CN106054894A - 一种机器人伴随系统、伴随方法及机器人小车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，尤其是一种机器人伴随系统、伴随方法及机器人小车；所述机器人伴随系统包括：系统预设定模块、位置采集模块、坐标计算模块、区域判断模块、驱动指令编辑模块和机器人驱动模块，所述系统预设定模块、所述位置采集模块、所述坐标计算模块、所述区域判断模块、所述驱动指令编辑模块和所述机器人驱动模块依次连接。本发明利用区域判断模块实现实时判断人相对于机器人小车所在的区域；并利用驱动指令编辑模块编辑机器人小车驱动控制指令以指导和实现机器人小车做伴随动作，从而确保了机器人小车与人伴随动作的准确性和可靠性。

Description

一种机器人伴随系统、伴随方法及机器人小车

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是一种机器人伴随系统、伴随方法及机器人小车。

背景技术

伴随机器人顾名思义是一种可陪伴在人的一侧，并随着人的运动而运动的机器人。而现在应用更多的是跟随机器人，即机器人以一定的距离跟随在人的身后。一般跟随机器人多处于人的视野之后，如出现突发事件，人往往不能及时发现，而伴随机器人处于人的视野之内，人能随时观察机器人的运动状态，防止意外事件的发生。由此，本发明提出一种机器人伴随运动实现方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机器人伴随系统、伴随方法及机器人小车，以实现机器人小车与人伴随动作的准确性和可靠性。

本发明提供了下述方案：

一种机器人的伴随系统，包括：

系统预设定模块，用于建立实时的机器人坐标系并设定人在机器人坐标系的伴随位置坐标；

位置采集模块，用于采集人与机器人的相对位置，计算并建立实时的人机相对位置坐标；

坐标计算模块，用于将人机相对位置坐标实时代入机器人坐标系中，计算并建立动态的人在机器人坐标系中的实际位置坐标；

区域判断模块，用于根据人在机器人坐标系中的实际位置坐标实时判断人相对于机器人所在的区域；

驱动指令编辑模块，用于根据人相对于机器人所在的区域以及人机相对位置坐标，计算并编辑机器人驱动指令；

机器人驱动模块，用于根据机器人驱动指令驱动机器人进行伴随动作。

优选地，所述系统预设定模块和所述位置采集模块分别与所述坐标计算模块连接，所述坐标计算模块、所述区域判断模块、所述驱动指令编辑模块和所述机器人驱动模块依次连接。

优选地，所述系统预设定模块、所述位置采集模块、所述坐标计算模块、所述区域判断模块、所述驱动指令编辑模块和所述机器人驱动模块依次连接。

优选地，所述区域判断模块包括：

前方区域判断单元，对人是否处于机器人前方区域进行判断，当满足以下条件时即可判断人位于机器人的前方区域：

y>L、y>(x-W/2)+L、y>-(x+W/2)+L；

后方区域判断单元，对人是否处于机器人后方区域进行判断，当满足以下条件时即可判断人位于机器人的后方区域：

y<0、y<-(x-W/2)；

左方区域判断单元，对人是否处于机器人左方区域进行判断，当满足以下条件时即可判断人位于机器人的左方区域：

x<-W/2、y<-(x+W/2)+L、y>0；

右方区域判断单元，对人是否处于机器人右方区域进行判断，当满足以下条件时即可判断人位于机器人的右方区域：

x>W/2、y>(x-W/2)、y>-(x-W/2)；

其中，W为机器人的宽度，L为机器人的长度，(x，y)为人处于动态人机伴随坐标系中的实时坐标。

优选地，所述驱动指令编辑模块包括：

前方区域驱动指令编辑单元，用于编辑当人处于机器人的前方区域时的驱动指令；

后方区域驱动指令编辑单元，用于编辑当人处于机器人的后方区域时的驱动指令；

左方区域驱动指令编辑单元，用于编辑当人处于机器人的左方区域时的驱动指令；

右方区域驱动指令编辑单元，用于编辑当人处于机器人的右方区域时的驱动指令。

一种机器人的伴随方法，

利用系统预设定模块建立实时的机器人坐标系并设定人在机器人坐标系的伴随位置坐标；

利用位置采集模块采集人与机器人的相对位置，计算并建立实时的人机相对位置坐标；

利用坐标计算模块将人机相对位置坐标实时代入机器人坐标系中，计算并建立动态的人在机器人坐标系中的实际位置坐标；

利用区域判断模块根据动态人机伴随坐标系实时判断人相对于机器人所在的区域；

利用驱动指令编辑模块根据人相对于机器人所在的区域以及人机相对位置坐标，计算并编辑机器人驱动指令；

利用机器人驱动模块根据机器人驱动指令驱动机器人进行伴随动作。

优选地，所述驱动指令编辑模块的控制逻辑包括前方区域控制逻辑和左方区域控制逻辑，所述前方区域控制逻辑和所述左方区域控制逻辑相同；

所述前方区域控制逻辑为：

(1)在车体坐标系下，假设人的伴随保持位置坐标为(x₀，y₀)，人的实际位置坐标为(x₁，y₁)；假设人处于伴随保持位置坐标(x₀，y₀)时，机器人正向前行，左驱动轮和右驱动轮的速度大小相同，且机器人的速度为v₀；

(2)通过坐标变换，将人的伴随保持位置坐标(x₀，y₀)转换成正前方伴随保持位置坐标(x_n0，y_n0)；

(3)通过坐标变换之间的几何关系，将人的实际位置坐标(x₁，y₁)转换成正前方实际位置坐标(x_n1，y_n1)；

(4)根据坐标变换之间的几何关系，分别计算出机器人的两驱动轮中点间的速度大小为v_m，左驱动轮的速度大小为v_l，右驱动轮的速度为v_r以及转向角度的大小；

(5)根据计算出的左驱动轮的速度v_l，右驱动轮的速度v_r以及转向角度的大小，驱动机器人进行跟随运动，实现人在车体坐标系的位置由(x₁，y₁)变为(x₀，y₀)。

优选地，所述驱动指令编辑模块的控制逻辑包括右方区域控制逻辑，所述右方区域控制逻辑为：

(1)机器人以固定的速度顺时针原地转向寻找人，直到人处于小车前方区域或者左方区域；

(2)采用前方区域或左方区域的控制逻辑实现机器人与人的伴随运动。

优选地，所述驱动指令编辑模块的控制逻辑包括后方区域控制逻辑，所述后方区域控制逻辑为：

(1)机器人实施减速，直到速度为零，机器人停下；

(2)进入下一个区域判断控制过程，直到实现机器人与人的伴随运动。

一种机器人小车，包括所述机器人的伴随系统。

本发明产生的有益效果：

本发明利用区域判断模块实现实时判断人相对于机器人小车所在的区域；并利用驱动指令编辑模块编辑机器人小车驱动控制指令以指导和实现机器人小车做伴随动作，从而确保了机器人小车与人伴随动作的准确性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的机器人伴随系统的组成框图；

图2为本发明的机器人伴随方法的步骤框图；

图3为本发明的机器人小车的区域划分示意图；

图4为本发明的机器人伴随方法的坐标变换示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

伴随运动分为左侧伴随和右侧伴随，两侧的实现方案完全一致，以下具体描述人在机器人小车左侧的伴随实现方案，人在车右侧的方案不再赘述。

实施例一

如图1所示的机器人的伴随系统，包括：

系统预设定模块，用于建立实时的机器人坐标系并设定人在机器人坐标系的伴随位置坐标；

位置采集模块，用于采集人与机器人的相对位置，计算并建立实时的人机相对位置坐标；

坐标计算模块，用于将人机相对位置坐标实时代入机器人坐标系中，计算并建立动态的人在机器人坐标系中的实际位置坐标；

区域判断模块，用于根据人在机器人坐标系中的实际位置坐标实时判断人相对于机器人所在的区域；

驱动指令编辑模块，用于根据人相对于机器人所在的区域以及人机相对位置坐标，计算并编辑机器人驱动指令；

机器人驱动模块，用于根据机器人驱动指令驱动机器人进行伴随动作。

所述系统预设定模块和所述位置采集模块分别与所述坐标计算模块连接，所述坐标计算模块、所述区域判断模块、所述驱动指令编辑模块和所述机器人驱动模块依次连接。

所述区域判断模块包括：

前方区域判断单元，对人是否处于机器人前方区域进行判断，当满足以下条件时即可判断人位于机器人的前方区域：

y>L、y>(x-W/2)+L、y>-(x+W/2)+L；

后方区域判断单元，对人是否处于机器人后方区域进行判断，当满足以下条件时即可判断人位于机器人的后方区域：

y<0、y<-(x-W/2)；

左方区域判断单元，对人是否处于机器人左方区域进行判断，当满足以下条件时即可判断人位于机器人的左方区域：

x<-W/2、y<-(x+W/2)+L、y>0；

右方区域判断单元，对人是否处于机器人右方区域进行判断，当满足以下条件时即可判断人位于机器人的右方区域：

x>W/2、y>(x-W/2)、y>-(x-W/2)；

其中，W为机器人的宽度，L为机器人的长度，(x，y)为人处于动态人机伴随坐标系中的实时坐标，具体如图3所示。

所述驱动指令编辑模块包括：

前方区域驱动指令编辑单元，用于编辑当人处于机器人的前方区域时的驱动指令；

后方区域驱动指令编辑单元，用于编辑当人处于机器人的后方区域时的驱动指令；

左方区域驱动指令编辑单元，用于编辑当人处于机器人的左方区域时的驱动指令；

右方区域驱动指令编辑单元，用于编辑当人处于机器人的右方区域时的驱动指令。

所述位置采集模块采用超声波测距定位模块或无线电测距定位模块。

本实施例中，将人相对机器人小车的位置划分为前方区域、后方区域、左方区域和右方区域四个区域，用以确定人和机器人小车的不同位置。

本实施例中，利用区域判断模块实现实时判断人相对于机器人小车所在的区域；并利用驱动指令编辑模块编辑机器人小车驱动控制指令以指导和实现机器人小车做伴随动作，从而确保了机器人小车与人伴随动作的准确性和可靠性。

实施例二，本实施例是基于实施例一的所述机器人的伴随系统，实施例一中所描述的内容也是本实施例所具有的，此处不再具体赘述。

如图2所示的机器人的伴随方法，包括如下步骤：

系统预设定，利用系统预设定模块建立实时的机器人坐标系并设定人在机器人坐标系的伴随位置坐标；

位置采集，利用位置采集模块采集人与机器人的相对位置，计算并建立实时的人机相对位置坐标；

坐标计算，利用坐标计算模块将人机相对位置坐标实时代入机器人坐标系中，计算并建立动态的人在机器人坐标系中的实际位置坐标；

区域判断，利用区域判断模块根据动态人机伴随坐标系实时判断人相对于机器人所在的区域；

驱动指令编辑，利用驱动指令编辑模块根据人相对于机器人所在的区域以及人机相对位置坐标，计算并编辑机器人驱动指令；

机器人驱动，利用机器人驱动模块根据机器人驱动指令驱动机器人进行伴随动作。

所述驱动指令编辑模块的控制逻辑包括前方区域控制逻辑、后方区域控制逻辑、左方区域控制逻辑和右方区域控制逻辑；所述前方区域控制逻辑和所述左方区域控制逻辑相同。

所述前方区域控制逻辑为：

(1)在车体坐标系下，假设人的伴随保持位置坐标为(x₀，y₀)，人的实际位置坐标为(x₁，y₁)；假设人处于伴随保持位置坐标(x₀，y₀)时，机器人正向前行，左驱动轮和右驱动轮的速度大小相同，且机器人的速度为v₀；

(2)通过坐标变换，将人的伴随保持位置坐标(x₀，y₀)转换成正前方伴随保持位置坐标(x_n0，y_n0)；采用下式将伴随保持位置坐标转换成正前方伴随保持位置坐标(x_n0，y_n0)：

x_no＝0；

y_no＝(v_o-b)/a；

其中a为常数，b为保持位置距车体左侧的距离，如图4所示。

(3)通过坐标变换之间的几何关系，将人的实际位置坐标(x₁，y₁)转换成正前方实际位置坐标(x_n1，y_n1)；由几何关系易得：

x_n1＝x_n0+(x₁-x₀)；

y_n1＝y_n0+(y₁-y₀)；

$d=\sqrt{{x_{n1}}^2+{y_{n1}}^2};$

r＝d/(2*cosθ)。

(4)根据坐标变换之间的几何关系，分别计算出机器人的两驱动轮中点间的速度大小为v_m，左驱动轮的速度大小为v_l，右驱动轮的速度为v_r以及转向角度的大小；此时，

$v_m=\frac{v_l+v_r}{2};$

v_m＝a*d+b；

$v_l/(r-\frac{W}{2})=v_r/(r+\frac{W}{2});$

可得：

$v_l=(1+\frac{W*\cos \mathrm{\&theta;}}{d})*(a*d+b);$

$v_r=(1-\frac{W*\cos \mathrm{\&theta;}}{d})*(a*d+b).$

(5)根据计算出的左驱动轮的速度v_l，右驱动轮的速度v_r以及转向角度的大小，驱动机器人进行跟随运动，实现人在车体坐标系的位置由(x₁，y₁)变为(x₀，y₀)。

所述右方区域控制逻辑为：

(1)机器人以固定的速度顺时针原地转向寻找人，直到人处于小车前方区域或者左方区域；此时：

v_l＝v₁；

v_r＝-v₁；

其中，v₁为机器人的顺时针旋转的速度。

(2)采用前方区域或左方区域的控制逻辑实现机器人与人的伴随运动。

所述后方区域控制逻辑为：

(1)机器人实施减速，直到速度为零，机器人停下；此时：

v_l＝v₀+c*y_n1；

v_r＝v₀+c*y_n1；

其中，c为常数。

(2)进入下一个区域判断控制过程，直到实现机器人与人的伴随运动。

本实施例中，坐标转换用到的各常数根据实际运动效果进行设定。

本实施例中，当人相对小车处于不同位置时，采用不同的控制逻辑。

本实施例中，为便于逻辑控制，通过坐标转换，将伴随运动控制转化为跟随运动控制。

实施例三，本实施例是在实施例一基础上改进的，实施例一中所描述的内容也是本实施例所具有的，此处不再具体赘述。

一种机器人小车，包括实施例一中的所述机器人的伴随系统。

实施例四，本实施例是在实施例二基础上改进的，实施例二中所描述的内容也是本实施例所具有的，此处不再具体赘述。

一种机器人小车，包括实施例二中的所述机器人的伴随方法。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种机器人的伴随系统，其特征在于：包括：

系统预设定模块，用于建立实时的机器人坐标系并设定人在机器人坐标系的伴随位置坐标；

位置采集模块，用于采集人与机器人的相对位置，计算并建立实时的人机相对位置坐标；

坐标计算模块，用于将人机相对位置坐标实时代入机器人坐标系中，计算并建立动态的人在机器人坐标系中的实际位置坐标；

区域判断模块，用于根据人在机器人坐标系中的实际位置坐标实时判断人相对于机器人所在的区域；

驱动指令编辑模块，用于根据人相对于机器人所在的区域以及人机相对位置坐标，计算并编辑机器人驱动指令；

机器人驱动模块，用于根据机器人驱动指令驱动机器人进行伴随动作。

2.根据权利要求1所述机器人的伴随系统，其特征在于：所述系统预设定模块和所述位置采集模块分别与所述坐标计算模块连接，所述坐标计算模块、所述区域判断模块、所述驱动指令编辑模块和所述机器人驱动模块依次连接。

3.根据权利要求1所述机器人的伴随系统，其特征在于：所述系统预设定模块、所述位置采集模块、所述坐标计算模块、所述区域判断模块、所述驱动指令编辑模块和所述机器人驱动模块依次连接。

4.根据权利要求2或3所述机器人的伴随系统，其特征在于：所述区域判断模块包括：

前方区域判断单元，对人是否处于机器人前方区域进行判断，当满足以下条件时即可判断人位于机器人的前方区域：

y>L、y>(x-W/2)+L、y>-(x+W/2)+L；

后方区域判断单元，对人是否处于机器人后方区域进行判断，当满足以下条件时即可判断人位于机器人的后方区域：

y<0、y<-(x-W/2)；

左方区域判断单元，对人是否处于机器人左方区域进行判断，当满足以下条件时即可判断人位于机器人的左方区域：

x<-W/2、y<-(x+W/2)+L、y>0；

右方区域判断单元，对人是否处于机器人右方区域进行判断，当满足以下条件时即可判断人位于机器人的右方区域：

x>W/2、y>(x-W/2)、y>-(x-W/2)；

其中，W为机器人的宽度，L为机器人的长度，(x，y)为人处于动态人机伴随坐标系中的实时坐标。

5.根据权利要求4所述机器人的伴随系统，其特征在于：所述驱动指令编辑模块包括：

前方区域驱动指令编辑单元，用于编辑当人处于机器人的前方区域时的驱动指令；

后方区域驱动指令编辑单元，用于编辑当人处于机器人的后方区域时的驱动指令；

左方区域驱动指令编辑单元，用于编辑当人处于机器人的左方区域时的驱动指令；

右方区域驱动指令编辑单元，用于编辑当人处于机器人的右方区域时的驱动指令。

6.一种机器人的伴随方法，其特征在于：

利用系统预设定模块建立实时的机器人坐标系并设定人在机器人坐标系的伴随位置坐标；

利用位置采集模块采集人与机器人的相对位置，计算并建立实时的人机相对位置坐标；

利用坐标计算模块将人机相对位置坐标实时代入机器人坐标系中，计算并建立动态的人在机器人坐标系中的实际位置坐标；

利用区域判断模块根据动态人机伴随坐标系实时判断人相对于机器人所在的区域；

利用驱动指令编辑模块根据人相对于机器人所在的区域以及人机相对位置坐标，计算并编辑机器人驱动指令；

利用机器人驱动模块根据机器人驱动指令驱动机器人进行伴随动作。

7.根据权利要求6所述机器人的伴随方法，其特征在于：所述驱动指令编辑模块的控制逻辑包括前方区域控制逻辑和左方区域控制逻辑，所述前方区域控制逻辑和所述左方区域控制逻辑相同；

所述前方区域控制逻辑为：

(1)在车体坐标系下，假设人的伴随保持位置坐标为(x₀，y₀)，人的实际位置坐标为(x₁，y₁)；假设人处于伴随保持位置坐标(x₀，y₀)时，机器人正向前行，左驱动轮和右驱动轮的速度大小相同，且机器人的速度为v₀；

(2)通过坐标变换，将人的伴随保持位置坐标(x₀，y₀)转换成正前方伴随保持位置坐标(x_n0，y_n0)；

(3)通过坐标变换之间的几何关系，将人的实际位置坐标(x₁，y₁)转换成正前方实际位置坐标(x_n1，y_n1)；

(4)根据坐标变换之间的几何关系，分别计算出机器人的两驱动轮中点间的速度大小为v_m，左驱动轮的速度大小为v_l，右驱动轮的速度为v_r以及转向角度的大小；

(5)根据计算出的左驱动轮的速度v_l，右驱动轮的速度v_r以及转向角度的大小，驱动机器人进行跟随运动，实现人在车体坐标系的位置由(x₁，y₁)变为(x₀，y₀)。

8.根据权利要求7所述机器人的伴随方法，其特征在于：所述驱动指令编辑模块的控制逻辑包括右方区域控制逻辑，所述右方区域控制逻辑为：

(1)机器人以固定的速度顺时针原地转向寻找人，直到人处于小车前方区域或者左方区域；

(2)采用前方区域或左方区域的控制逻辑实现机器人与人的伴随运动。

9.根据权利要求8所述机器人的伴随方法，其特征在于：所述驱动指令编辑模块的控制逻辑包括后方区域控制逻辑，所述后方区域控制逻辑为：

(1)机器人实施减速，直到速度为零，机器人停下；

(2)进入下一个区域判断控制过程，直到实现机器人与人的伴随运动。

10.一种机器人小车，其特征在于：包括如权利要求1-4中任意一项所述机器人的伴随系统。