CN112034861A - 一种仿生自主机器人自主避障系统及其避障方法 - Google Patents

一种仿生自主机器人自主避障系统及其避障方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种仿生自主机器人自主避障系统,包括:机器人本体,所述机器人本体包括躯干部、腿部及运动控制机构,四所述腿部通过所述运动控制机构分别配置于所述躯干部的四端;环境感知系统,用于获取所述机器人本体的周围环境信息;防撞传感器系统,用于实时检测机身周围是否存在碰撞的可能性,实现自主避障功能;中央控制器,用于所述环境感知系统及所述防撞传感器系统的数据信息的转换和传递;上位机,用于对所述中央控制器反馈的数据信息进行处理,进行环境重现、路径规划和自动避障;所述运动控制机构,所述环境感知系统,所述防撞传感器系统通过所述中央控制器与所述上位机连接。

Description

一种仿生自主机器人自主避障系统及其避障方法
技术领域
本公开涉及机器人领域,尤其涉及一种仿生自主机器人自主避障系统及其避障方法。
背景技术
近年来仿生四足机器人领域快速发展,在运动控制和平衡控制方面取得了很大的突破,大部分仿生四足机器人样机都可实现简单的行走步态和抗干扰平衡控制,例如美国麻省理工大学的Cheetah系列四足机器人和波士顿动力公司的Spotmini电动四足机器人,都已经具备较为完善的步态和平衡控制。同时环境感知和自主避障领域也随着机器视觉和SLAM的逐渐兴起日益功能完善,比如在AGV仓储机器人和无人驾驶技术上面的应用,都说明了在一定环境下的环境感知和自主避障是可以实现的。但目前关于运用于仿生四足机器人的环境感知和自主避障系统的研究较少,现有系统无论是在功能的完整性还是效果的稳定性准确性上都有明显的缺陷。
波士顿动力公司的Spotmini四足机器人在正面、侧面和后面都安装了双目立体相机,该相机可以在相机内部本地处理所有算法,不需要相机标定,提供基于ROS的API和工具,借助这些相机,Spotmini具备了三维空间的感知能力。但其使用前需要由人工引导建立地图,再进行自身定位和导航避障,无法在位置环境中使用。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一个,本公开提供了一种仿生自主机器人自主避障系统及其避障方法。
根据本公开的一个方面,一种仿生自主机器人自主避障系统包括:
机器人本体,所述机器人本体包括躯干部、腿部及运动控制机构,四所述腿部通过所述运动控制机构分别配置于所述躯干部的四端;所述运动控制机构控制所述腿部的运动;
环境感知系统,配置于所述躯干部上,用于获取所述机器人本体的周围环境信息;
防撞传感器系统,包括分布于所述躯干部四周的若干激光测距传感器,用于实时检测机身周围是否存在碰撞的可能性;
中央控制器,配置于所述躯干部内部,用于所述环境感知系统及所述防撞传感器系统的数据信息的转换和传递;
上位机,配置于所述躯干部内部,用于对所述中央控制器反馈的数据信息进行处理,进行环境重现、路径规划和自动避障;
所述运动控制机构,所述环境感知系统,所述防撞传感器系统通过所述中央控制器与所述上位机连接。
根据本公开的至少一个实施方式,所述运动控制机构包括配置在腿部髋关节及膝关节的旋转电机,在每一旋转电机中均配置有旋转编码器,所述旋转电机,所述旋转编码器均与所述上位机连接。
根据本公开的至少一个实施方式,所述环境感知系统包括双目深度相机及激光雷达,所述双目深度相机配置于所述机器人本体的前端,所述激光雷达配置于所述躯干部的顶端。
根据本公开的至少一个实施方式,所述激光测距传感器分别配置在所述躯干部的前方、后方、左侧前方、左侧后方、右侧前方及右侧后方。
根据本公开的至少一个实施方式,采用卡尔曼滤波算法对所述激光测距传感器的实时检测数据进行筛选,选择其中的真实数据,剔除无用数据。
根据本公开的至少一个实施方式,根据所述机器人本体的现有姿态和运动范围,依据所述激光测距传感器的反馈数据,对所述机器人本体的下一步动作进行规划。
根据本公开的至少一个实施方式,所述中央控制器与所述上位机之间采用EtherCAT协议连接,最大化数据的传输速率,保证数据处理的实时性。
本公开还提供了一种仿生自主机器人自主避障系统的避障方法,包括以下步骤:
步骤一、前置深度相机和顶置激光雷达分别对前测中距离和周围远距离的环境进行扫描,得到扫描数据;
步骤二、所述扫描数据通过USB接口,经中央控制器上传到上位机中;
步骤三、上位机根据所述扫描数据对周围环境进行环境重建,得到重建环境地图;
步骤四、在上位机中,根据仿生四足机器人的运动控制机构和所述重建环境地图,对仿生四足机器人的运动路径和运动姿态进行规划;
步骤五、仿生四足机器人根据现有的运动路径规划和运动姿态规划开始运动;
步骤六、在运动过程中,前方激光测距传感器、后方激光测距传感器、左侧前方激光测距传感器、左侧后方激光测距传感器、右侧前方激光测距传感器、右侧后方激光测距传感器实时测量周围障碍物与仿生四足机器人之间的距离,结合前置深度相机和顶置激光雷达扫描周围环境获得的多帧图像的融合处理,得到精确的环境重现地图;
步骤七、仿生四足机器人优先判断是否达到用户下达命令的终点位置;若是,停止运动,完成任务;若否,继续判断;
步骤八、判断是否会发生碰撞,若是,在保证平衡的前提下,优先调整姿态,如无法保证平衡,再调整前进路径;若否,仿生四足机器人按照原有的运动路径规划和运动姿态规划继续运动,直至运动到终点位置。
根据本公开的至少一个实施方式,所述步骤三中,所述前置深度相机和顶置激光雷达分别对周围环境进行若干次扫描,上位机对若干次扫描数据进行融合处理,得到重建环境地图。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式,并与其说明一起用于解释本公开的原理,其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解,并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是根据本公开的至少一个实施方式的仿生自主机器人自主避障系统示意图。
图2是根据本公开的至少一个实施方式的仿生自主机器人自主避障系统另一示意图。
图3是根据本公开的至少一个实施方式的仿生自主机器人自主避障系统的避障逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容,而非对本公开的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
如图1及图2所示,本公开揭示了一种仿生自主机器人自主避障系统包括:机器人本体1,所述机器人本体包括躯干部11、腿部12及运动控制机构13,四所述腿部12通过所述运动控制机构13分别配置于所述躯干部11的四端;所述运动控制机构13控制所述腿部13的运动;环境感知系统2,配置于所述躯干部上,用于获取所述机器人本体的周围环境信息;防撞传感器系统3,包括分布于所述躯干部11四周的若干激光测距传感器31,用于实时检测机身周围是否存在碰撞的可能性;中央控制器(图未示),配置于所述躯干部11内部,用于所述环境感知系统2及所述防撞传感器系统3的数据信息的转换和传递;上位机(图未示),配置于所述躯干部11内部,用于对所述中央控制器反馈的数据信息进行处理,进行环境重现、路径规划和自动避障;所述运动控制机构13,所述环境感知系统2,所述防撞传感器系统3通过所述中央控制器与所述上位机连接。
根据本公开的至少一个实施方式,所述运动控制机构13包括配置在腿部髋关节的摇摆电机131,髋关节及膝关节的旋转电机132,在每一旋转电机中均配置有旋转编码器,所述摇摆电机,旋转电机,所述旋转编码器均与所述上位机连接;所述摇摆电机使得腿部可以左右摆动;髋关节的旋转电机使得大腿可以前后运动;膝关节的旋转电机使得小腿可以前后运动。
根据本公开的至少一个实施方式,所述环境感知系统2包括双目深度相机21及激光雷达22,所述双目深度相机21配置于所述机器人本体的前端,所述激光雷达22配置于所述躯干部的顶端。感知数据通过中央控制器传回到上位机中,在上位机中对感知数据进行环境重建,与已知的环境地图进行比对,确定自身位置。选取终点位置后,并根据感知数据处理结果规划机器人行进姿态和行进方向。
根据本公开的至少一个实施方式,若干所述激光测距传感器31分别配置在所述躯干部的前方311、后方312、左侧前方313、左侧后方314、右侧前方315及右侧后方316。实时检测机身周围是否存在碰撞的可能性,对仿生四足机器人的运动过程进行二次保护。采用卡尔曼滤波算法对所述激光测距传感器的实时检测数据进行筛选,选择其中的真实数据,剔除无用数据。在机器人行进过程中,机器人机身周围的防撞传感器系统实时检测机身与环境是否将要发生碰撞,并调整行进姿态和行进方向。
根据本公开的至少一个实施方式,所述中央控制器与所述上位机之间采用EtherCAT协议连接,采用最大化数据的传输速率,保证数据处理的实时性。
在传感器方面,激光雷达、深度相机和激光测距传感器各有各的优势,激光雷达的测距范围在2-20米,深度相机的有效测距范围在1-3.5米,而激光测距传感器的有效测距范围在2米以内。将三者结合使用可以提高环境目标提取和建模的精度,获得更有效的目标信息。同时由于激光测距传感器的价格远远小于深度相机和激光雷达,三者结合使用也可以有效的控制成本。
本公开解决了仿生四足机器人在行进过程中对周围环境障碍的稳定感知问题和根据所得到的障碍信息灵活避障问题。
如图3所示,本公开还揭示了一种仿生自主机器人自主避障系统的避障方法,包括以下步骤:
步骤301、仿生四足机器人接受任务后,前置深度相机和顶置激光雷达分别对前测中距离和周围远距离的环境进行若干次扫描,得到扫描数据;
步骤302、所述扫描数据通过USB接口,经中央控制器上传到上位机中;
步骤303、上位机对若干次扫描数据进行融合处理,根据所述扫描数据对周围环境进行环境重建,得到重建环境地图;
步骤304、在上位机中,根据仿生四足机器人的运动控制机构和所述重建环境地图,对仿生四足机器人的运动路径和运动姿态进行规划;
步骤305、仿生四足机器人根据现有的运动路径规划和运动姿态规划开始运动;
步骤306、在运动过程中,前方激光测距传感器、后方激光测距传感器、左侧前方激光测距传感器、左侧后方激光测距传感器、右侧前方激光测距传感器、右侧后方激光测距传感器实时测量周围障碍物与仿生四足机器人之间的距离,结合前置深度相机和顶置激光雷达扫描周围环境获得的多帧图像,数据回传到上位机,经上位机融合处理,得到精确的环境重现地图;
步骤307、仿生四足机器人优先判断是否达到用户下达命令的终点位置;若是,停止运动,完成任务;若否,继续判断;
步骤308、判断是否会发生碰撞,若是,在保证平衡的前提下,优先调整姿态,如无法保证平衡,再调整前进路径;若否,仿生四足机器人按照原有的运动路径规划和运动姿态规划继续运动,直至运动到终点位置。
本公开实现了仿生四足机器人在完全未知环境下的自主避障功能,避免了自主运动过程中与外界障碍物相撞的可能性,根据环境感知的实时信息对仿生四足机器人的步态规划和行走姿态进行调整,极大地提升了仿生四足机器人的自主运动能力和自我决策能力。
本公开的优势在于完全模仿动物在运动中所使用的视觉和触觉,环境感知系统对应视觉(其中双目相机负责前部视觉,激光雷达负责环视视觉),防撞传感器系统对应触觉(提前判断碰撞的产生)。在现有技术中,大部分设计方案只设计视觉,即环境感知系统部分,本公开丰富了四足机器人自主避障的信息来源,建立了新的架构体系,从而能够提前预判碰撞的到来,并基于防撞传感器系统随时进行自主避障。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解,上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开,而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言,在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型,并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (9)

1.一种仿生自主机器人自主避障系统,其特征在于,包括:
机器人本体,所述机器人本体包括躯干部、腿部及运动控制机构,四所述腿部通过所述运动控制机构分别配置于所述躯干部的四端;所述运动控制机构控制所述腿部的运动;
环境感知系统,配置于所述躯干部上,用于获取所述机器人本体的周围环境信息;
防撞传感器系统,包括分布于所述躯干部四周的若干激光测距传感器,用于实时检测机身周围是否存在碰撞的可能性;
中央控制器,配置于所述躯干部内部,用于所述环境感知系统及所述防撞传感器系统的数据信息的转换和传递;
上位机,配置于所述躯干部内部,用于对所述中央控制器反馈的数据信息进行处理,进行环境重现、路径规划和自动避障;
所述运动控制机构,所述环境感知系统,所述防撞传感器系统通过所述中央控制器与所述上位机连接。
2.根据权利要求1所述的避障系统,其特征在于,所述运动控制机构包括配置在腿部髋关节及膝关节的旋转电机,在每一旋转电机中均配置有旋转编码器,所述旋转电机,所述旋转编码器均与所述上位机连接。
3.根据权利要求1所述的避障系统,其特征在于,所述环境感知系统包括双目深度相机及激光雷达,所述双目深度相机配置于所述机器人本体的前端,所述激光雷达配置于所述躯干部的顶端。
4.根据权利要求1所述的避障系统,其特征在于,所述激光测距传感器分别配置在所述躯干部的前方、后方、左侧前方、左侧后方、右侧前方及右侧后方。
5.根据权利要求4所述的避障系统,其特征在于,采用卡尔曼滤波算法对所述激光测距传感器的实时检测数据进行筛选。
6.根据权利要求5所述的避障系统,其特征在于,根据所述机器人本体的现有姿态和运动范围,依据所述激光测距传感器的反馈数据,对所述机器人本体的下一步动作进行规划。
7.根据权利要求1所述的避障系统,其特征在于,所述中央控制器与所述上位机之间采用EtherCAT协议连接。
8.一种如权利要求3所述的仿生自主机器人自主避障系统的避障方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、前置深度相机和顶置激光雷达分别对前测中距离和周围远距离的环境进行扫描,得到扫描数据;
步骤二、所述扫描数据通过USB接口,经中央控制器上传到上位机中;
步骤三、上位机根据所述扫描数据对周围环境进行环境重建,得到重建环境地图;
步骤四、在上位机中,根据仿生四足机器人的运动控制机构和所述重建环境地图,对仿生四足机器人的运动路径和运动姿态进行规划;
步骤五、仿生四足机器人根据现有的运动路径规划和运动姿态规划开始运动;
步骤六、在运动过程中,前方激光测距传感器、后方激光测距传感器、左侧前方激光测距传感器、左侧后方激光测距传感器、右侧前方激光测距传感器、右侧后方激光测距传感器实时测量周围障碍物与仿生四足机器人之间的距离,结合前置深度相机和顶置激光雷达扫描周围环境获得的多帧图像的融合处理,得到精确的环境重现地图;
步骤七、仿生四足机器人优先判断是否达到用户下达命令的终点位置;若是,停止运动,完成任务;若否,继续判断;
步骤八、判断是否会发生碰撞,若是,在保证平衡的前提下,优先调整姿态,如无法保证平衡,再调整前进路径;若否,仿生四足机器人按照原有的运动路径规划和运动姿态规划继续运动,直至运动到终点位置。
9.根据权利要求8所述的避障方法,其特征在于,所述步骤三中,所述前置深度相机和顶置激光雷达分别对周围环境进行若干次扫描,上位机对若干次扫描数据进行融合处理,得到重建环境地图。
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