CN1064577C - 机器人行走路径规划装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机器人行走路径规划装置和方法。该装置包括规划器、低通滤波器、伺服控制器和伺服马达。所述方法包括如下步骤：收到对应于预定目标位置的信号输入以后，计算初始速度分布曲线；通过使用一个单级低通滤波器，对初始速度分布曲线进行内插处理而获得经滤波处理的速度分布曲线；以及利用经滤波处理的速度分布曲线来控制伺服马达的加速和减速。

Description

机器人行走路径规划装置和方法

本发明涉及一种控制机器人运动的装置，特别是涉及一种控制机器人行走的路径规划装置和方法。

对于工业用途的机器人来说，其行走路径规划是机器人领域的技术人员首要关心的问题。特别是，准确地沿一个预定路径行走，以及平稳和可靠地实现直线和曲线路径之间的过渡是机器人必须具有的能力。现在这些可通过使用尽量以平稳速度实现这种变化过渡的加速／减速技术来实现。

一个使用线性滤波器的线性加速／减速控制系统是此类加速／减速技术的一种类型。该线性控制系统允许相对快的加速和减速，但它的缺陷是运动太突然。如此突然地加速和减速在机器人身体和相关部件上会产生过度的应力。

图1显示了一个机器人传统行走路径规划装置方框图。传统的行走路径规划装置包括：一个规划器10、一个内插器20、一个伺服控制器30和一个伺服马达40，规划器10接收目标位置信息，使用该目标位置信息进行计算以获得一个速度分布曲线，然后输出该速度分布曲线；内插器20从规划器10接收速度分布曲线，通过对接收到的速度分布曲线，进行路径内插处理并输出结果，即一个更平稳的速度分布曲线；伺服控制器30从内插器20接收速度分布曲线并输出相应的控制信号；伺服马达40由从伺服控制器30接收到的信号控制。

内插器20是一个线性滤波器，如图2所示，它包括至少一个单位延迟21、一个加法器22和一个系数乘法器23。图中字母“F”表示滤波器的级数和加速／减速部分的持续时间。

参考图3和图4，在这样一个传统行走路径规划装置中，规划器10将计算到达目标位置所需的初始速度分布曲线Va，并将该初始速度分布曲线输出给内插器20，内插器20对接收到的速度分布曲线Va进行路径内插处理，并获得一个经滤波处理的速度分布曲线V_b。经滤波处理的速度分布曲线V_b由内插器20输出给伺服控制器30，根据速度分布曲线V_b，伺服控制器30输出控制信号来驱动伺服马达40。

如图4所示，通过对经滤波处理的速度分布曲线V_b求微分，获得一个加速度分布曲线A，然后对该加速度分布曲线A求微分，获得一个脉冲分布曲线(jerk profile)J，在此脉冲是一个矢量，表示加速度和减速度随时间的变化率。因此脉冲分布曲线J表示作用在机器人身体上的突变力的程度以及在受到一个突变力的情况下机器人运动的程度。连续地受到突然冲击的作用对机器人身体和相关部件会造成损害。如图4所示，产生在机器人传统行走路径规划装置中的脉冲分布曲线J是急剧突变的。

美国专利5，434，489披露了一种机器人行走路径规划装置，在该装置中，通过使用两个线性滤波器，使使用在机器人身体上的突变力达到最小。图5是该专利机器人行走路径规划装置的方框图。由于该专利仅内插器20与上述的机器人行走路径规划装置不同，因此，对于其它部件将使用相同的标号。

如图所示，内插器20包括：一个第一线性滤波器24和一个第二线性滤波器25。根据这种结构，当初始速度分布曲线Va由规划器10传送给内插器20时，内插器20输出经滤波处理的速度分布曲线V_b′，如图6所示，相应于加速和减速的部分是二阶函数曲线。

从上述经滤波处理的速度分布曲线V_b′可得到一个加速速度分布曲线A′和一个脉冲分布曲线J′。如图所示，使用二个线性滤波器24和25而获得的脉冲分布曲线J′比仅利用一个线性滤波器获得的脉冲分布曲线更光滑，因此减小了对机器人身体的损害和机器人运动的突然性。尽管如此，对于机器人受到突然冲击的问题仍然存在，并存在同样的负作用。更进一步地说，第二滤波器的使用增加了计算时间，因此机器人的整个反应时间被延迟。

本发明就是用来解决上述问题的。

本发明的一个目的是提供一种机器人行走路径规划装置和方法，其受到的冲击不是突然的，以减小对机器人身体的损害，从而使机器人运动平稳。

本发明的另一个目的是提供一种机器人行走路径规划装置和方法，以改善机器人反应时间。

为实现上述发明目的，本发明提供一种机器人行走路径规划装置和方法。该装置包括：一个规划器、一个低通滤波器、一个伺服控制器和一个伺服马达。所述规划器接收目标位置信息，利用该信息进行计算以获得一个初始速度分布曲线，然后输出该初始速度分布曲线；所述低通滤波器作为一个内插器使用，它从规划器处接收初始速度分布曲线，并进行一个预定的运算处理，同样获得一个比初始速度分布曲线更光滑的经滤波处理的速度分布曲线，然后输出该经滤波处理的速度分布曲线；所述伺服控制器接收低通滤波器的输出速度分布曲线，并根据低通滤波器输出的速度分布曲线，输出加速和减速控制信号；所述伺服马达由从伺服控制器接收到的信号控制。

按照本发明的一个特点，低通滤波器包括：多个串联的单位延迟、多个第一乘法器、一个加法器和一个第二乘法器，所述单位延迟输出延迟信号；所述第一乘法器将预定增益值与单位延迟输出的每一个延迟信号相乘；所述加法器将所述第一乘法器输出值相加并将其和输出；所述第二乘法器将加法器的输出值与所有增益值之和的倒数(inverse)相乘，以获得经滤波处理的速度分布曲线。

最可取的是，单位延迟是移位寄存器。

本发明机器人行走路径规划方法包括如下步骤：收到对应于预定目标位置的信号输入以后，计算初始速度分布曲线；通过使用一个单级低通滤波器，对初始速度分布曲线进行内插处理而获得经滤波处理的速度分布曲线；利用经滤波处理的速度分布曲线来控制伺服马达的加速和减速。

按照本发明所述方法的一个特点，所述获得经滤波处理的速度分布曲线的方法进一步包括如下步骤：通过依次延迟输入信号而输出一系列具有连续延迟值的延迟信号；将预定增益值与每一个延迟信号相乘，并输出结果；将预定增益值与各个延迟信号相乘的结果相加，并输出其结果；将输出的结果与所有增益值之和的倒数相乘。

按照本发明所述方法的另一个特点，在经低通滤波器滤波处理之前，计算所有增益值之和并将其作为一个初始值。

按照本发明所述方法的又一个特点，调整增益值以控制伺服马达的加速和减速。

按照本发明所述装置和方法的一个特点，当增益值是关于时间的一次函数时，该一次函数由下列方程表示：

这里t代表时间，k(t)代表增益值，F是伺服马达加速时间段的大小，a是随机数，a≥O。

按照本发明所述装置和方法的另一个特点，当增益值是关于时间的二次函数时，该二次函数由下列方程表示：

k(t)=-at(t-F)，    O＜t＜F

这里t代表时间，k(t)代表增益值，F是伺服马达加速时间段的大小，a是随机数，a≥0。

说明书中的附图作为说明书的一部分，表示本发明的一个实施例，并与说明书一起用于解释本发明的技术方案。

图1是一个机器人传统行走路径规划装置方框图；

图2是图1所示的内插器的方框图；

图3是输入图1所示的内插器的速度分布曲线坐标图；

图4是图1所示内插器输出的一条速度分布曲线以及由该速度分布曲线微分求得的一条加速度分布曲线和一条脉冲分布曲线坐标图；

图5是由两个线性滤波器所组成内插器的机器人传统行走路径规划装置方框图；

图6是图5所示内插器输出的一条速度分布曲线以及由该速度分布曲线微分求得的一条加速度分布曲线和一条脉冲分布曲线坐标图；

图7是本发明最佳实施例中的机器人行走路径规划装置方框图；

图8是图7所示的低通滤波器的方框图；

图9a和图9b是图7所示的低通滤波器的增益值曲线坐标图；

图10是图7所示低通滤波器输出的一条速度分布曲线以及由该速度分布曲线微分求得的一条加速度分布曲线和一条脉冲分布曲线坐标图。

下面将结合附图详细描述本发明最佳实施例。

图7是本发明最佳实施例中的机器人行走路径规划装置方框图。如图所示，本发明的机器人行走路径规划装置包括：一个规划器10、一个低通滤波器50、一个伺服控制器30和一个伺服马达40。所述规划器10接收目标位置信息，利用该信息进行计算以获得一个初始速度分布曲线Va，然后输出该初始速度分布曲线Va；所述低通滤波器50从规划器10处接收初始速度分布曲线Va，并进行一个预定的运算处理，同样获得一个比初始速度分布曲线Va更光滑的经滤处理的速度分布曲线V_b″，然后输出该经滤波处理的速度分布曲线V_b″；所进伺服控制器30接收低通滤波器50的输出，并输出加速和减速控制信号；所述伺服马达40由从伺服控制器30接收到的信号控制。所述低通滤波器50进行路径内插处理，因此起内插器的作用。

图8是低通滤波器50的方框图。所述低通滤波器50包括：多个单位延迟51、第一乘法器52、一个第二乘法器54和一个加法器53。所述单位延迟是移位寄存器。就这些部件的工作情况而论，所述单位延迟51相互串联产生并输出延迟信号；所述第一乘法器52将预定增益值(k₁、k₂…K_f)与单位延迟51输出的每一个延迟信号相乘；所述加法器53将每个第一乘法器的输出值相加，并将该值输出；所述第二乘法器54将加法器53的输出值与所有增益值之和的倒数相乘，而获得经滤波处理的、光滑的速度分布曲线V_b″。这里F是伺服马达加速时间段的大小。

如果一个数字滤波器的传递函数是f(nT)，滤波器输入信号是V(nT)，滤波器输出信号w(nT)可由方程1表示，即滤波器的输入信号V(nT)和传递函数f(nT)的卷积。

[方程1] $w\left(\mathrm{nT}\right)=\underset{i=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}v(\mathrm{nT}-\mathrm{iT})\·f\left(\mathrm{iT}\right)$

这里T代表采样周期，n=(0，1，2…)

因此，如果一个速度分布曲线Va(nT)输入给低通滤波器50，低通滤波器50输出的速度分布曲线V_b(nT)可由方程2表示。

[方程2] $V_b\left(\mathrm{nT}\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{F}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i\·V_a(\mathrm{nT}-\mathrm{iT})}{S_k},S_k=\underset{i=1}{\overset{F}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i$

在如图8所示低通滤波器50的实际使用情况下，由于所有增益值之和(S_k)被用做初始值，因此，对滤波器的计算速度没有实际影响。

伺服马达40加速度的变化由方程2的增益值K_i决定。简单地说，如果增益值K_i是关于时间t的连续函数K(t)，且K(t)如方程3所示，是关于时间的一次函数，当图3所示速度分布曲线Va输入低通滤波器50时，低通滤波器50输出如图6所示经滤波处理的速度分布曲线V_b″。

[方程3]器50输出如图6所示经滤波处理的速度分布曲线Vb″。

[方程3]

这里a是一个大于0的随机数。方程3所确定的函数关系由图9a表示，由于低通滤波器50是数字式的，因此，增益值K(t)是对0～F的一个持续时间以采样周期T采样所获得的。图6所示的经滤波处理的速度分布曲线V_b′的加速和减速段是曲线。

更进一步地说，如果对经滤波处理的速度分布曲线V_b′求微分，即可获得图6所示的加速度分布曲线A′和脉冲分布曲线J′。也就是说，通过使用传统内插器的两个线性滤波器所获得的脉冲分布曲线J′可以通过使用本发明的单级低通滤波器50而获得。

另一方面，如果增益值K(t)如方程4所示是关于时间的二次函数，当图3所示速度分布曲线Va输入低通滤波器50时，低通滤波器50输出如图10所示的速度分布曲线V_b″。

[方程4]

k(t)=-at(t-F)，    0＜t＜F

这里a是一个大于0的随机数，方程4所确定的函数关系由图9b表示。如果对图10所示的速度分布曲线V_b″求微分，即可获得图10所示的速度分布曲线A″和脉冲分布曲线J″。如图所示，图10的脉冲中分布曲线J″明显地比图6的脉冲分布曲线光滑，这表明伺服马达40能够更平稳地运行。由于随着增益值函数阶次的增加，脉冲分布曲线变得更光滑，因此，减轻了由冲击运动所导致的对机器人身体的损害。

下面将描述本发明最佳实施例的机器人行走路径规划方法。

首先，输入预定目标位置后，计算初始速度分布曲线Va。其次，对初始速度分布曲线Va进行路径内插处理，以获得光滑的经滤波处理的速度分布曲线V_b″，然后，利用经滤波处理的速度分布曲线V_b″控制伺服马达40的加速。在此，通过使用单级低通滤波器50进行路径内插处理。

就使用低通滤波器50进行滤波处理而言，在接收到初始速度分布曲线Va的输入后，所述单位延迟51输出具有连续延迟值的一系列延迟信号。所述第一乘法器52将预定增益值与所述单位延迟51输出的每一个延迟信号相乘，然后所述第一乘法器52输出其结果。接着，所述加法器53将所述第一乘法器的输出值相加并输出其结果。最后，所述第二乘法器54将所述加法器53的输出值(所述第一乘法器52输出值之和)与所有增益值之和的倒数相乘。

在上文中，通过调整低通滤波器50的增益值，可控制伺服马达40加速度的变化率。如果增益值是关于时间的连续函数，伺服马达40运行的平稳性就随着其函数阶次的增加而增加。也就是说，当输入给低通滤波器50的速度分布曲线Va是0时，在增益值是关于时间的一次函数的情况下，脉冲分布曲线J″变为0次曲线，在增益值是关于时间的二次函数的情况下，脉冲分布曲线J″变为一次曲线。

在使用本发明机器人行走路径规划装置和方法时，可通过增加脉冲分布曲线阶次的方法，来提高机器人运动的平稳性，因此，减小了对机器人身体的损害并提高了其整体可控制性。更进一步地说，通过使用单级低通滤波器，减少了其滤波计算的时间。

在此已经对本发明的最佳实施例进行了详细描述，显然，对本领域的技术人员来说，可以很容易地根据本发明的基本技术方案得到启示，而作出各种的变化和／或改型，但是，这种变化和／或改型均不能脱离本发明的实质技术内容，均落入本发明权利要求所保护的范围之内。

Claims (15)

1．一种机器人行走路径规划装置，其包括：

一个规划器，接收目标位置信息，利用该信息进行计算以获得一个初始速度分布曲线，然后输出该初始速度分布曲线；

一个低通滤波器，从规划器处接收初始速度分布曲线，并进行一个预定的运算处理，同样获得一个比初始速度分布曲线更光滑的经滤波处理的速度分布曲线，然后输出该经滤波处理的速度分布曲线：

一个伺服控制器，接收所述低通滤波器的输出，并根据所述低通滤波器输出，输出加速和减速控制信号：及

一个伺服马达，由从所述伺服控制器接收到的信号控制。

2．根据权利要求1所述的装置，其中所述低通滤波器包括：

多个串联的单位延迟，输出延迟信号；

多个第一乘法器，将预定增益值与所述单位延迟输出的每一个延迟信号相乘；

一个加法器，将所述第一乘法器输出值相加并将其和输出；

一个第二乘法器，将所述加法器的输出值与所有所述增益值之和的倒数相乘，以获得经滤波处理的速度分布曲线。

3．根据权利要求2所述的装置，其中所述单位延迟是移位寄存器。

4．根据权利要求2所述的装置，其中所述增益值是关于时间的一次函数。

5．根据权利要求4所述的装置，其中所述的一次函数由下面的方程表示：

在此t表示时间，K(t)是增益值，F是伺服马达加速时间段的大小，a是一个随机数，a≥0。

6．根据权利要求2所述的装置，其中所述增益值是关于时间的二次函数。

7．根据权利要求6所述的装置，其中所述的二次函数可由下面的方程表示：

k(t)=-at(t-F)，    O＜t＜F

在此t表示时间，K(t)是增益值，F是伺服马达加速时间段的大小，a是一个随机数，a≥0。

8．一种机器人行走路径规划方法，其包括以下步骤：

收到对应于预定目标位置的信号输入以后，计算初始速度分布曲线；

通过使用一个单级低通滤波器，对所述初始速度分布曲线进行内插处理而获得经滤波处理的速度分布曲线；

以及利用所述经滤波处理的速度分布曲线来控制伺服马达的加速和减速。

9．根据权利要求8所述的方法，其中获得所述经滤波处理的速度分布曲线的步骤进一步包括以下步骤：

通过依次延迟输入信号而输出具有连续延迟值的一系列延迟信号；

将预定增益值与每一个延迟信号相乘，并输出结果；

得到预定增益值与各个延迟信号相乘结果的和值，并输出产生的和值；

以及将该和值与所有增益值之和的倒数相乘。

10．根据权利要求9所述的方法，其中在经所述低通滤波器滤波处理之前，计算所有增益值之和并将其作为一个初始值。

11．根据权利要求9所述的方法，其中调整所述增益值以控制所述伺服马达的加速和减速。

12．根据权利要求9所述的方法，其中所述增益值是关于时间的一次函数。

13．根据权利要求12所述的方法，其中所述一次函数由下列方程表示：

这里t代表时间，k(t)代表增益值，F是伺服马达加速时间段的大小，a是随机数，a≥0。

14．根据权利要求9所述的方法，其中所述增益值是关于时间的二次函数。

15．根据权利要求14所述的方法，其中所述二次函数由下列方程表示：

k(t)=-at(t-F)，    O＜t＜F

这里t代表时间，k(t)代表增益值，F是伺服马达加速时间段的大小，a是随机数，a≥0。

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