CN111745645A

CN111745645A - 机器人控制方法、装置和系统

Info

Publication number: CN111745645A
Application number: CN202010520590.6A
Authority: CN
Inventors: 徐汉鼎
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2020-06-09
Filing date: 2020-06-09
Publication date: 2020-10-09

Abstract

本申请公开了一种机器人控制方法、装置和系统。该机器人控制方法包括获取本地控制数据；根据本地控制数据控制机器人执行第一动作；当接收到远程控制数据时，控制机器人切换至执行第二动作。本申请解决了类人型协作机器人无法应对特殊情况的技术问题。

Description

机器人控制方法、装置和系统

技术领域

本申请涉及智能机器人领域，具体而言，涉及一种机器人控制方法。

背景技术

近年来，机器人的研发应用主要是面向服务业，如娱乐、老人服务、迎宾，以及表演性质的打太极、舞蹈等。类人型协作机器人在完成动作时，需要对每一个关节按照时间序列进行位置设定，过程复杂、动作不尽优美。除此之外，现有的机器人因为是事先对每个关节按照时间序列进行位置设定，所以没有办法应对一些需要做出不同于既定动作的特殊情况。针对类人型协作机器人动作模拟中出现的上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种机器人控制方法，以解决类人型协作机器人无法应对特殊情况的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种机器人控制方法、装置和系统。

第一方面，本申请提供了一种机器人控制方法。

根据本申请的机器人控制方法包括：

获取本地控制数据；

根据本地控制数据控制机器人执行第一动作；

当接收到远程控制数据时，控制机器人切换至执行第二动作。

进一步的，当远程控制数据停止时，控制机器人由执行第二动作切换至执行第一动作。

进一步的，控制机器人切换至执行第二动作包括：

对机器人进行第一复位；

解析控制数据，得到第一角关节数据，第一角关节数据基于采集人体上肢各关节点空间坐标生成；

根据第一角关节数据控制机器人执行第二动作。

进一步的，控制机器人由执行第二动作切换至执行第一动作包括：

对机器人进行第二复位；

解析本地控制数据，得到第二角关节数据，第二角关节数据为预存储的角关节数据。

根据第二角关节数据控制机器人执行第一动作。

进一步的，控制机器人切换至执行第二动作之后包括：

利用远程控制数据数据更新本地数据。

第二方面，本申请提供了一种机器人控制装置，该装置包括：

获取模块，用于获取本地控制数据；

第一控制模块，用于根据本地控制数据控制机器人执行第一动作；

第二控制模块，用于当接收到远程控制数据时，控制机器人切换至执行第二动作。

第三方面，本申请提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现第一方面提供的机器人控制方法的步骤。

第四方面，本申请提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现第一方面提供的机器人控制方法的步骤。

在本申请实施例中，通过获取本地数据的方式，对机器人执行第一动作，通过获取远程控制数据的方式，对机器人切换至执行第二动作，从而实现了控制机器人的技术效果，进而解决了类人型协作机器人无法应对特殊情况的技术问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的一种机器人控制方法的流程示意图；

图2是根据本申请实施例的一种机器人控制装置的流程示意图；

图3是根据本申请实施例的一种电子设备的装置示意图；

图4是根据本申请实施例的一种机器人控制系统的装置示意图；以及

图5是根据本申请实施例的一种机器人关节配置示意图；

图6是根据本申请实施例的第一部分控制逻辑的一种实现方案的示意图；

图7是根据本申请实施例的第二部分控制逻辑的一种实现方案的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本申请提供了一种机器人控制方法，如图1所示，该方法包括如下的步骤S1至步骤S3：

S1：获取本地控制数据。

S2：根据本地控制数据控制机器人执行第一动作。

进一步的，第一动作包括但不限于：固定动作、预设动作。

S3：当接收到远程控制数据时，控制机器人切换至执行第二动作。

进一步的，控制机器人切换至执行第二动作包括：

S31：对机器人进行第一复位；

S32：解析控制数据，得到第一角关节数据，第一角关节数据基于采集人体上肢各关节点空间坐标生成。

实例的，本发明较佳实施例中，通过采集角关节点坐标，采用空间向量法求解角关节和使用卡尔曼滤波使角关节的变化平滑化，获得角关节数据。

S33：根据第一角关节数据控制机器人执行第二动作。

示例的，当老人服务机器人检测到老人摔倒时，控制机器人执行报警的动作。

示例的，当迎宾机器人的预设动作为招手和鞠躬，当迎宾机器人检测到宾客摔倒时，控制机器人执行扶起的动作。

进一步的，执行第二动作之后，利用远程控制数据更新本地数据。

具体的，本发明较佳实施例中更新本地数据的更新机制可以为：

检测同一远程数据出现频次；

当频次大于预设值时，利用远程控制数据对本地数据进行更新。

具体的，本发明较佳实施例中更新本地数据的更新机制也可以为：

远程数据存储至本地，当机器人检测到特殊情况出现时，根据特殊情况调用对应的远程数据，控制至机器人执行对应的动作。

具体的，远程控制数据停止包括但不限于：远程控制数据传输消失、接收到表征停止控制的信号。

进一步的，控制机器人切换至执行第二动作包括：

对机器人进行第一复位；

解析控制数据，得到第一角关节数据，第一角关节数据基于采集人体各关节点空间坐标生成；

根据第一角关节数据控制机器人执行第二动作。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了类人型协作机器人应对特殊情况的技术效果。

根据本发明实施例，提供了一种机器人控制装置1，如图2所示，该装置包括：

获取模块11，用于获取本地控制数据；

第一控制模块12，用于根据本地控制数据控制机器人执行第一动作；

第二控制模块13，用于当接收到远程控制数据时，控制机器人切换至执行第二动作。

根据本发明实施例，提供了一种电子设备，该电子设备包括：

至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的计算机程序，计算机程序被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器执行本发明的机器人控制方法。

示例的，本发明较佳实施例中的电子设备2，电子设备2的装置示意图如图3所示，包括：处理器21、通信装置22、电机驱动装置23、电机24、限位板卡25。

实例的，本发明较佳实施例中的电子设备2，包括：

处理器21，占美J1900型号，其具有4GBDDR4内存，以及8个USB接口；

通信装置22，创芯科技的USB_CAN-2C通信卡，处理器21通过USB和通信装置22连接，作为NMT主机，各电机驱动装置为NMT从机，线缆采用三线通信的屏蔽电缆，分别连接CAN_H、CAN_L、CAN_GND三个信号线，屏蔽线连接 CAN通信卡的模拟地，并将电机驱动装置23的驱动器挂载在CAN总线上；

电机驱动装置23，MLDS3605-C控制驱动器，集成了CAN控制器，支持 CANopen通信协议；

电机24，直流有刷伺服电机；

限位板卡25，采用霍尔传感器和光电开关的方式确定下位机各关节零位和限位，各位置板卡电路原理图相近。

根据本发明实施例，提供了一种机器人控制系统，该系统包括：

上位机和与上位机通信连接的电子设备。

上位机采集人体上肢各关节点空间坐标，并根据空间坐标生成远程控制数据。

进一步的，上位机包括：体感设备、上位机处理器。

实例的，本发明较佳实施例中的上位机3包括：

体感设备31，Kinect传感器；

上位机处理器32，普通的个人计算机，使用普通的个人计算机即可实现全部功能；体感设备和上位机处理器通过USB进行连接，上位机处理器和电子设备2通信连接。

实例的，本发明较佳实施例中的机器人控制系统，系统装置示意图如图4 所示，包括：

电子设备2：处理器21、通信装置22、电机驱动装置23、电机24、限位板卡25；以及

上位机3：体感设备31、上位机处理器32。

下面以具体示例，对机器人控制系统的工作原理进行详细介绍：

硬件部分为上位机和包含有上述实施例中电子设备的下位机两部分。其中，上位机由体感设备和上位机处理器构成，体感设备为Kinect传感器是可以直接购买的器件，上位机处理器使用普通的个人计算机即可实现全部功能。

机械结构方面，为了能够合理地模仿人类的动作，下位机的关节设计也是模仿的人类的关节情况，如图5所示，每个手臂各有6个自由度，共12个自由度，每个自由度运动范围如下表所示。手臂6个自由度均采用直流有刷伺服电机，maxon电机驱动，由于该电机的额定转速较高，而机器人的关节运动角速度应不小于30°/s，所以采用行星减速器和谐波减速器两级减速。行星减速器减速比为10:1，谐波减速器减速比为100:1。当然，这只是一种已经实现的方案，实际并不止限于这种方案，电机和减速器甚至自由度的方案都可以根据需求自由配置。

在控制结构方面，处理器选用占美J1900型号，具有4GBDDR4内存，以及 8个USB接口，能完全满足实际需要。

通信设备采用创芯科技的USB_CAN-2C通信卡，采用CANopen协议，Mini PC 通过USB与CAN通信卡连接，作为NMT主机，各电机驱动装置为NMT从机。线缆采用三线通信的屏蔽电缆，分别连接CAN_H、CAN_L、CAN_GND三个信号线，屏蔽线连接CAN通信卡的模拟地，并将12个驱动器挂载在CAN总线上。

因为机器人手臂具有12个自由度，每个自由度配备一套直流伺服系统，所以共有12组电机驱动装置。电机驱动装置采用MLDS3605-C控制驱动器，集成了CAN控制器，支持CANopen通信协议。不仅需要完成与主控CAN卡的通信，接收运动指令，而且还要接收来自电机的码盘信号和限位开关的信号。

外围电路主要是限位板卡，采用霍尔传感器和光电开关的方式确定下位机各关节零位和限位，各位置板卡电路原理图相近，但是安装需根据不同运动位置和角度范围来确定。

根据技术方案中所述，本发明的软件部分分为Kinect传感器采集人体关节点数据并控制机器人跟随执行动作的控制逻辑和执行固定动作与实时跟随两种模式切换的控制逻辑这两部分。

第一部分控制逻辑的一种实现方案，如图6所示：当上位机在程序启动时，调用Kinect传感器的骨骼数据流采集启动函数，当Kinect传感器识别到人体时，触发已定义的事件处理函数，采集并保存各关节点坐标。采集到各关节点坐标后，采用空间向量法求解关节角和使用卡尔曼滤波使关节角的变化平滑化，这两部分采用的方法属于现有技术，可以在个人计算机上实施。最后个人计算机通过无线串口将平滑后的关节角数据包发送给下位机，上位机接收到下位机返回的接收成功信号后，等待Kinect传感器读取下一帧图像。下位机接收到上位机的控制信号后，进入串口接收事件处理函数，首先向上位机返回一个接收成功信号，而后采用PID控制技术，通过CAN总线网络，向各电机驱动装置发送控制信息，各电机驱动装置驱动电机运动至指定位置，实现机器人跟随执行动作。

第二部分控制逻辑的一种实现方案，如图7所示：在实际应用之前，上位机执行第一部分中的控制逻辑，下位机接收到并返回信号后，不控制机器人执行跟随动作，而是将接收到的关节角数据按时间顺序存储入处理器的内存中，作为固定动作以供之后重复执行。在实际应用中，处理器根据内存中储存的数据控制机器人执行固定动作。当接收到上位机通过无线串口传来的准备控制信号时，处理器会将机器人动作复位，复位完成后，给上位机返回一个就绪信号，告知下位机部分已准备就绪，随后执行第一部分的控制逻辑，实现机器人跟随执行动作。当结束跟随执行动作时，上位机发送停止控制信号时，下位机接收并返回确认信号，处理器控制机器人动作复位，重新循环执行内存中存储的固定动作，这样就实现了两种模式切换的控制逻辑。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种机器人控制方法，其特征在于，包括：

获取本地控制数据；

根据所述本地控制数据控制机器人执行第一动作；

当接收到远程控制数据时，控制所述机器人切换至执行第二动作。

2.根据权利要求1所述的一种机器人控制方法，其特征在于，

当所述远程控制数据停止时，控制所述机器人由执行所述第二动作切换至执行所述第一动作。

3.根据权利要求1所述的一种机器人控制方法，其特征在于，所述控制所述机器人切换至执行所述第二动作包括：

对所述机器人进行第一复位；

解析所述控制数据，得到第一角关节数据，所述第一角关节数据基于采集人体上肢各关节点空间坐标生成；

根据所述第一角关节数据控制所述机器人执行所述第二动作。

4.根据权利要求2所述的一种机器人控制方法，其特征在于，所述控制所述机器人由执行所述第二动作切换至执行所述第一动作包括：

对所述机器人进行第二复位；

解析所述本地控制数据，得到第二角关节数据，所述第二角关节数据为预存储的角关节数据；

根据所述第二角关节数据控制所述机器人执行所述第一动作。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的一种机器人控制方法，其特征在于，所述控制所述机器人切换至执行所述第二动作之后包括：

利用所述远程控制数据更新所述本地数据。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种机器人控制方法，其特征在于，

所述第一动作包括但不限于：固定动作、预设动作；

所述第二动作包括但不限于：跟随动作、模仿动作。

7.一种机器人控制装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取本地控制数据；

第一控制模块，用于根据所述本地控制数据控制机器人执行第一动作；

第二控制模块，用于当接收到远程控制数据时，控制所述机器人切换至执行所述第二动作。

8.一种电子设备，其特征在于，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行权利要求1-6任一项所述的机器人控制方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1-6任一项所述的机器人控制方法。

10.一种机器人控制系统，其特征在于，包括：

上位机和与所述上位机通信连接的权利要求8所述的电子设备；

所述上位机采集人体上肢各关节点空间坐标，并根据所述空间坐标生成远程控制数据。