)将步骤(6)得到的舵机的原始目标数据按照如下方式播发：如果机器人在时间播发舵机的原始目标数据，每一个T/(k-1)时刻为一帧，则在时间时刻，机器人播发一组舵机读回指令，用来读取机器人在时刻的舵机角度值以及舵机的ID号，获得机器人的舵机位置，也称为舵机实际运行数据，并保存读取的机器人的运行结果数据；保存之后播发下一帧的舵机的原始目标数据，直至所有舵机的原始目标数据发送完毕，同时也得到了在每一个时间等分点处的舵机实际运行数据；

(8)由步骤(6)得到舵机的原始目标数据，步骤(7)得到舵机实际运行数据，对两组数据中相同ID号所对应的舵机角度值进行比较，即比较两者的舵机角度值的大小，如果舵机的原始目标数据大于舵机实际运行数据，则减小此处的舵机的原始目标数据，如果舵机的原始目标数据小于舵机实际运行数据，则增加此处的舵机的原始目标数据；减小或增加后的舵机的原始目标数据为舵机的新目标数据，计算方式为：

舵机的新目标数据＝(舵机实际运行数据的舵机角度值+舵机的原始目标数据的舵机角度值)/2；

(9)步骤(8)计算出舵机的新目标数据后，用舵机的新目标数据代替步骤(6)中的舵机的原始目标数据，重复执行步骤(7)和步骤(8)，直至机器人舵机实际运行数据的舵机角度与步骤(6)中三次样条插值得到的舵机原始目标数据的舵机角度之间的差值小于等于1度，将此时机器人的舵机的新目标数据保存，即机器人机械执行结构一个动作调试完毕，获得一组最优动作数据。

本发明的有益效果是虽然是为了类人机器人的开发调试而设计，但其本身是一个通用的独立调试方法，也可以用于其他机器人，如机器鱼、机器狗、机械臂等利用伺服电机的机电产品的开发调试、运动建模、优化研究，所以本发明具有很强的通用性。本发明由于采取了独创的机器人舵机执行结果实时数据读回技术，并在执行完毕后发回上位机电脑，做为优化动作的依据，该技术使机器人动作调试变得有目的有方向性的调试，而不是传统的依靠经验来调试。本发明采用了三次样条插值技术，针对机器人实际运动情况进行建模，大大优化了机器人的动作，使机器人动作稳定、流畅。

附图说明

图1是本发明使用类人机器人通用动作调试方法调试机器人工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明专利主要是解决现有技术所存在的耗时、通用性差、无法实时反馈，提供一种类人机器人通用动作调试方法，该方法具有很强的通用性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

(1)调试人员将机器人摆为一个动作当中的任意姿势，定义为该动作的初始姿势，然后向机器人的所有舵机发送读取舵机参数命令，获得机器人所有的舵机参数数据，舵机参数数据包括舵机自己的ID号和舵机所转动的角度值，把机器人该动作的初始姿势时舵机所转动的角度值叫做初始角度值。调试人员规划好机器人将要调试的动作，得到想要的机器人大致的运动轨迹；

(2)调试人员将机器人的动作摆为步骤(1)中该动作的最后一个姿势，定义该姿势为动作的结束姿势，然后再次向机器人的所有舵机发送读取舵机参数命令，获得机器人动作结束时所有的舵机参数数据，把机器人动作结束姿势时舵机所转动的角度值叫做结束角度值。

(3)调试人员设定该动作从开始到结束所需要的时间为T，为了方便后续计算，我们假定动作开始的时刻为t₀，则动作结束的时刻为t₀+T。

(4)分别对机器人每一个舵机的初始角度值和结束角度值进行三次样条插值处理，三次样条插值约束条件选为转角边界条件，转角边界条件如下：

$\{\begin{array}{c}{s}^{\′}(t_0+0)=m_0\\ s^{\′}(t_0+T-0)=m_n\end{array}---\left(1\right)$

s(t)为插值后的机器人舵机角度值对时间t的函数，s'(t)为s(t)对时间t的导数，公式(1)中，t₀+0是一种逼近t₀右极限的表示方法，即在时间轴t上无限向右逼近t₀，相应的t₀+T-0为在时间轴t上无限向左逼近t₀+T，所以s'(t₀+0)为机器人舵机角度值在t₀+0时刻的导数值，假设这个值为m₀，而s’(t₀+T-0)为机器人舵机角度值在t₀+T-0时刻的导数值，假设这个值为m_n。

(5)m₀和m_n值的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_0=\frac{s(t_0+T)-s\left(t_0\right)}{T}\\ m_n=\frac{s(t_0+T)-s\left(t_0\right)}{T}\end{array}\right.---\left(2\right)$

公式(2)中s(t₀)为舵机初始角度值，s(t₀+T)为舵机结束角度值。分别对机器人每一个舵机的初始角度值和结束角度值进行三次样条插值处理，结合机器人舵机的实际运动情况，我们将三次样条插值约束条件选为转角边界条件，转角边界条件如式1所示。

(6)由步骤(4)和步骤(5)可以得到三次样条插值而成的机器人舵机角度值对于时间的平滑曲线，设置k值，k为机器人完成这个动作所需要播发的帧数据组数，k≥2，将动作所需的时间k-1等分，每一份时间为T/(k-1)，则每个时间等分点处的舵机角度值为将每个时间等分点处的舵机角度值以及该等分时间点的舵机的ID号存储起来形成舵机的原始目标数据。

(7)将步骤(6)得到的舵机的原始目标数据按照如下方式播发：如果机器人在时间播发舵机的原始目标数据，每一个T/(k-1)时刻为一帧，则在时间时刻，机器人播发一组舵机读回指令，用来读取机器人在时刻的舵机角度值以及舵机的ID号，获得机器人的舵机位置，也称为舵机实际运行数据，并保存读取的机器人的运行结果数据；保存之后播发下一帧的舵机的原始目标数据，直至所有舵机的原始目标数据发送完毕，同时也得到了在每一个时间等分点处的舵机实际运行数据。

(8)由步骤(6)得到舵机的原始目标数据，步骤(7)得到舵机实际运行数据，对两组数据中相同ID号所对应的舵机角度值进行比较，即比较两者的舵机角度值的大小，如果舵机的原始目标数据大于舵机实际运行数据，则减小此处的舵机的原始目标数据，如果舵机的原始目标数据小于舵机实际运行数据，则增加此处的舵机的原始目标数据；减小或增加后的舵机的原始目标数据为舵机的新目标数据，计算方式为：

舵机的新目标数据＝(舵机实际运行数据的舵机角度值+舵机的原始目标数据的舵机角度值)/2；

(9)步骤(8)计算出舵机的新目标数据后，用舵机的新目标数据代替步骤(6)中的舵机的原始目标数据，重复执行步骤(7)和步骤(8)，逐渐优化机器人舵机动作的流畅性和稳定性，直至机器人舵机实际运行数据的舵机角度与步骤(6)中三次样条插值得到的舵机原始目标数据的舵机角度之间的差值小于等于1度，将此时机器人的舵机的新目标数据保存，即机器人机械执行结构一个动作调试完毕，获得一组最优动作数据。

Claims (1)

1.一种类人机器人通用动作调试方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)调试人员将机器人摆为一个动作当中的任意姿势，定义为该动作的初始姿势，然后向机器人的所有舵机发送读取舵机参数命令，获得机器人所有的舵机参数数据，舵机参数数据包括舵机自己的ID号和舵机所转动的角度值，把机器人该动作的初始姿势时舵机所转动的角度值叫做初始角度值；

(2)调试人员将机器人的动作摆为步骤(1)中该动作的最后一个姿势，定义该姿势为动作的结束姿势，然后再次向机器人的所有舵机发送读取舵机参数命令，获得机器人动作结束时所有的舵机参数数据，把机器人动作结束姿势时舵机所转动的角度值叫做结束角度值；

(3)调试人员设定该动作从开始到结束所需要的时间为T，为了方便后续计算，假定动作开始的时刻为t₀，则动作结束的时刻为t₀+T；

(4)分别对机器人每一个舵机的初始角度值和结束角度值进行三次样条插值处理，三次样条插值约束条件选为转角边界条件，转角边界条件如下：

$\left\{\begin{array}{c}{s}^{\′}(t_0+0)=m_0\\ s^{\′}(t_0+T-0)=m_n\end{array}\right.---\left(1\right)$

s(t)为插值后的机器人舵机角度值对时间t的函数，s'(t)为s(t)对时间t的导数，公式(1)中，t₀+0是一种逼近t₀右极限的表示方法，即在时间轴t上无限向右逼近t₀，相应的t₀+T-0为在时间轴t上无限向左逼近t₀+T，所以s'(t₀+0)为机器人舵机角度值在t₀+0时刻的导数值，假设这个值为m₀，而s’(t₀+T-0)为机器人舵机角度值在t₀+T-0时刻的导数值，假设这个值为m_n；

(5)m₀和m_n值的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_0=\frac{s(t_0+T)-s\left(t_0\right)}{T}\\ m_n=\frac{s(t_0+T)-s\left(t_0\right)}{T}\end{array}\right.---\left(2\right)$

公式(2)中s(t₀)为舵机初始角度值，s(t₀+T)为舵机结束角度值；

(6)由步骤(4)和步骤(5)可以得到三次样条插值而成的机器人舵机角度值对于时间的平滑曲线，设置k值，k为机器人完成这个动作所需要播发的帧数据组数，k≥2，将动作所需的时间k-1等分，每一份时间为T/(k-1)，则每个时间等分点处的舵机角度值为j＝0,1,2,…,k-1，将每个时间等分点处的舵机角度值以及该等分时间点的舵机的ID号存储起来形成舵机的原始目标数据；

(7)将步骤(6)得到的舵机的原始目标数据按照如下方式播发：如果机器人在时间j＝0,1,2,…,k-1播发舵机的原始目标数据，每一个T/(k-1)时刻为一帧，则在时间j＝0,1,2,…,k-1时刻，机器人播发一组舵机读回指令，用来读取机器人在j＝0,1,2,…,k-1时刻的舵机角度值以及舵机的ID号，获得机器人的舵机位置，也称为舵机实际运行数据，并保存读取的机器人的运行结果数据；保存之后播发下一帧的舵机的原始目标数据，直至所有舵机的原始目标数据发送完毕，同时也得到了在每一个时间等分点处的舵机实际运行数据；

(8)由步骤(6)得到舵机的原始目标数据，步骤(7)得到舵机实际运行数据，对两组数据中相同ID号所对应的舵机角度值进行比较，即比较两者的舵机角度值的大小，如果舵机的原始目标数据大于舵机实际运行数据，则减小此处的舵机的原始目标数据，如果舵机的原始目标数据小于舵机实际运行数据，则增加此处的舵机的原始目标数据；减小或增加后的舵机的原始目标数据为舵机的新目标数据，计算方式为：

舵机的新目标数据＝(舵机实际运行数据的舵机角度值+舵机的原始目标数据的舵机角度值)/2；

(9)步骤(8)计算出舵机的新目标数据后，用舵机的新目标数据代替步骤(6)中的舵机的原始目标数据，重复执行步骤(7)和步骤(8)，直至机器人舵机实际运行数据的舵机角度与步骤(6)中三次样条插值得到的舵机原始目标数据的舵机角度之间的差值小于等于1度，将此时机器人的舵机的新目标数据保存，即机器人机械执行结构一个动作调试完毕，获得一组最优动作数据。