CN105128011B - 一种基于视觉和移动的仿人机器人投射及稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于视觉和移动的仿人机器人抛投物体及稳定性控制方法，通过视觉，移动，以及操作的结合，完成机器人抛投目标物体的作业要求，还将机器人抛投物体等效为机器人重心受到相应的冲击力和旋转力矩，通过调节机器人的关节驱动力，或者下肢迈步的方式，保持机器人抛投物体之后的稳定性。本发明设计了基于视觉，移动，操作和稳定性的仿人机器人抛投物体的方法，可以增强机器人的操作能力，增加仿人机器人的应用场合。

Description

一种基于视觉和移动的仿人机器人投射及稳定控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于视觉和移动的仿人机器人抛投物体及稳定性控制方法，属于机器人控制技术领域。

背景技术

仿人机器人由于其特有的双足移动方式，相比轮式和履带式等其他形式的机器人，在复杂环境中具有更强的移动能力。仿人机器人的这一优点，使其在危险环境，救援救灾等特殊环境下具有强大的优势。在危险环境，救援救灾的环境下，清理障碍物是一个重要的任务，仿人机器人可以通过双手，以抛投的方式快速清理障碍物。另一方面，仿人机器人由于其双足在地面上的支撑面积较小，且重心较高，使得仿人机器人的稳定性大大降低。特别是在抛投重量较大的物体时，容易造成仿人机器人的摔倒或者倾覆的发生。因此，提升仿人机器人抛投物体的能力是一个亟待解决的问题。

申请号为201210143001.2的中国发明专利提出了一种仿人机器人手臂作业动态稳定控制的方法，提出了通过手臂的运动来使仿人机器人保持平衡的算法，然而没有考虑机器人通过双足运动保持平衡的情况。

非专利文献《Playing catch and juggling with a humanoid robot》描述了一个可以与人进行抛球互动的仿人机器人，具有通过视觉识别，实现抓取，接，抛小球的功能。但该机器人无法移动，固定在地面上。并且抛射的小球质量很轻，对机器人的稳定性不造成影响，不需要考虑机器人的稳定性问题。

非专利文献《Planning Complex Physical Tasks for Disaster Response witha Humanoid Robot》提出了一种用于仿人机器人的复杂任务的规划方法，可以通过视觉对目标物体进行识别，并根据作业任务和环境信息，通过运动规划，实现对目标物体的抓取的功能。该论文并没有考虑目标物体的重量对机器人稳定性造成的影响。

非专利文献《A humanoid robot capable of carrying heavy objects》提出了一个具有抓取大重量负载的仿人机器人，该仿人机器人不具备视觉功能，无法自主完成抓取任务。

现有仿人机器人稳定控制和作业规划大多只考虑自身稳定控制，没有涉及由于作业目标物体的相互作用，而产生的稳定性问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于仿人机器人的抛投目标物体的方法，根据仿人机器人自身具有视觉、移动以及操作能力，在实现抛投物体的作业任务的同时，保持仿人机器人的稳定性。

本发明通过如下的技术方案实现。

一种仿人机器人抛投物体及稳定性控制方法，所述仿人机器人具有双目视觉识别系统，所述方法包括以下步骤：

步骤1，作业任务输入，即制定仿人机器人需要抛投目标物体，以及需要将目标物体抛投的目标位置；

步骤2，所述仿人机器人根据双目视觉识别系统，对目标物体进行识别，并规划路径，将目标物体拾起；

步骤3，根据基于碰撞模型的仿人机器人抛投方法，实现将目标物体抛投至目标位置的作业任务，并在抛投过程中保持仿人机器人自身的稳定性。

优选地，所述步骤2中仿人机器人将目标物体拾起的过程如下：

根据作业目标，仿人机器人根据视觉识别系统识别自身的位置以及目标物体的位置，并通过双脚移动至目标物体处，并将目标物体拾起；

所述步骤2中仿人机器人识别目标物体的过程如下：

所述仿人机器人在竖直充分稳定的情况下，对环境进行扫描，建立一个基准，包括N个基准点组成的一个数据库；

所述仿人机器人在运动的过程中，实时采集环境图像，并与基准点进行实时校对，估算仿人机器人当前的状态，并与脚底的六维力传感器的信息进行校对；

所述仿人机器人根据目标物体的图像特征，确定目标物体的位置，并根据自身的位置信息，规划运动路径以及对目标物体抓取的动作。

优选地，所述步骤3中在抛投过程中保持仿人机器人自身的稳定性进一步包括以下步骤：

根据仿人机器人所在位置以及目标位置计算目标物体在空中的飞行轨迹S(t)；

根据目标物体的飞行轨迹，计算目标物体所需的加速度a，从而计算出目标物体所需要的推力ma；

根据目标物体所需要的推力，计算出仿人机器人施加在目标物体上的推力F＝m(a-g)，进而计算出机器人由于抛投目标物体所收到的冲击力，并将冲击力转换为作用在仿人机器人重心位置的力F，以及力矩M；

根据仿人机器人的碰撞模型，规划仿人机器人各个关节的运动，调整仿人机器人的全身姿态，使仿人机器人保持稳定。

优选地，所述仿人机器人的动力学公式：

其中θ为仿人机器人的各个关节的角度值，为仿人机器人的关节角速度值，为仿人机器人的关节角加速度值。为作用在仿人机器人各个关节的驱动力矩，G(θ)为仿人机器人受到的重力，为仿人机器人收到的科氏力，τ为仿人机器人受到的外力。

优选地，当所述仿人机器人静止不动时，外力τ为仿人机器人受到的地面的支撑力F_n，当所述仿人机器人进行抛投目标物体作业时，τ变为地面的作用力，以及作用在重心位置处的冲击力F_c，以及转动力矩M的合力，即：

τ＝F_c+F_n+M

为使机器人保持稳定的姿态，需要保持机器人的关节角度θ在一定的范围内，当机器人所受外力发生变化时，根据机器人动力学方程，需要改变机器人的关节驱动力从而保证机器人的各个关节角度θ保持在一定的范围内。

优选地，当所述仿人机器人受到的冲击力过大，关节驱动力无法保证仿人机器人的关节角度保持在一定的范围内，通过仿人机器人下肢迈步的方式，调节仿人机器人身体姿态，从而使仿人机器人保持稳定的姿态。

通过以上技术方案，本发明设计了基于视觉，移动，操作和稳定性的仿人机器人抛投物体的方法，可以增强机器人的操作能力，增加仿人机器人的应用场合。

附图说明

图1是根据本发明的仿人机器人抛投物体整体过程流程图。

图2是根据本发明的仿人机器人抛投物体的过程示意图。

具体实施方式

如附图1所示，整体过程：

1、作业任务输入，即制定仿人机器人需要抛投目标物体，以及需要将目标物体抛投的目标位置。

2、仿人机器人根据双目视觉识别系统，对目标物体进行识别，并规划路径，将目标物体拾起。

3、根据基于碰撞模型的仿人机器人抛投方法，实现将目标物体投至目标位置的作业任务，并在该过程中保持仿人机器人自身的稳定性。

基于碰撞模型的抛投动作设计

仿人机器人根据作业任务和目标物体的详细参数，计算仿人机器人完成任务所需要的手臂运动轨迹，对目标物体与机器人分离时进行受力分析。将机器人抛投目标物体的过程，等效为一个机器人受到已知碰撞力的模型。具体的过程附图2所示。

实现过程：

1.根据作业目标规划目标物体飞行轨迹。

2.根据目标物体的飞行轨迹计算目标物体的初始加速度a。

3.根据目标物体的初始加速度，计算目标物体所需要的合外力ma。

4.根据目标物体所需要的合外力，计算机器人施加在目标物体上的推力F。

5.将推力F等效为机器人重心受到的推力F与力矩M

6.根据机器人的碰撞模型，通过机器人的全身运动调整机器人的状态，是其保持稳定。

7.完成作业目标。

本发明的目的是使仿人机器人具备将目标物体抛投至目标位置的能力。其中仿人机器人具备可以进行步行的双足，识别物体的视觉系统，抓取物体的双手。具体过程如附图1所示。

仿人机器人通过本发明实现将目标物体抛投至目标位置的过程如下：

根据作业目标，仿人机器人根据视觉识别系统识别自身的位置以及目标物体的位置，并通过双脚移动至目标物体处，并将目标物体拾起。

仿人机器人识别目标物体的过程如下：

机器人在竖直，也就是充分稳定的情况下，对环境进行扫描，建立一个基准，包括N个基准点组成的一个数据库。

机器人在运动的过程中，实时采集环境图像，并与基准点进行实时校对，估算机器人当前的状态，并与脚底的六维力传感器的信息进行校对。

根据目标物体的图像特征，确定目标物体的位置，并根据机器人自身的位置信息，规划机器人的运动路径以及对目标物体抓取的动作。

抛投物体的过程如附图2所示

根据机器人所在位置以及目标位置计算目标物体在空中的飞行轨迹S(t)。

根据目标物体的飞行轨迹，计算目标物体所需的加速度a，从而计算出目标物体所需要的推力ma。

根据目标物体所需要的推力，计算出机器人施加在目标物体上的推力F＝m(a-g)，进而计算出机器人由于抛投目标物体所收到的冲击力，并将冲击力转换为作用在机器人重心位置的力F，以及力矩M。

根据仿人机器人的碰撞模型，规划机器人各个关节的运动，调整机器人的全身姿态，使机器人保持稳定。

机器人的动力学公式：

其中θ为机器人的各个关节的角度值，为机器人的关节角速度值，为机器人的关节角加速度值。为作用在机器人各个关节的驱动力矩，G(θ)为机器人受到的重力，为机器人收到的科氏力，τ为机器人受到的外力。

当机器人静止不动时，外力τ为机器人受到的地面的支撑力F_n，当机器人进行抛投目标物体作业时，τ变为地面的作用力，以及作用在重心位置处的冲击力F_c，以及转动力矩M的合力，即：

τ＝F_c+F_n+M

为使机器人保持稳定的姿态，需要保持机器人的关节角度θ在一定的范围内，当机器人所受外力发生变化时，根据机器人动力学方程，需要改变机器人的关节驱动力从而保证机器人的各个关节角度θ保持在一定的范围内。

当机器人受到的冲击力过大，关节驱动力无法保证机器人的关节角度保持在一定的范围内，通过机器人下肢迈步的方式，调节机器人身体姿态，从而使机器人保持稳定的姿态。

Claims (5)

1.一种仿人机器人抛投物体及稳定性控制方法，所述仿人机器人具有双目视觉识别系统，所述方法包括以下步骤：

步骤1，作业任务输入，即制定仿人机器人需要抛投目标物体，以及需要将目标物体抛投的目标位置；

步骤2，所述仿人机器人根据双目视觉识别系统，对目标物体进行识别，并规划路径，将目标物体拾起；

步骤3，根据基于碰撞模型的仿人机器人抛投方法，实现将目标物体抛投至目标位置的作业任务，并在抛投过程中保持仿人机器人自身的稳定性；

其特征在于，所述步骤3中在抛投过程中保持仿人机器人自身的稳定性进一步包括以下步骤：

根据仿人机器人所在位置以及目标位置计算目标物体在空中的飞行轨迹S(t)；

根据目标物体的飞行轨迹，计算目标物体所需的加速度a，从而计算出目标物体所需要的推力ma；

根据目标物体所需要的推力，计算出仿人机器人施加在目标物体上的推力F＝m(a-g)，进而计算出机器人由于抛投目标物体所收到的冲击力，并将冲击力转换为作用在仿人机器人重心位置的力F，以及力矩M；

根据仿人机器人的碰撞模型，规划仿人机器人各个关节的运动，调整仿人机器人的全身姿态，使仿人机器人保持稳定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中仿人机器人将目标物体拾起的过程如下：

根据作业目标，仿人机器人根据视觉识别系统识别自身的位置以及目标物体的位置，并通过双脚移动至目标物体处，并将目标物体拾起；

所述步骤2中仿人机器人识别目标物体的过程如下：

所述仿人机器人在竖直充分稳定的情况下，对环境进行扫描，建立一个基准，包括N个基准点组成的一个数据库；

所述仿人机器人在运动的过程中，实时采集环境图像，并与基准点进行实时校对，估算仿人机器人当前的状态，并与脚底的六维力传感器的信息进行校对；

所述仿人机器人根据目标物体的图像特征，确定目标物体的位置，并根据自身的位置信息，规划运动路径以及对目标物体抓取的动作。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述仿人机器人的动力学公式为：

$M\left(\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}\right)+G\left(\mathrm{\θ}\right)+C(\mathrm{\θ},\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}})=\mathrm{\τ}$

其中θ为仿人机器人的各个关节的角度值，为仿人机器人的关节角速度值，为仿人机器人的关节角加速度值，为作用在仿人机器人各个关节的驱动力矩，G(θ)为仿人机器人受到的重力，为仿人机器人收到的科氏力，τ为仿人机器人受到的外力。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述仿人机器人静止不动时，外力τ为仿人机器人受到的地面的支撑力F_n，当所述仿人机器人进行抛投目标物体作业时，τ变为地面的作用力，以及作用在重心位置处的冲击力F_c，以及转动力矩M的合力，即：

τ＝F_c+F_n+M

为使机器人保持稳定的姿态，需要保持机器人的关节角度θ在一定的范围内，当机器人所受外力发生变化时，根据机器人动力学方程，需要改变机器人的关节驱动力从而保证机器人的各个关节角度θ保持在一定的范围内。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述仿人机器人受到的冲击力过大，关节驱动力无法保证仿人机器人的关节角度保持在一定的范围内，通过仿人机器人下肢迈步的方式，调节仿人机器人身体姿态，从而使仿人机器人保持稳定的姿态。