CN108958261A - 一种基于2d轮式机器人的平稳搬运目标物体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于2D轮式机器人的平稳搬运目标物体的方法，该方法可以实现在机器人搬运目标物体的过程中，被搬运的目标物体从初始位置和姿态平稳、高效地运动到目标位置和姿态，而机器人的运动则是以目标物体的运动需求为基准进行调整。该方法解决传统的以机器人为核心的运动控制方法中，当机器人在搬运物体且被搬运物体的质心与机器人质心不重合的时候，很可能造成物体运动的离心力过大导致物体磕碰、甩出等危险情况。本发明提供一种非常具有实际应用价值的2D轮式机器人平稳、高效搬运目标物体的解决方案。

Description

一种基于2D轮式机器人的平稳搬运目标物体的方法

技术领域

本发明属于机器人运动控制技术领域，具体涉及一种基于2D轮式机器人的平稳搬运目标物体的方法。

背景技术

在过去的五六十年间，随着机器人实现的功能的逐渐完善，机器人在娱乐服务、家庭服务等人类生活方面扮演着越来越重要的角色。人们希望机器人能够代替人类做一系列的工作，包括危险性及繁琐性的工作，这其中包括需要机器人搬运危险物品等场景。在搬运危险物品的情况下，被搬运物体能否平稳、高效被运送达到安全位置是研究的核心。

在机器运动控制技术的不断发展下，机器人的运动可以达到相当灵活的地步，在以往的以机器人为核心的运动控制方法中，当机器人在搬运物体且被搬运物体的质心与机器人质心不重合的时候，很可能造成物体运动的离心力过大导致物体磕碰、甩出等危险情况。因此，急需一种以被搬运的目标物体为核心的运动方法，使得被搬运物体的运动可以按照规划的理想过程进行，而机器人的运动则以目标物体的运动需求为基准进行调整。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种基于2D轮式机器人的平稳搬运目标物体的方法，其特征在于，机器人搬起目标物体，并根据目标物体当前的位置P1 和姿态F1以及目标物体需要被运送到的位置P2和姿态F2，规划出目标物体由 P1、F1到达P2、F2的运动过程，具体包括以下步骤：

步骤S1，计算出当前时刻目标物体在全局坐标系下的理想运动状态 T_obj＝{V_x-objV_y-obj ω_z-obj}，其中V_x-obj为目标物体在全局坐标系下X轴的速度分量，V_y-obj为目标物体在全局坐标系下Y轴的速度分量，ω_z-obj为目标物体在全局坐标系下Z轴的角速度；

步骤S2，根据目标物体当前时刻理想运动状态计算机器人在当前时刻的理想运动状态T＝{V_x V_y ω_z}，其中V_x为机器人在全局坐标系下X轴的速度分量，V_y为机器人在全局坐标系下Y轴的速度分量，ω_z为机器人在全局坐标系下Z轴的角速度；

步骤S3，调整各个轮子的状态，使得机器人达到步骤S2所得理想运动状态，亦使得被搬运的目标物体达到当前时刻理想运动状态；

步骤S4，重复以上步骤S1-S3，使得被搬运物体平稳、高效到达目标位置 P2和姿态F2。

在上述一种基于2D轮式机器人的平稳搬运目标物体的方法，其特征在于，运动过程中只考虑目标物体在平行于全局坐标系XY平面上的位置和姿态的变化。

在上述一种基于2D轮式机器人的平稳搬运目标物体的方法，为了保证目标物体理想运动过程的平稳，运动过程中目标物体在全局坐标系下的平面运动速度 V_obj、平面运动加速度a_obj、自转角速度ω_obj、自转角加速度α_obj满足： 0≤V_obj≤V_max、0≤a_obj≤V_max、0≤ω_obj≤V_max、0≤α_obj≤V_max。

在上述一种基于2D轮式机器人的平稳搬运目标物体的方法，步骤S2根据目标物体当前时刻理想运动状态计算机器人在当前时刻的理想运动状态的具体步骤为：

S2-1确定当前时刻机器人质心和目标物体质心在全局坐标系下的坐标：机器人质心P在全局坐标系下的坐标为(x_rob y_rob z_rob)，目标物体质心O在全局坐标系下的坐标为(x_obj y_obj z_obj)；

S2-2假设在一个运动历元内机器人和目标物体没有相对运动，则由目标物体当前时刻理想运动状态T_obj＝{V_x-obj V_y-obj ω_z-obj}计算机器人在当前时刻的理想运动状态T＝{V_x V_y ω_z}的公式为：

V_x＝V_x-obj-ω_z-obj*d*sin(θ)

V_y＝V_y-obj-ω_z-obj*d*cos(θ)

ω_x＝ω_z-_obj

其中d为目标物体质点和机器人质点在全局坐标系下的水平距离；Θ为目标物体质点O和机器人质点P在全局坐标系下连线PO与全局坐标系X轴的夹角。

本发明解决传统的以机器人为核心的运动控制方法中，当机器人在搬运物体且被搬运物体的质心与机器人质心不重合的时候，很可能造成物体运动的离心力过大导致物体磕碰、甩出等危险情况。本发明提供一种非常具有实际应用价值的 2D轮式机器人平稳、高效搬运目标物体的解决方案。

附图说明

图1为本发明实施例的全局坐标系和机器人坐标系的关系示意图。

图2为本发明实施例的机器人坐标系和目标物体坐标系的关系示意图。

图3由目标物体当前时刻理想运动状态计算机器人在当前时刻的理想运动状态示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明的技术方案。

坐标系的建立是机器人的决策规划的重要基础。坐标系包括根据系统环境建立的全局坐标系、根据机器人自身建立的机器人坐标系以及根据目标物体建立的物体坐标系，三个坐标系均为常见的笛卡尔坐标系，全局坐标系和机器人坐标系的关系如图1所示，机器人坐标系和目标物体坐标系的关系如图2所示。具体建立方式如下：

(1)全局坐标系：以空间中一点Q为坐标原点，水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，Z轴垂直于XY所在的平面形成右手坐标系。在机器人和目标物体的运动过程中，该坐标系不发生平移和旋转。

(2)机器人坐标系：以机器人的底盘几何中心P为坐标原点，以定义的机器人的正前方为X轴，以机器人的正左方为Y轴方向，Z轴垂直于XY所在的平面形成右手坐标系。在机器人的运动过程中，该坐标系随着机器人的移动和转向而变化。

(3)目标物体坐标系：以目标物体质心O为坐标原点，以的定义的目标物体的正前方为X轴，以目标物体的正左方为Y轴方向，Z轴垂直于XY所在的平面形成右手系。在目标物体被搬运的规程中，该坐标系随着目标物体额移动和转向而变化。

在本发明中，假设机器人所处的环境始终处于同一水平面，目标物体的运动也处于同一水平面，且机器人运动平面平行于目标物体运动平面。因此取全局坐标系的Z轴平行于机器人坐标系和目标物体坐标系的Z轴且方向相同。

图2中M表示机器人搬起目标物体的机械臂或者是机器人上用于放置目标物体的支架、拖板等结构。

在本实施例中，将对本发明所采用的技术方案的实现过程进行详细说明。具体包括以下步骤：

步骤S1，机器人搬起目标物体：

此处机器人搬起目标物体可以是机器人通过机械臂夹起、搬起目标物体，也可以是人为地将目标物体放置在机器人运送目标物体所涉及的支架、拖板等结构上。

步骤S2，根据目标物体当前的位置P1和姿态F1以及目标物体需要被运送到的位置P2和姿态F2，规划出目标物体由P1、F1平稳、高效到达P2、F2的理想运动过程：

其中目标物体的位置是指目标物体质心在全局坐标系下的三维坐标，姿态是指目标物体在全局坐标系下的X轴方向与全局坐标系X轴的夹角，记为角，顺时针为正，

为了保证目标物体的平稳、高效运动，需要保证目标物体在运动过程中的速度、加速度、角速度、角加速度的取值在可控且合理的范围，运动过程中目标物体在全局坐标系下的平面运动速度V_obj、平面运动加速度a_obj、自转角速度ω_obj、自转角加速度α_obj满足：0≤V_obj≤V_max、0≤a_obj≤V_max、0≤ω_obj≤ V_max、0≤α_obj≤V_max，这些取值范围由上层控制系统决定。结合这些运动限制条件并结合目标物体起始位置P1、姿态F1和目标位置P2、姿态F2在全局坐标系下的位置关系和环境中障碍物分布情况，由运动控制的上层算法规划目标物体的理想路径。

同时，由于目标物体的运动主要是平行于全局坐标系XY平面上的位置和姿态的变化，因此步骤S2中只考虑目标物体在平行于全局坐标系XY平面上的运动。

步骤S3，根据S2计算出当前时刻目标物体在全局坐标系下的理想运动状态 T_obj＝{V_x-obj V_y-obj ω_z-obj}：

其中V_x-obj为目标物体在全局坐标系下X轴的速度分量，V_y-obj为目标物体在全局坐标系下Y轴的速度分量，ω_z-obj为目标物体在全局坐标系下Z轴的角速度。在运动中的任意时刻，目标物体的运动可以表示为平面上的平动和绕Z 轴转动这两种运动的组合。根据步骤二规划的目标物体的理想路径，可以计算出任意时刻目标物体的运动状态。

步骤S4，根据目标物体当前时刻理想运动状态计算机器人在当前时刻的理想运动状态T＝{V_x V_y ω_z}：

其中V_x为机器人在全局坐标系下X轴的速度分量，V_y为机器人在全局坐标系下Y轴的速度分量，ω_z为机器人在全局坐标系下Z轴的角速度。更具体地，此处根据目标物体当前时刻理想运动状态计算机器人在当前时刻的理想运动状态的具体步骤为：

S4-1确定当前时刻机器人质心和目标物体质心在全局坐标系下的坐标：机器人质心在全局坐标系下的坐标为(x_rob y_rob z_rob)，目标物体质心在全局坐标系下的坐标为(x_objy_obj z_obj)；

S4-2假设在一个运动历元内机器人和目标物体没有相对运动，则由目标物体当前时刻理想运动状态T_obj＝{V_x-obj V_y-obj ω_z-obj}计算机器人在当前时刻的理想运动状态T＝{V_x V_y ω_z}的公式为：

V_x＝V_x-obj-ω_z-obj*d*sin(θ)

V_y＝V_y-obj-ω_z-obj*d*cos(θ)

ω_x＝ω_z-obj

如图2,所示，其中d为目标物体质点和机器人质点在全局坐标系下的水平距离。Θ为目标物体质点O和机器人质点P在全局坐标系下连线PO与全局坐标系 X轴的夹角。

步骤S5，调整各个轮子的状态，使得机器人达到步骤S4所得理想运动状态，亦使得被搬运的目标物体达到当前时刻理想运动状态。

由于机器人自身的运动限制，如轮子转速的限制、轮子方向转动的限制等，此处需要考虑轮子的限制条件，尽可能将机器人的运动状态往理想运动状态调整，以达到被搬运的目标物体当前时刻的实际运动状态接近理想运动状态的目的。

步骤S6，重复以上步骤S2-S5，使得被搬运物体平稳、高效达到目标位置 P2和姿态F2。

由于步骤S5中的调整有偏差，以及机器人运动的摩擦、控制误差等，使得目标物体的实际运动过程会偏离理想运动过程，在实际操作中以固定时间间隔重复以上步骤S2-S5，以达到不断调整运动过程，使得目标物体的运动过程连贯、平顺。同时，也可以应对运动过程中的异常情况如目标位置变化、路径中障碍物变化等情况。具体实施时，可采用软件技术实现流程的自动运行。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种基于2D轮式机器人的平稳搬运目标物体的方法，其特征在于，机器人搬起目标物体，并根据目标物体当前的位置P1和姿态F1以及目标物体需要被运送到的位置P2和姿态F2，规划出目标物体由P1、F1到达P2、F2的运动过程，具体包括以下步骤：

步骤S1，计算出当前时刻目标物体在全局坐标系下的理想运动状态T_obj＝{V_x-obj V_y-objω_z-obj}，其中V_x-obj为目标物体在全局坐标系下X轴的速度分量，V_y-obj为目标物体在全局坐标系下Y轴的速度分量，ω_z-obj为目标物体在全局坐标系下Z轴的角速度；

步骤S2，根据目标物体当前时刻理想运动状态计算机器人在当前时刻的理想运动状态T＝{V_x V_y ω_z}，其中V_x为机器人在全局坐标系下X轴的速度分量，V_y为机器人在全局坐标系下Y轴的速度分量，ω_z为机器人在全局坐标系下Z轴的角速度；

步骤S3，调整各个轮子的状态，使得机器人达到步骤S2所得理想运动状态，亦使得被搬运的目标物体达到当前时刻理想运动状态；

步骤S4，重复以上步骤S1-S3，使得被搬运物体平稳、高效到达目标位置P2和姿态F2。

2.根据权利要求1所述一种基于2D轮式机器人的平稳搬运目标物体的方法，其特征在于，运动过程中只考虑目标物体在平行于全局坐标系XY平面上的位置和姿态的变化。

3.根据权利要求1所述一种基于2D轮式机器人的平稳搬运目标物体的方法，其特征在于，为了保证目标物体理想运动过程的平稳，运动过程中目标物体在全局坐标系下的平面运动速度V_obj、平面运动加速度a_obj、自转角速度ω_obj、自转角加速度α_obj满足：0≤V_obj≤V_max、0≤a_obj≤V_max、0≤ω_obj≤V_max、0≤α_obj≤V_max。

4.根据权利要求1所述一种基于2D轮式机器人的平稳搬运目标物体的方法，其特征在于，步骤S2根据目标物体当前时刻理想运动状态计算机器人在当前时刻的理想运动状态的具体步骤为：

S2-1确定当前时刻机器人质心和目标物体质心在全局坐标系下的坐标：机器人质心P在全局坐标系下的坐标为(x_rob y_rob z_rob)，目标物体质心O在全局坐标系下的坐标为(x_oby_obj z_obj)；

S2-2假设在一个运动历元内机器人和目标物体没有相对运动，则由目标物体当前时刻理想运动状态T_obj＝{V_x-obj V_y-obj ω_z-obj}计算机器人在当前时刻的理想运动状态T＝{V_x V_yω_z}的公式为：

V_x＝V_x-obj-ω_z-obj*d*sin(θ)

V_y＝V_y-obj-ω_z-obj*d*cos(θ)

ω_x＝ω_z-obj

其中d为目标物体质点和机器人质点在全局坐标系下的水平距离；Θ为目标物体质点O和机器人质点P在全局坐标系下连线PO与全局坐标系X轴的夹角。