CN112129283A - 一种足式桌面宠物机器人自主导航方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机器人技术领域，更具体地说是一种足式桌面宠物机器人自主导航方法。包括机器人包含头部、左腿舵机、左腿、左脚舵机、左脚、右腿舵机、右腿、右脚舵机、右脚；所述头部的下颌位置设置有微型单点激光测距传感器，用于测量前方障碍物和检测桌面边缘；所述头部的内部设置有陀螺仪，根据陀螺仪数据可以计算出机器人的方向角；根据机器人的腿部结构和步态参数计算机器人的步幅，作为足式里程计来累计机器人的行进距离，由此可以确定机器人在地图中的位置；在行进过程中实时的根据单点环境信息和行进距离构建环境地图并估计自身位置，设计相应的规避策略避开障碍物，到达目标位置，解决目前足式桌面宠物机器人无法实现自主导航的问题。

Description

一种足式桌面宠物机器人自主导航方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，更具体地说是一种足式桌面宠物机器人自主导航方法。
背景技术
桌面宠物机器人是智能机器人领域的一个分支，侧重于情感交互和陪伴娱乐等方面。桌面宠物机器人通常采用多核、高性能的处理器，使用先进的人工智能算法，具有环境感知和交互能力，具备一定的自主行为和自我学习能力。按照桌面宠物机器人的行动方式，可以分为轮式和足式。
桌面宠物机器人的活动空间通常为书桌、办公桌、床头柜等，这些场景中往往存在杯子、鼠标之类的办公或生活用品以及桌面的边缘，对桌面宠物机器人来说构成了障碍。桌面宠物机器人在这些场景中行动时，需要自主的避开这些障碍，然后到达目标位置，即自主导航。传统的轮式机器人通常可以使用扫描型激光雷达构建周围的环境地图，使用轮式里程计来估计自身位置，以此在复杂环境中实现自主导航。而桌面宠物机器人由于自身尺寸较小，无法安装扫描型激光雷达，足式桌面宠物机器人也无法使用轮式里程计，因此目前足式桌面宠物机器人无法有效的构建环境地图，也无法估计其自身在地图中的位置，无法实现自主导航。发明内容
为了克服现有技术中的上述问题，本发明的目的在于提供一种足式桌面宠物机器人自主导航方法，通过在机器人下颌处安装的微型单点激光测距传感器获取环境信息，根据机器人的腿部结构和步态参数计算机器人的行进距离，在行进过程中实时的根据单点环境信息和行进距离构建环境地图并估计自身位置，设计相应的规避策略避开障碍物，到达目标位置，解决目前足式桌面宠物机器人无法实现自主导航的问题。
发明内容
本发明提供了一种足式桌面宠物机器人自主导航方法，具体内容如下：
足式桌面宠物机器人包括头部、左腿舵机、左腿、左脚舵机、左脚、右腿舵机、右腿、右脚舵机、右脚；
所述头部的内部下端的左右两侧分别固定连接一个左腿舵机和一个右腿舵机，左腿舵机的转轴通过螺栓连接左腿，左腿的下端通过螺栓连接左脚舵机的转轴，左脚舵机固定连接在左脚上；右腿舵机的转轴通过螺栓连接右腿，右腿的下端通过螺栓连接右脚舵机的转轴，右脚舵机固定连接在右脚上；
所述头部的下颌位置设置有微型单点激光测距传感器，其发射方向与水平方向呈一定的夹角，倾斜向下安装，用于测量前方障碍物和检测桌面边缘；
所述头部的内部设置有陀螺仪，根据陀螺仪数据可以计算出机器人的方向角；
足式桌面宠物机器人进行前进和后退的工作原理如下：
机器人前进时，初始状态两腿并拢，如果右脚先迈出，则左脚为支撑脚，左腿通过左脚舵机相对左脚旋转一个角度α，使机器人身体向左侧倾斜，进而使右脚抬起，然后头部通过左腿舵机相对于左腿旋转一个角度β，带动右脚向前迈出，同时右腿通过右腿舵机相对于头部旋转一个角度β，保证右脚朝向正前方，然后左腿通过左脚舵机相对左脚旋转一个角度-α，使机器人身体恢复站立状态，且右脚落地，这样就实现了右脚迈出一步。之后右脚为支撑脚，右腿部通过右脚舵机相对右脚旋转一个角度-α，使机器人身体向右侧倾斜，进而使左脚抬起，然后头部通过右腿舵机相对于右腿旋转一个角度-2β，带动左脚向前迈出，同时左腿通过左腿舵机相对于头部旋转一个角度-2β，保证左脚朝向正前方，然后右腿通过右脚舵机相对右脚旋转一个角度α，使机器人身体恢复站立状态，且左脚落地，这样就实现了左脚迈出一步。按照上述步骤左右腿依次迈出，可以实现多步的前进，后退也可用类似方式实现；
足式桌面宠物机器人进行自身位置更新的工作原理如下：
机器人左腿舵机转轴和右腿舵机转轴之间的距离为D，机器人的步幅为
Figure 618738DEST_PATH_IMAGE001
机器人的步幅可以作为足式里程计来累计机器人的行进距离，由此可以确定机器人在地图中的位置。假设机器人当前方向角为θ，机器人沿着当前方向行进的步数为steps，则机器人位置更新可以表示为
Figure 22169DEST_PATH_IMAGE002
足式桌面宠物机器人自主导航的工作原理如下：
机器人开机后，初始化环境地图，以当前朝向为零方向角。环境地图为占据栅格地图，初始化时所有栅格为非占据状态。为了保证机器人在地图中每个方向都有足够的活动空间，防止轻易的跑出地图范围，将机器人的初始位置设置在地图的中心。假设机器人当前位置为P A (x A ，y A )，当前方向角为θ A ，目标位置为P B (x B ，y B )，需要机器人从P A 自主导航到P B 。首先计算从当前位置到目标位置的方向向量的方向角θ AB ，有
Figure 719867DEST_PATH_IMAGE003
然后计算当前方向角θ A 与θ AB 之间的偏差角度θ diff ，即
Figure 220249DEST_PATH_IMAGE004
机器人原地旋转θ diff 角度，使自身面向目标P B 。之后机器人朝着目标位置前进，且一边前进一边更新自身位置。同时，激光测距传感器会不断更新前方障碍物的数据，构建环境地图。如果前方障碍物的距离S1小于设定距离S0，那么机器人后退一定步数，使S1>S0，机器人原地旋转角度Φ，在旋转过程中激光测距传感器扫过角度Φ，同时更新环境地图，之后在环境地图的当前方向上搜索可通过路径，如果存在可通过路径，则机器人转向可通过路径的方向并前进，否则机器人再原地旋转角度Φ，更新环境地图并重复搜索可通过路径。当存在可通过路径时，机器人沿着该路径前进一定步数，之后再次计算θ diff ，原地旋转θ diff 角度，使自身面向目标P B ，然后重复上述步骤，直到机器人位置与目标位置之间的距离小于设定距离S AB ，即机器人到达目标位置。
本发明一种足式桌面宠物机器人自主导航方法的有益效果为：
（1）根据足式机器人结构和步态参数实现了足式里程计，解决了无法使用轮式里程计进行机器人自身位置更新的问题。
（2）使用微型单点激光测距传感器配合足式里程计，结构紧凑、成本低。
（3）可以同时实现桌面边缘检测和障碍物检测。
（4）自主导航方法运算量小，有利于在嵌入式处理器中运行。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明一种足式桌面宠物机器人整体结构的示意图；
图2为本发明足式桌面宠物机器人的内部结构示意图；
图3为本发明足式里程计测量原理图；
图4为本发明自主导航过程示意图；
图中：足式桌面宠物机器人1；头部2；微型激光测距传感器11；左腿舵机3a；左腿4a；左脚舵机5a；左脚6a；左腿舵机转轴7a；左脚舵机转轴8a；右腿4b；右脚6b；
右腿舵机3b安装于与左腿舵机3a对称位置（图中不可见）；右脚舵机5b安装于与左脚舵机5a对称位置（图中不可见）；右腿舵机转轴7b位置与左腿舵机转轴7a对称（图中不可见）；右脚舵机转轴8b位置与左脚舵机转轴8a对称（图中不可见）。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明。
具体实施方式一
如图1和图2所示，足式桌面宠物机器人1包括头部2、左腿舵机3a、左腿4a、左脚舵机5a、左脚6a、右腿舵机3b、右腿4b、右脚舵机5b、右脚6b；
所述头部2的内部下端的左右两侧分别固定连接一个左腿舵机3a和一个右腿舵机3b，左腿舵机3a的转轴7a通过螺栓连接左腿4a，左腿4a的下端通过螺栓连接左脚舵机5a的转轴8a，左脚舵机5a固定连接在左脚6a上；右腿舵机3b的转轴7b通过螺栓连接右腿4b，右腿4b的下端通过螺栓连接右脚舵机的转轴8b，右脚舵机5b固定连接在右脚6b上；
所述头部2的下颌位置设置有微型单点激光测距传感器11，其发射方向与水平方向呈一定的夹角，倾斜向下安装，用于测量前方障碍物和检测桌面边缘；
所述头部的内部设置有陀螺仪，根据陀螺仪数据可以计算出机器人的方向角；
足式桌面宠物机器人进行前进和后退的工作原理如下：
机器人前进时，初始状态两腿并拢，如果右脚6b先迈出，则左脚6a为支撑脚，左腿4a通过左脚舵机5a相对左脚6a旋转一个角度α，使机器人身体向左侧倾斜，进而使右脚6b抬起，然后头部2通过左腿舵机3a相对于左腿4a旋转一个角度β，带动右脚6b向前迈出，同时右腿4b通过右腿舵机3b相对于头部2旋转一个角度β，保证右脚6b朝向正前方，然后左腿4a通过左脚舵机5a相对左脚6a旋转一个角度-α，使机器人身体恢复站立状态，且右脚6b落地，这样就实现了右脚6b迈出一步。之后右脚6b为支撑脚，右腿4b部通过右脚舵机5b相对右脚6b旋转一个角度-α，使机器人身体向右侧倾斜，进而使左脚6a抬起，然后头部2通过右腿舵机3b相对于右腿4b旋转一个角度-2β，带动左脚6a向前迈出，同时左腿4a通过左腿舵机3a相对于头部2旋转一个角度-2β，保证左脚6a朝向正前方，然后右腿4b通过右脚舵机5b相对右脚6b旋转一个角度α，使机器人身体恢复站立状态，且左脚6a落地，这样就实现了左脚6a迈出一步。按照上述步骤左右腿依次迈出，可以实现多步的前进，后退也可用类似方式实现；
足式桌面宠物机器人进行自身位置更新的工作原理如下：
如图3所示，机器人左腿舵机3a的转轴7a和右腿舵机3b的转轴7b之间的距离为D，机器人行走一步的步幅为
Figure 438477DEST_PATH_IMAGE001
机器人的步幅可以作为足式里程计来累计机器人的行进距离，由此可以确定机器人在地图中的位置。假设机器人当前方向角为θ，机器人沿着当前方向行进的步数为steps，则机器人位置更新可以表示为
Figure 125941DEST_PATH_IMAGE005
足式桌面宠物机器人自主导航的工作原理如下：
机器人开机后，初始化环境地图，以当前朝向为零方向角。环境地图为占据栅格地图，初始化时所有栅格为非占据状态。为了保证机器人在地图中每个方向都有足够的活动空间，防止轻易的跑出地图范围，将机器人的初始位置设置在地图的中心。如图4所示，假设某时刻机器人当前位置为P A (x A ，y A )，当前方向角为θ A ，目标位置为P B (x B ，y B )，需要机器人从P A 自主导航到P B 。首先计算从当前位置到目标位置的方向向量的方向角θ AB ，有
Figure 830592DEST_PATH_IMAGE006
然后计算当前方向角θ A 与θ AB 之间的偏差角度θ diff ，即
Figure 982219DEST_PATH_IMAGE004
机器人原地旋转θ diff 角度，使自身面向目标P B 。之后机器人朝着目标位置前进，且一边前进一边更新自身位置。同时，激光测距传感器会不断更新前方障碍物的数据，构建环境地图。如果前方障碍物的距离S1小于设定距离S0，那么机器人后退一定步数，使S1>S0，机器人原地旋转角度Φ，在旋转过程中激光测距传感器扫过角度Φ，同时更新环境地图，之后在环境地图的当前方向上搜索可通过路径，如果存在可通过路径，则机器人转向可通过路径的方向并前进，否则机器人再原地旋转角度Φ，更新环境地图并重复搜索可通过路径。当存在可通过路径时，机器人沿着该路径前进一定步数，之后再次计算θ diff ，原地旋转θ diff 角度，使自身面向目标P B ，然后重复上述步骤，直到机器人位置与目标位置之间的距离小于设定距离S AB ，即机器人到达目标位置。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种足式桌面宠物机器人自主导航方法，其特征在于，包括头部(2)、左腿舵机(3a)、左腿(4a)、左脚舵机(5a)、左脚(6a)、右腿舵机(3b)、右腿(4b)、右脚舵机(5b)、右脚(6b)。
2.根据权利要求1所述的一种足式桌面宠物机器人自主导航方法，其特征在于，所述头部(2)的内部下端的左右两侧分别固定连接一个左腿舵机(3a)和一个右腿舵机(3b)，左腿舵机(3a)的转轴(7a)通过螺栓连接左腿(4a)，左腿(4a)的下端通过螺栓连接左脚舵机(5a)的转轴(8a)，左脚舵机(5a)固定连接在左脚(6a)上；右腿舵机(3b)的转轴(7b)通过螺栓连接右腿(4b)，右腿(4b)的下端通过螺栓连接右脚舵机的转轴(8b)，右脚舵机(5b)固定连接在右脚(6b)上。
3.根据权利要求1所述的一种足式桌面宠物机器人自主导航方法，其特征在于，所述头部(2)的下颌位置设置有微型单点激光测距传感器(11)，其发射方向与水平方向呈一定的夹角，倾斜向下安装，用于测量前方障碍物和检测桌面边缘。
4.根据权利要求1所述的一种足式桌面宠物机器人自主导航方法，其特征在于，所述头部的内部设置有陀螺仪，根据陀螺仪数据可以计算出机器人的方向角。
5.根据权利要求1所述的一种足式桌面宠物机器人自主导航方法，其特征在于，机器人基于如下原理进行前进和后退：机器人前进时，初始状态两腿并拢，如果右脚(6b)先迈出，则左脚(6a)为支撑脚，左腿(4a)通过左脚舵机(5a)相对左脚(6a)旋转一个角度α，使机器人身体向左侧倾斜，进而使右脚(6b)抬起，然后头部(2)通过左腿舵机(3a)相对于左腿(4a)旋转一个角度β，带动右脚(6b)向前迈出，同时右腿(4b)通过右腿舵机(3b)相对于头部(2)旋转一个角度β，保证右脚(6b)朝向正前方，然后左腿(4a)通过左脚舵机(5a)相对左脚(6a)旋转一个角度-α，使机器人身体恢复站立状态，且右脚(6b)落地，这样就实现了右脚(6b)迈出一步。之后右脚(6b)为支撑脚，右腿(4b)部通过右脚舵机(5b)相对右脚(6b)旋转一个角度-α，使机器人身体向右侧倾斜，进而使左脚(6a)抬起，然后头部(2)通过右腿舵机(3b)相对于右腿(4b)旋转一个角度-2β，带动左脚(6a)向前迈出，同时左腿(4a)通过左腿舵机(3a)相对于头部(2)旋转一个角度-2β，保证左脚(6a)朝向正前方，然后右腿(4b)通过右脚舵机(5b)相对右脚(6b)旋转一个角度α，使机器人身体恢复站立状态，且左脚(6a)落地，这样就实现了左脚(6a)迈出一步。按照上述步骤左右腿依次迈出，可以实现多步的前进，后退也可用类似方式实现。
6.根据权利要求1所述的一种足式桌面宠物机器人自主导航方法，其特征在于，机器人基于如下原理进行自身位置更新：机器人左腿舵机(3a)的转轴(7a)和右腿舵机(3b)的转轴(7b)之间的距离为D，机器人行走一步的步幅为
Figure 853475DEST_PATH_IMAGE001
机器人的步幅可以作为足式里程计来累计机器人的行进距离，由此可以确定机器人在地图中的位置。假设机器人当前方向角为θ，机器人沿着当前方向行进的步数为steps，则机器人位置更新可以表示为
Figure 907406DEST_PATH_IMAGE002
。
7.根据权利要求1所述的一种足式桌面宠物机器人自主导航方法，其特征在于，机器人基于如下原理进行自主导航：机器人开机后，初始化环境地图，以当前朝向为零方向角。环境地图为占据栅格地图，初始化时所有栅格为非占据状态。为了保证机器人在地图中每个方向都有足够的活动空间，防止轻易的跑出地图范围，将机器人的初始位置设置在地图的中心。假设某时刻机器人当前位置为P A (x A ，y A )，当前方向角为θ A ，目标位置为P B (x B ，y B )，需要机器人从P A 自主导航到P B 。首先计算从当前位置到目标位置的方向向量的方向角θ AB ，有
Figure 49674DEST_PATH_IMAGE003
然后计算当前方向角θ A 与θ AB 之间的偏差角度θ diff ，即
Figure 934454DEST_PATH_IMAGE004
机器人原地旋转θ diff 角度，使自身面向目标P B 。之后机器人朝着目标位置前进，且一边前进一边更新自身位置。同时，激光测距传感器会不断更新前方障碍物的数据，构建环境地图。如果前方障碍物的距离S1小于设定距离S0，那么机器人后退一定步数，使S1>S0，机器人原地旋转角度Φ，在旋转过程中激光测距传感器扫过角度Φ，同时更新环境地图，之后在环境地图的当前方向上搜索可通过路径，如果存在可通过路径，则机器人转向可通过路径的方向并前进，否则机器人再原地旋转角度Φ，更新环境地图并重复搜索可通过路径。当存在可通过路径时，机器人沿着该路径前进一定步数，之后再次计算θ diff ，原地旋转θ diff 角度，使自身面向目标P B ，然后重复上述步骤，直到机器人位置与目标位置之间的距离小于设定距离S AB ，即机器人到达目标位置。
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