CN104950888B - 十七自由度人形机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种十七自由度人形机器人及其控制方法，该机器人包括：多组传感器阵列，设于机器人两只脚的前脚掌和后脚跟部分，每组传感器阵列包括至少四个传感器；当传感器位于指定路径时，产生传感信号；循迹检测模块，用于根据获取的传感器阵列的传感信号，分别判断机器人前脚掌偏移程度和后脚跟偏移程度；控制模块，用于根据前脚掌和后脚掌偏移程度的组合选择预设的循迹策略，控制机器人运动。本发明通过多组传感器可以更准确测量智能机器人的偏离程度，从而实现对机器人的精确控制。

Description

十七自由度人形机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，尤其涉及一种十七自由度人形机器人及其控制方法。

背景技术

目前智能机器人的应用越来越多，其中，轮式移动机器人即智能车的应用非常普遍，其控制策略与方法日趋完善，但是，仿人行机器人由于其控制策略与方法复杂，抗干扰能力差并没有得到开发。本发明旨在提出一种建立在十七自由度人形机器人上的控制策略与方法。

本发明采用一种十七自由度人形机器人为载体，所述载体由申请号为CN201420296289.1，公告号为CN203901300U的专利提出。

申请号为CN201320544567.6的专利，公开了一种巡线轨迹车，所述小车通过跨设于黑色路线标识两侧的第一红外反射传感组件和第二红外反射传感组件对行走路线进行采集，从而实施控制策略。

申请号为CN201210454395.3的专利，公开了一种利用传感器巡线的新型智能小车，该专利的巡线部分使用的是灰度传感器，所述小车设有前后两排传感器，每排4个。两侧的两个传感器负责检测路口信号，指导小车转弯；中间两个传感器跨设于黑色路线标识两侧，对路线进行采集，从而实施控制策略。前排传感器负责采集前进路线采集并实施控制策略，后排传感器负责倒车路线采集并实施控制策略。

上述专利中不能很好地感测智能车的偏离状态，对智能车的控制不够精确。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中对机器人的控制不够精确的缺陷，提供一种可以准确测量智能机器人的偏离程度，对机器人进行精确控制的十七自由度人形机器人及其控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种十七自由度人形机器人，该机器人包括：

多组传感器阵列，设于机器人两只脚的前脚掌和后脚跟部分，每组传感器阵列包括至少四个传感器；当传感器位于指定路径时，产生传感信号；

循迹检测模块，用于根据获取的传感器阵列的传感信号，分别判断机器人前脚掌偏移程度和后脚跟偏移程度；

控制模块，用于根据前脚掌和后脚掌偏移程度的组合选择预设的循迹策略，控制机器人运动。

本发明所述的十七自由度人形机器人中，所述传感器阵列在前脚掌的上边缘和外边缘处呈L型排列，在后脚跟的下边缘和外边缘处呈L型排列。

本发明所述的十七自由度人形机器人中，所述传感器阵列为单光束反射式光电传感器阵列。

本发明所述的十七自由度人形机器人中，该机器人还包括自动避障模块，分别安装在机器人左脚掌前方和机器人头部。

本发明所述的十七自由度人形机器人中，所述自动避障模块包括两根红外对管，连接所述控制模块，安装在头部的红外对管随机器人头部转动，当其检测范围内有障碍物时，输出信号给控制模块，通过控制模块控制机器人向另一方向转身；

安装在机器人脚部的红外对管在检测到机器人脚前方检测范围内的障碍物信息时，向所述控制模块发出信号，所述控制模块根据该信号确定障碍物的位置。

本发明所述的十七自由度人形机器人中，在两脚的前脚掌部分还设有中断电路，与设于前脚掌的传感器阵列连接，当传感器阵列中预设传感器同时位于指定路径时，输出低电平信号，为控制模块提供中断信号。

本发明还提供一种十七自由度人形机器人的控制方法，该控制方法基于上述机器人，具体包括以下步骤：

获取传感器阵列的传感信号，并根据传感信号分别判断机器人前脚掌偏移程度和后脚跟偏移程度；

根据前脚掌和后脚掌偏移程度的组合选择预设的循迹策略，控制机器人运动。

本发明所述的方法中，所述循迹策略包括转后调整策略、直线循迹策略和弧线循迹策略，机器人在所述转后调整策略的控制下，缩小机器人前进方向与指定路径方向的夹角，并缩短机器人双脚对称中心与指定直线路径的直线距离；机器人前进方向和指定路径方向夹角小于10度时，在直线循迹策略的控制下，沿指定路径直线行走；在弧线循迹策略控制下，机器人沿指定圆弧路径行走。

本发明所述的方法中，该方法还包括步骤：将机器人前脚掌偏移程度和后脚跟偏移程度分为多个级别，不同级别对应不同的循迹策略。

本发明所述的方法中，该方法还包括步骤：

当传感器阵列在前脚掌和后脚跟均呈L型排列时，在前脚掌上边缘的多个相邻传感器同时位于指定路线上时，输出高电平或者低电平信号，为控制模块提供中断信号，同时累计中断累加次数，根据不同的中断累加次数，控制模块控制机器人执行不同的预设动作。

本发明产生的有益效果是：本发明通过在十七度人形机器人两只脚的前脚掌和后脚掌设置传感器阵列，根据传感器阵列感测的信号判断机器人前脚掌偏移程度和后脚跟偏移程度；再根据前脚掌和后脚掌偏移程度的组合选择预设的循迹策略，控制机器人运动。本发明通过多组传感器可以更准确测量智能机器人的偏离程度，从而实现对机器人的精确控制。

进一步地，本发明通过循迹策略，在直线循迹执行时，可以控制机器人前进方向与正对指定路径方向夹角不超过20度，机器人双脚对称中心离指定路径直线距离不超过3cm；弧线循迹执行时，机器人始终能够抓住指定路径轨迹，机器人前进方向与弧线路径切线方向夹角不超过25度，机器人双脚对称中心离指定路径直线距离不超过3cm；在转后调整中，机器人在路口经过转后调整后，其前进方向与指定路径方向夹角不超过10度，机器人双脚对称中心离指定路径直线距离不超过1cm。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明十七自由度人形机器人的示意图。

图2为本发明实施例的循迹路线图。

图3为本发明实施例的主程序流程图。

图4为本发明实施例的中断服务程序流程图。

图5为本发明实施例的结构示意图。

图6为本发明实施例的单光束反射式光电传感器阵列示意图。

图7为本发明实施例的循迹检测模块的ST188连接示意图。

图8为本发明实施例的循迹检测模块的中断信号产生示意图。

图9为本发明的自动避障功能流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的十七自由度人形机器人包括：

多组传感器阵列，设于机器人两只脚的前脚掌和后脚跟部分，每组传感器阵列包括至少四个传感器；当传感器位于指定路径时，产生传感信号；传感器可设置在两只脚的外侧边缘，除了两只脚的内侧边缘。

循迹检测模块，用于根据获取的传感器阵列的传感信号，分别判断机器人前脚掌偏移程度和后脚跟偏移程度；

控制模块，用于根据前脚掌和后脚掌偏移程度的组合选择预设的循迹策略，控制机器人运动。

如图6所示，所述传感器阵列在前脚掌的上边缘和外边缘处呈L型排列，在后脚跟的下边缘和外边缘处呈L型排列。

该机器人还包括自动避障模块，分别安装在机器人左脚掌前方和机器人头部。所述自动避障模块包括两根红外对管，连接所述控制模块，安装在头部的红外对管随机器人头部转动，当其检测范围内有障碍物时，输出信号给控制模块，通过控制模块控制机器人向另一方向转身；

安装在机器人脚部的红外对管在检测到机器人脚前方检测范围内的障碍物信息时，向所述控制模块发出信号，所述控制模块根据该信号确定障碍物的位置。

基于上述实施例的十七自由度人形机器人的控制方法具体包括以下步骤：获取传感器阵列的传感信号，并根据传感信号分别判断机器人前脚掌偏移程度和后脚跟偏移程度；根据前脚掌和后脚掌偏移程度的组合选择预设的循迹策略，控制机器人运动。

如图1所示，本发明另一实施例的十七自由度人形机器人控制系统是以RoBo-SoulH3.0人形机器人为载体，辅以循迹检测模块、驱动模块、避障模块、控制模块和为整个系统供电的电源模块搭建而成。如图2所示，该图为机器人的循迹路线图，机器人从起点开始沿黑色路径直线循迹；走到第一个T字路口，右转，走到货物前托起货物后退出第一个T字路口，沿着黑色路径直线循迹；走到第二个T字路口，右转，走到货物框前放下货物后退出第二个T字路口，沿着黑色路径直线循迹；走到第三个T字路口，将足球踢进球门，右转后沿黑色路径直线循迹；走进第四个T字路口，判断障碍物方位并规避障碍物，选择正确的路线到达第七个T字路口。离开第七个T字路口后，机器人开始圆弧循迹。走到门禁处，打开门禁，进入舞蹈区域跳舞。主程序流程图和中断服务流程图分别如图3和图4所示。该控制系统能使机器人实现循迹检测、路口转弯、搬运货物、踢球、自动避障、圆弧循迹、打开门禁、舞蹈等动作及功能。如图5所示，控制模块的输出端口通过驱动模块驱动各个舵机运动至合适的角度，让机器人实现动作；避障模块、循迹检测模块分别与控制模块的各数据端口连接；电源模块直接与控制模块和驱动模块相连为之供电，并经过降压芯片降压后，为舵机供电。控制模块为单片机。驱动模块为16路过载保护控制板。自动避障模块为红外对管。循迹检测模块为单光束反射式光电传感器阵列，如图6所示。

控制模块采用单片机STC12C5A60S2控制。打开电源开关后，单片机初始化，机器人做出立正动作，调用转后调整程序，减小机器人前进方向与黑色路径方向夹角，缩短机器人双脚对称中心与黑色路径的直线距离，然后判断中断累加数的值，执行对应的循迹策略。

循迹检测模块是实现循迹检测程序的重要硬件平台，由24个st188单光束反射式红外光电传感器构成，24个st188分为4组，分别放置于左右脚的前脚掌和后脚跟上，安装图及其与单片机I/O口连接图如图6所示。St188依据红外光在黑色和白色反射率相差较大的特性来识别黑线。St188硬件连接示意图如图7所示，若正对黑色的路径标志线，测试灯不亮，经运算放大电路输出高电平。反之，测试灯亮，经运算放大电路输出低电平。

循迹检测功能分为转后调整程序、直线循迹程序和弧线循迹程序三个部分。转后调整程序旨在缩小机器人前进方向与黑色路径方向夹角，并缩短机器人双脚对称中心与黑色路径的直线距离，在三者中，角度控制最精准，误差小；直线循迹程序和弧线循迹程序角度控制的精度要求相对较低。

转后调整程序根据前脚掌踩线情况和后脚跟踩线情况两者联合确定循迹策略。前脚掌踩线情况根据P1口和P2口的输入来判断。定义前脚掌踩线情况LED1＝(((temp1_line<<8)&0x3f00)+(temp2_line&0x003f))，其中temp1_line＝P1和temp2_line＝P2。依据前脚掌踩线情况LED1，定义机器人前脚掌偏移程度adj1，如表1所示。后脚跟踩线情况根据P0口和P4口的输入来判断。定义后脚跟踩线情况LED2＝(((temp3_line<<8)&0x3f00)+(temp4_line&0x003f))，其中temp3_line＝P0和temp4_line＝P4。依据后脚跟踩线情况LED2，定义机器人后脚跟偏移程度adj2，如表2所示。

表1

表2

然后根据adj1和adj2这两个变量确定机器人接下来的调整策略，如表3所示。

表3

转后调整程序分为正常行走转后调整和搬运货物转后调整，两者的区别仅在于调整过程中机器人手部动作不同。正常行走转后调整程序的手部动作似于人类行走，手臂运动呈交叉前后摆动；搬运货物转后调整程序中手臂保持不动，呈托住货物姿势。

直线循迹程序和弧线循迹程序根据前脚掌的踩线情况来确定循迹策略。前脚掌踩线情况根据P1口和P2口的输入来判断。定义前脚掌踩线情况LEDs＝(((temp1<<8)&0x3f00)+(temp2&0x003f))，其中temp1＝P1和temp2＝P2。依据前脚掌踩线情况LEDs，定义机器人偏移程度adj，如表4所示。

表4

在直线循迹程序中，必须满足机器人前进方向和黑色路径方向夹角小于10度这个前提，从而执行循迹策略。首先判断前脚掌偏移程度是否满足-2<adj1<2，若不满足，必须先执行转后调整程序，再依据机器人偏移程度adj执行循迹策略。直线循迹策略如表5所示。

表5

在弧线循迹程序中，依据机器人前脚掌偏移程度adj1来制定循迹策略。机器人走在右向1/4圆弧的情况下，当机器人右脚掌踩线时，机器人依据偏移程度的不同，作出适度的循迹调整；当机器人左脚掌踩线时，机器人不用调整方向，循迹策略为直走一步；当机器人脚掌未踩线时，循迹策略为向后退一步，寻找丢失的黑色路径。右向弧线循迹策略如表6所示。同理，左向圆弧循迹策略如表7所示。

表6

表7

左右两个前脚掌上的传感器组中，还加有产生中断的硬件电路，如图8所示。以右脚前脚掌上的传感器组为例，其真值表如表8所示。仅当前脚掌边缘的四个相邻的st188同时踩到黑线上时，与门输出低电平，给单片机提供中断信号，实现机器人踩到T字路口进入中断服务程序的功能。当机器人踩到T字路口时，产生中断，进入中断服务程序。每次进入中断服务程序后，首先中断累加数加1，然后判断中断累加数执行相应功能。中断服务程序流程图如图4所示。

表8

自动避障模块由两根红外对管组成，分别安装在机器人左脚掌前方和机器人头部。安装在头部的红外对管连接单片机P3.6口，能随机器人头部转动，当红外对管前方20cm内有障碍物时，红外对管输出低电平给单片机，从而控制机器人向另一方向转身，规避该方向的障碍物。自动避障模块流程示意图如图9所示。安装在机器人脚部的红外对管连接单片机P3.7口，可以检测到机器人脚前方10cm的障碍物信息，帮助机器人准确地确定货物位置、货架位置和足球摆放位置。

综上所述控制策略与方法，十七自由度人形机器人供电后，单片机初始化，立正动作，转后调整，缩小机器人前进方向与黑色路径方向夹角并缩短机器人双脚对称中心与黑色路径的直线距离。判断中断累加数执行不同策略：如果中断累加数为0、2、3、4、5和6，机器人执行正常行走直线循迹；如果中断累加数为1，机器人执行搬运货物直线循迹；如果中断累加数为7，机器人执行弧线循迹。在循迹过程中，一旦有中断信号产生，程序立马进入中断入口，执行中断服务子程序。进入中断后，马上关闭中断，同时中断累加数加一。然后判断中断累加数执行不同策略：如果中断累加数为1，机器人先后执行立正，右转，寻找货物，抱起货物，抱货物退出T字路口，开中断后中断返回；如果中断累加数为2，机器人先后执行抱货物立正，抱货物右转，抱货物寻找货架，置货物于货架上，退出T字路口，开中断后中断返回；如果中断累加数为3，机器人先后执行立正，寻找足球，踢球，退出T字路口，开中断后中断返回；如果中断累加数为4，机器人先后执行立正，判断障碍物方向，根据障碍物判断结果执行左转或右转，开中断后中断返回；如果中断累加数为5，机器人根据障碍物判断结果执行右转或左转，开中断后中断返回；如果中断累加数为6，机器人根据障碍物判断结果执行右转或左转，开中断后中断返回；如果中断累加数为7，机器人根据障碍物判断结果执行左转或右转，开中断后中断返回；如果中断累加数为8，机器人先后执行转后调整打开门禁，挥手敬礼等舞蹈动作，舞蹈完毕后程序结束。

上述实施例是基于一个预先设计好的封闭指定路径，因此可以预先将所要遇到的情况在控制程序中预先设置，如果是其他封闭指定路径，则可以相应修改控制程序，但其循迹策略是类似的，在此不一一举例说明。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种十七自由度人形机器人，其特征在于，该机器人包括：

多组传感器阵列，设于机器人两只脚的前脚掌和后脚跟部分，每组传感器阵列包括至少四个传感器；当传感器位于指定路径时，产生传感信号；

循迹检测模块，用于根据获取的传感器阵列的传感信号，分别判断机器人前脚掌偏移程度和后脚跟偏移程度；

控制模块，用于根据前脚掌和后脚掌偏移程度的组合选择预设的循迹策略，控制机器人运动。

2.根据权利要求1所述的十七自由度人形机器人，其特征在于，所述传感器阵列在前脚掌的上边缘和外边缘处呈L型排列，在后脚跟的下边缘和外边缘处呈L型排列。

3.根据权利要求1所述的十七自由度人形机器人，其特征在于，所述传感器阵列为单光束反射式光电传感器阵列。

4.根据权利要求1所述的十七自由度人形机器人，其特征在于，该机器人还包括自动避障模块，分别安装在机器人左脚掌前方和机器人头部。

5.根据权利要求4所述的十七自由度人形机器人，其特征在于，所述自动避障模块包括两根红外对管，连接所述控制模块，安装在头部的红外对管随机器人头部转动，当其检测范围内有障碍物时，输出信号给控制模块，通过控制模块控制机器人向另一方向转身；

安装在机器人脚部的红外对管在检测到机器人脚前方检测范围内的障碍物信息时，向所述控制模块发出信号，所述控制模块根据该信号确定障碍物的位置。

6.根据权利要求1所述的十七自由度人形机器人，其特征在于，在两脚的前脚掌部分还设有中断电路，与设于前脚掌的传感器阵列连接，当传感器阵列中多个相邻传感器同时位于指定路径时，输出高电平或者低电平信号，为控制模块提供中断信号。

7.一种十七自由度人形机器人的控制方法，其特征在于，该控制方法基于权利要求1-6中任一项所述的机器人，具体包括以下步骤：

获取传感器阵列的传感信号，并根据传感信号分别判断机器人前脚掌偏移程度和后脚跟偏移程度；

根据前脚掌和后脚跟偏移程度的组合选择预设的循迹策略，控制机器人运动。

8.根据权利要求7所述的一种十七自由度人形机器人的控制方法，其特征在于，所述循迹策略包括转后调整策略、直线循迹策略和弧线循迹策略，机器人在所述转后调整策略的控制下，缩小机器人前进方向与指定路径方向的夹角，并缩短机器人双脚对称中心与指定直线路径的直线距离；机器人前进方向和指定路径方向夹角小于10度时，在直线循迹策略的控制下，沿指定路径直线行走；在弧线循迹策略控制下，机器人沿指定圆弧路径行走。

9.根据权利要求7所述的一种十七自由度人形机器人的控制方法，其特征在于，该方法还包括步骤：将机器人前脚掌偏移程度和后脚跟偏移程度分为多个级别，不同级别对应不同的循迹策略。

10.根据权利要求7所述的一种十七自由度人形机器人的控制方法，其特征在于，该方法还包括步骤：

当传感器阵列在前脚掌和后脚跟均呈L型排列时，在前脚掌上边缘的多个相邻传感器同时位于指定路线上时，输出低电平信号，为控制模块提供中断信号，同时累计中断累加次数，根据不同的中断累加次数，控制模块控制机器人执行不同的预设动作。