CN110842890A - 一种机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人及其控制方法，所述机器人包括机械臂、摄像头、两个距离传感器、驱动机构和处理器，所述机械臂上设有第一至第N关节，所述机械臂通过第一关节安装在机器人上，所述机械臂远离第一关节的一端上还设有末端执行器。本发明根据摄像头拍摄的图像和两个距离传感器测得的距离，控制驱动机构调整机器人的位置和指向角度，使调整后的机器人到达目标机柜的前方且使调整后的机器人平行于目标机柜；然后调整机械臂的姿态，使机械臂的末端执行器与柜门产生物理连接；使第二至第N关节失去扭力的同时控制第一关节转动，使得机械臂向后运动以拉开目标机柜的柜门，本发明能够实现开门功能。本发明可以广泛应用于自动化领域。

Description

一种机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及自动化领域，尤其是一种机器人及其控制方法。

背景技术

随着科学技术的发展，在机器视觉系统上的软硬件已经发展得非常成熟。在硬件方面，高精度、大分辨率、高速扫描的相机已经大量应用在航天航空、工业控制、视频监控等领域，同时高性能的计算机更是在社会的各个领域中成为了不可或缺的一部分。在软件方面，随着大量图像处理算法不断地深入研究，这些图像处理算法已经得到了实际应用的验证，并且广泛应用于实际的及其视觉产品的生产过程中。软硬件技术的持续进步，使得机器人技术也得到了深入的发展。

机房巡检是保障机房设备安全和保证设备正常运转的重要工作。目前，很多大型机房的巡检工作已经由机器人代替人工。采用机器人代替人工巡检，能够提升巡检效率，降低人力成本。

目前，有很多厂商开发了他们自己的机器人，但是目前这些机器人的功能仅仅能够执行采集环境数据和寻找目标的任务。但是在机房这个特殊的应用场合中，机器人可能需要采集机柜内部的环境参数，而目前市面上的机器人均不具备打开机柜柜门的能力。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种具有开门功能的机器人及其控制方法。

本发明所采取的第一种技术方案是：

一种机器人，包括：

机械臂，用于完成开门和关门的动作；所述机械臂上设有第一至第N关节，其中N为大于等于2的整数，所述机械臂通过第一关节安装在机器人上，所述机械臂远离第一关节的一端上还设有末端执行器，所述末端执行器用于与目标机柜的柜门产生物理连接；

摄像头，用于拍摄图像；

距离传感器，用于测量目标机柜与距离传感器之间的距离；所述距离传感器有两个，且两个距离传感器分布机器人左右两侧；

驱动机构，用于调整机器人的位置和指向角度；

处理器，用于根据摄像头拍摄的图像和两个距离传感器测得的距离，控制驱动机构调整机器人的位置和指向角度，使调整后的机器人到达目标机柜的前方且使调整后的机器人平行于目标机柜；调整机械臂的姿态，使机械臂的末端执行器运动到设定拉门点并与设定拉门点产生物理连接；使第二至第N关节失去扭力的同时控制第一关节转动，使得机械臂向后运动以拉开目标机柜的柜门。

进一步，还包括升降机构，所述升降机构安装在驱动机构上，所述两个机械臂安装在升降机构的两侧。

进一步，所述末端执行器上还设有感应装置，所述感应装置为压力传感器、光敏传感器和距离传感器中的至少一种。

进一步，所述末端执行器为电磁铁。

本发明所采取的第二种技术方案是：

一种机器人的控制方法，所述机器人包括机械臂、摄像头、驱动机构和两个距离传感器，所述两个距离传感器分布机器人左右两侧；所述机械臂上设有第一至第N关节，所述机械臂通过第一关节安装在机器人上，所述机械臂在远离第一关节的一端设有末端执行器，所述控制方法包括以下步骤：

获取摄像头拍摄的图像和两个距离传感器检测的距离；

根据摄像头拍摄的图像和两个距离传感器检测的距离，控制驱动机构调整机器人的位置和指向角度，使调整后的机器人到达目标机柜的前方且使调整后的机器人平行于目标机柜；

调整机械臂的姿态，使机械臂的末端执行器运动到设定拉门点并与设定拉门点产生物理连接；

使第二至第N关节失去扭力的同时控制第一关节转动，使得机械臂向后运动以拉开目标机柜的柜门。

进一步，还包括以下步骤：

调整第一至第N关节的状态，使第一至第N关节恢复到机械臂的末端执行器运动到设定拉门点并与设定拉门点产生物理连接时的状态，以关闭目标机柜的柜门。

进一步，所述调整机械臂的姿态，使机械臂的末端执行器运动到设定拉门点并与设定拉门点产生物理连接，这一步骤具体包括：

通过运动逆解算法调整机械臂的姿态，使机械臂的末端执行器运动到设定拉门点附近；

获取末端执行器采集的数据；

根据末端执行器采集的数据，判断末端执行器是否已经贴合在目标机柜的柜门上，若是，则控制末端执行器吸住目标机柜的柜门；反之，则继续调整机械臂的姿态，直至末端执行器贴合并吸住目标机柜的柜门。

进一步，所述根据摄像头拍摄的图像和两个距离传感器检测的距离，控制驱动机构调整机器人的位置和指向角度，使调整后的机器人到达目标机柜的前方且使调整后的机器人平行于目标机柜，这一步骤具体包括：

根据两个距离传感器检测的距离，控制驱动机构调整机器人的指向角度，使机器人平行于目标机柜；

根据摄像头拍摄的图像，控制驱动机构调整机器人的位置，使机器人到达目标机柜的前方。

进一步，所述根据摄像头拍摄的图像，控制驱动机构调整机器人的位置，使机器人到达目标机柜的前方，这一步骤具体包括：

根据摄像头拍摄的图像，提取显著特征；

根据显著特征在图像中的位置，得到机器人的应移动方向；

根据机器人的应移动方向，调整机器人的位置，使机器人到达目标机柜的前方，并使显著特征落入摄像头拍摄范围的中间区域。

进一步，还包括以下步骤：

控制升降机构将机械臂调整至设定高度。

本发明的有益效果是：本发明根据摄像头拍摄的图像和两个距离传感器测得的距离，控制驱动机构调整机器人的位置和指向角度，使调整后的机器人到达目标机柜的前方且使调整后的机器人平行于目标机柜；然后调整机械臂的姿态，使机械臂的末端执行器运动到设定拉门点并与设定拉门点产生物理连接；使第二至第N关节失去扭力的同时控制第一关节转动，使得机械臂向后运动以拉开目标机柜的柜门，本发明通过控制设有多个关节的机械臂来完成开门动作，能够实现开门功能。

附图说明

图1为本发明一种机器人的模块框图；

图2为本发明一种机器人的结构示意图；

图3为本发明一种机器人的机械臂在开门前的状态示意图；

图4为本发明一种机器人的机械臂在开门后的状态示意图；

图5为本发明一种机器人的控制方法的流程图；

图6为本发明一种机器人位置和指向角度调整原理的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明。

参照图1，一种机器人，包括：

机械臂，用于完成开门和关门的动作；所述机械臂上设有第一至第N关节，所述关节的数量至少大于2，所述机械臂通过第一关节安装在机器人上，所述机械臂远离第一关节的一端上还设有末端执行器，所述末端执行器用于与目标机柜的柜门产生物理连接。所述机械臂的各关节均为角度可控的关节，每个关节都可以根据处理器的指令旋转。

摄像头，用于拍摄图像；摄像头可以采用高清摄像头实现。摄像头可以设置在机器人的中心位置。

距离传感器，用于测量目标机柜与距离传感器之间的距离；所述距离传感器有两个，且两个距离传感器分布机器人左右两侧；所述距离传感器可以采用超声波传感器或者激光传感器。两个距离传感器可以对称地分布在机器人的左右两侧，所述左右两侧是相对于机器人的中心而言的，距离传感器并非一定要安装在机器人的侧面。此外，在本实施例中摄像头和距离传感器的指向角度相同，摄像头的指向角度均与机器人的指向角度相同。机器人的指向角度可以定义为机器人正面朝向的方向。

驱动机构，用于调整机器人的位置和指向角度；驱动机构应当具备移动和转向的功能。

处理器，用于根据摄像头拍摄的图像和两个距离传感器测得的距离，控制驱动机构调整机器人的位置和指向角度，使调整后的机器人到达目标机柜的前方且使调整后的机器人平行于目标机柜；调整机械臂的姿态，使机械臂的末端执行器运动到设定拉门点并与设定拉门点产生物理连接；使第二至第N关节失去扭力的同时控制第一关节转动，使得机械臂向后运动以拉开目标机柜的柜门。

参照图2，本实施例给出了机器人的一种具体的结构，在本实施例中，机器人包括驱动机构200、机械臂300、升降机构400、摄像头500、处理器600和两个距离传感器(图2中未示出)，其中，驱动机构由轮子201、底盘202、电池203以及电机(图2中未示出)构成。所述机械臂300包括四个轴向相同的调整关节、一个轴向与调整关节的轴向垂直的转向关节302以及一个末端执行器303，所述四个调整关节分别为第一关节301a、第二关节301b、第三关节301c和第四关节301d。所述转向关节302用于举起机械臂300，所述转向关节302的旋转角度为至少为90°，可以使机械臂300在举起时平行于水平面。所述升降机构400安装在驱动机构200上，两个机械臂300安装在升降机构400上，所述摄像头500也安装在升降机构400上。

本实施例增设升降机构400，使得用户可以根据实际需要调整机械臂300的高度，使得机器人可以在开门时，可以找到更合适的着力点，降低机器人开门的难度。同时，便于机器人调整摄像头500的高度，以获取更多的图像信息。所述升降机构400可以采用丝杆结构或者采用齿条结构实现。

如图3所示，当机器人100到达目标机柜的柜门700前方时，处理器可以根据当前机器人100与柜门700之间的距离，采用运动逆解算法或者根据查表结果来调整第一关节301a、第二关节301b、第三关节301c和第四关节301d的角度，使得末端执行器303到达设定拉门点，所述设定拉门点可以是柜门700上的一个区域或者是设在柜门700上的门把，所述拉门点可以是柜门700上能够让机械臂与其产生物理连接的任意区域。此时，处理器控制末端执行器303与柜门700产生物理连接，例如末端执行器303可以吸住或者勾住柜门700。在末端执行器303与柜门700产生物理连接后，处理器使第二关节301b、第三关节301c和第四关节301d失去扭力，并控制第一关节301a转动，转动方向如图3中箭头所示，使机械臂往后运动以拉开柜门700。本实施例利用了机械臂具有多个关节的特性，通过使第二关节301b、第三关节301c和第四关节301d失去扭力的方法，使得机械臂具有柔性，从而简单地完成了开门动作。

当机器人100完成开门动作后，机械臂的状态如图4所示。此时，机器人100可以控制第一关节301a、第二关节301b、第三关节301c和第四关节301d恢复至图3中的状态，以实现关门。

作为优选的实施例，为了感测末端执行器是否已经与目标机柜的柜门贴合好，所述末端执行器上还设有感应装置，所述感应装置为压力传感器、光敏传感器和距离传感器中的至少一种。在本实施例中，可以通过测量末端执行器的压力、光线强度或者距离都可以判断出末端执行器是否已经贴合在柜门上。优选地，可以采用两种或以上的传感器进行双重检测。

作为优选的实施例，为了降低成本和提升机器人开门功能的可靠性，所述末端执行器为电磁铁。电磁铁的成本较低，并且对于铁质柜门具有很好的吸附能力，能够保证末端执行器与柜门之间物理连接的强度。作为代替实施例，末端执行器也可以是机械手指或者负压吸附装置。

参照图5，一种机器人的控制方法，所述机器人包括机械臂、摄像头、驱动机构和两个距离传感器，所述两个距离传感器分布机器人左右两侧；所述机械臂上设有第一至第N关节，所述机械臂通过第一关节安装在机器人上，所述机械臂在远离第一关节的一端设有末端执行器，在本实施例的控制方法可以应用在与图1对应的机器人上。所述控制方法包括以下步骤：

S501、获取摄像头拍摄的图像和两个距离传感器检测的距离。

S502、根据摄像头拍摄的图像和两个距离传感器检测的距离，控制驱动机构调整机器人的位置和指向角度，使调整后的机器人到达目标机柜的前方且使调整后的机器人平行于目标机柜。

S503、调整机械臂的姿态，使机械臂的末端执行器运动到设定拉门点并与设定拉门点产生物理连接。

S504、使第二至第N关节失去扭力的同时控制第一关节转动，使得机械臂向后运动以拉开目标机柜的柜门。

如图3所示，当机器人100到达目标机柜的柜门700前方时，处理器可以根据当前机器人100与柜门700之间的距离，采用运动逆解算法或者预设值来调整第一关节301a、第二关节301b、第三关节301c和第四关节301d的角度，使得末端执行器303到达设定拉门点，所述设定拉门点可以是柜门700上的一个区域或者是设在柜门700上的门把。此时，处理器控制末端执行器303与柜门700产生物理连接，所述物理连接可以是刚性连接，例如末端执行器303吸住或者勾住设定拉门点。在末端执行器303与柜门700产生物理连接后，处理器使第二关节301b、第三关节301c和第四关节301d失去扭力，并控制第一关节301a转动，转动方向如图3中箭头所示，使机械臂往后运动以拉开柜门700。

作为优选的实施例，为了让机器人能够在开门后实现关门的功能，本实施例还包括以下步骤：

S505、调整第一至第N关节的状态，使第一至第N关节恢复到机械臂的末端执行器运动到设定拉门点并与设定拉门点产生物理连接时的状态，以关闭目标机柜的柜门。

当机器人100完成开门动作后，机械臂的状态如图4所示。此时，机器人100可以控制第一关节301a、第二关节301b、第三关节301c和第四关节301d恢复至图3中的状态，以实现关门。本实施例的关门方法基于开门前机械臂的状态，因此无需再进行复杂的计算，只要将各关节恢复到机械臂在开门之前的状态即可。

作为优选的实施例，为了提升机器人开门动作的成功率，所述步骤S503具体包括：

S5031、通过运动逆解算法调整机械臂的姿态，使机械臂的末端执行器运动到设定拉门点附近；

S5032、获取末端执行器采集的数据；

S5033、根据末端执行器采集的数据，判断末端执行器是否已经贴合在目标机柜的柜门上，若是，则控制末端执行器吸住目标机柜的柜门；反之，则继续调整机械臂的姿态，直至末端执行器贴合并吸住目标机柜的柜门。

作为优选的实施例，为了使机器人可以更加快速地调整开门前的姿态，所述步骤S502具体包括：

S5021、根据两个距离传感器检测的距离，控制驱动机构调整机器人的指向角度，使机器人平行于目标机柜；如图6所示，由于第一距离传感器800a和第二距离传感器800b分布在机器人100的左右两侧，因此可以根据第一距离传感器800a所测得的距离D是否等于第二距离传感器800b所测得的距离d来判断机器人100是否与柜门700平行。当D＞d时，可以往顺时针调整机器人的指向角度，反之可以往逆时针方向调整机器人的指向角度。

S5022、根据摄像头拍摄的图像，控制驱动机构调整机器人的位置，使机器人到达目标机柜的前方。如图6所示，在经过指向角度调整后的机器人100如果没有正对机柜上的显著特征701，则处理器可以根据摄像头500拍摄的图像，识别显著特征701在图像中的位置，并根据显著特征701在图像的位置，判断机器人100相对于机柜的最佳开门位置是偏左还是偏右，然后控制机器人100往相应的方向移动，如图6所示，此时机器人100应当向左移动，使得显著特征701落入图像的中间位置，经过位置调整后的机器人100正对显著特征701。在本实施例所述显著特征701为机柜上两个柜门700之间的门缝，作为代替实施例，所述显著特征701也可以是特定的颜色或者图案，如二维码等等。

在现有技术中，机器人的姿态调整仅仅由图像识别完成，利用图像识别来完成机器人与机柜之前相对角度的调整，需要识别机柜各边缘以及各边缘所成的角度，算法较为复杂。而本实施例通过距离传感器来调整机器人的指向角度，算法简单，能够提升机器人的姿态调整速度。

作为优选的实施例，为了便于机器人完成开门动作，一般会将机器人移动到机柜的正中央。因此，本实施例的步骤S5022具体包括：

S50221、根据摄像头拍摄的图像，提取显著特征。

S50222、根据显著特征在图像中的位置，得到机器人的应移动方向；

S50223、根据机器人的应移动方向，调整机器人的位置，使机器人到达目标机柜的前方，并使显著特征落入摄像头拍摄范围的中间区域。

本步骤只需要判断显著特征是否落入摄像头拍摄范围的中间即可，无需估算机器人的移动距离，算法较为简单。

作为优选的实施例，为了使机器人在开门时机获得更好的着力点，本实施例还包括以下步骤：

控制升降机构将机械臂调整至设定高度。该步骤应当设置在步骤S502和S503之间。即先调整机械臂的高度，再调整机械臂的姿态。所述设定高度可以根据机柜的高度进行调整。例如可以将机械臂调整至机柜高度的一半，在本实施例中，机器人包括用于调整机械臂高度的升降机构，本实施例也可以用于与图2对应的机器人中。

对于上述方法实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种机器人，其特征在于：包括：

机械臂，用于完成开门和/或关门的动作；所述机械臂上设有第一至第N关节，所述机械臂通过第一关节安装在机器人上，所述机械臂远离第一关节的一端上还设有末端执行器，所述末端执行器用于与目标机柜的柜门产生物理连接；

摄像头，用于拍摄图像；

距离传感器，用于测量目标机柜与距离传感器之间的距离；所述距离传感器有两个，且两个距离传感器分布机器人左右两侧；

驱动机构，用于调整机器人的位置和指向角度；

处理器，用于根据摄像头拍摄的图像和两个距离传感器测得的距离，控制驱动机构调整机器人的位置和指向角度，使调整后的机器人到达目标机柜的前方且使调整后的机器人平行于目标机柜；调整机械臂的姿态，使机械臂的末端执行器运动到设定拉门点并与设定拉门点产生物理连接；使第二至第N关节失去扭力的同时控制第一关节转动，使得机械臂向后运动以拉开目标机柜的柜门。

2.根据权利要求1所述的一种机器人，其特征在于：还包括升降机构，所述升降机构安装在驱动机构上，所述两个机械臂安装在升降机构的两侧，所述升降机构用于调节机械臂的高度。

3.根据权利要求1所述的一种机器人，其特征在于：所述末端执行器上还设有感应装置，所述感应装置为压力传感器、光敏传感器和距离传感器中的至少一种。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种机器人，其特征在于：所述末端执行器为电磁铁。

5.一种机器人的控制方法，所述机器人包括机械臂、摄像头、驱动机构和两个距离传感器，所述两个距离传感器分布机器人左右两侧；所述机械臂上设有第一至第N关节，所述机械臂通过第一关节安装在机器人上，所述机械臂在远离第一关节的一端设有末端执行器，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：

获取摄像头拍摄的图像和两个距离传感器检测的距离；

根据摄像头拍摄的图像和两个距离传感器检测的距离，控制驱动机构调整机器人的位置和指向角度，使调整后的机器人到达目标机柜的前方且使调整后的机器人平行于目标机柜；

调整机械臂的姿态，使机械臂的末端执行器运动到设定拉门点并与设定拉门点产生物理连接；

使第二至第N关节失去扭力的同时控制第一关节转动，使得机械臂向后运动以拉开目标机柜的柜门。

6.根据权利要求5所述的一种机器人的控制方法，其特征在于：还包括以下步骤：

调整第一至第N关节的状态，使第一至第N关节恢复到机械臂的末端执行器运动到设定拉门点并与设定拉门点产生物理连接时的状态，以关闭目标机柜的柜门。

7.根据权利要求5所述的一种机器人的控制方法，其特征在于：所述调整机械臂的姿态，使机械臂的末端执行器运动到设定拉门点并与设定拉门点产生物理连接，这一步骤具体包括：

通过运动逆解算法调整机械臂的姿态，使机械臂的末端执行器运动到设定拉门点附近；

获取末端执行器采集的数据；

根据末端执行器采集的数据，判断末端执行器是否已经贴合在目标机柜的柜门上，若是，则控制末端执行器吸住目标机柜的柜门；反之，则继续调整机械臂的姿态，直至末端执行器贴合并吸住目标机柜的柜门。

8.根据权利要求5所述的一种机器人的控制方法，其特征在于：所述根据摄像头拍摄的图像和两个距离传感器检测的距离，控制驱动机构调整机器人的位置和指向角度，使调整后的机器人到达目标机柜的前方且使调整后的机器人平行于目标机柜，这一步骤具体包括：

根据两个距离传感器检测的距离，控制驱动机构调整机器人的指向角度，使机器人平行于目标机柜；

根据摄像头拍摄的图像，控制驱动机构调整机器人的位置，使机器人到达目标机柜的前方。

9.根据权利要求8所述的一种机器人的控制方法，其特征在于：所述根据摄像头拍摄的图像，控制驱动机构调整机器人的位置，使机器人到达目标机柜的前方，这一步骤具体包括：

根据摄像头拍摄的图像，提取显著特征；

根据显著特征在图像中的位置，得到机器人的应移动方向；

根据机器人的应移动方向，调整机器人的位置，使机器人到达目标机柜的前方，并使显著特征落入摄像头拍摄范围的中间区域。

10.根据权利要求5-9任一项所述的一种机器人的控制方法，其特征在于：还包括以下步骤：

将机械臂调整至设定高度。

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