CN112171678A - 一种机器人运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人运动控制技术领域，为了解决目前机器人在直接根据预设的行走参数进行运动时的运动路线性不高的问题，提供了一种机器人运动控制方法，包括以下步骤：参数获取步骤：从上位机获取目标机器人的运动参数；计算步骤：将获取的运动参数通过运动计算模型计算得到目标机器人四个电机转速，运动计算模型设置有可调参系数；控制步骤：电机驱动器根据计算得到的电机转速输出对应的电机转动信号，驱动对应的电机转动，电机驱动对应轮胎转动，目标机器人运动。

Description

一种机器人运动控制方法

技术领域

本发明涉及机器人运动控制技术领域，具体为一种机器人运动控制方法。

背景技术

机器人是一种能够半自主或全自主工作的智能机器，具有感知、决策、执行等基本特征，可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作，提高工作效率与质量,服务人类生活,扩大或延伸人的活动及能力范围。现有机器人运动是通过电机驱动车轮转动的方式实现前进、后退、转弯及旋转等运动。目前在对机器人进行控制的时候，通常都是根据机器人的行进路线预先设定好机器人的行走参数，机器人行走时则根据预设的行走参数进行运动。然而，预先设定好机器人的行走参数通常都是一种理论值，而由于机器人各自的自身参数不同，因此在自身参数的影响下，机器人在实际直接根据行走路线运动时通常都会出现误差，从而降低了机器人运动的准确性。

发明内容

本发明意在提供一种运动路线的机器人运动控制方法。

本发明提供基础方案是：一种机器人运动控制方法，包括以下步骤：

参数获取步骤：从上位机获取目标机器人的运动参数；

计算步骤：将获取的运动参数通过运动计算模型计算得到目标机器人的四个电机转速，运动计算模型设置有可调参系数；

控制步骤：电机驱动器根据计算得到的电机转速输出对应的电机转动信号，驱动对应的电机转动，电机驱动对应轮胎转动，目标机器人运动。

说明，本方案中可调整参数指的是将基于理论模型计算得到的数据根据目标机器人自身实际情况进行参数调整，使得调整后的数据能够与被控对象相匹配，以求达到最佳的控制效果，以目标机器人运动为例，则被控对象对驱动轮胎转动的电机。

基础方案的原理及有益效果是：本方案中利用设置的运动计算模型对运动参数进行运算后，得到电机的转速，再由电机驱动器根据运算得到的转速控制对应电机的转动，从而驱动目标机器人的运动，与现有技术相比，本方案中利用包括设置有可调参系数的运动计算模型对运动参数进行运算，利用运动计算模型将理论下的运动参数换算成适合实际的目标机器人运动的电机转动信号，换算出的电机转动信号更适配于实际的目标机器人，从而提高了目标机器人运动的精准性。

优选方案一：作为基础方案的优选，运动计算模型包括直行计算模型和转弯计算模型，参数获取步骤还获取目标机器人的运动模式，当获取到的运动模式为直行模式时，计算步骤中，通过直行计算模型对获取到的运动参数进行计算得到电机转速；当获取到的运动模式为转弯模式时，计算步骤中，通过转弯计算模型对获取到的运动参数进行计算得到电机转速。有益效果：考虑到目标机器人在运动过程中的行走模式都能够归类到直行模式与转弯模式，而在不同行走模式下，目标机器人对应的运动参数也是不同的，因此本方案中设置运动计算模型包括直行计算模型与转弯计算模型，从而能够分别对目标机器人的直行模式和转弯模型进行相应的运算，从而进一步提高了目标机器人运动的精准性。

优选方案二：作为优选方案一的优选，运动参数包括电机参数、底盘结构参数、运动速度、角速度和可调参系数。有益效果：本方案中运动参数包括目标机器人多个维度的参数，从而提高了运算结果的精准，进一步提高了目标机器人运动的精准性。

优选方案三：作为优选方案二的优选，电机参数为电机减速比，底盘结构参数包括轮距，直行计算模型为，

M1_RPM＝M4_RPM＝V*i/(π*D*K_left)；

M2_RPM＝M3_RPM＝-M1_RPM；

其中，M1_RPM为机器人左前轮胎对应电机转速，M4_RPM为机器人左后轮胎对应电机转速，M2_RPM为机器人右前轮胎对应电机转速，M3_RPM为机器人右后轮胎对应电机转速，V为运动速度，i为电机减速比，D为轮距，K为可调参系数。有益效果：本方案中通过设置有可调参系数的直行计算模型对运动参数进行计算后得到电机转速，通过直行计算模型将理论下的直行模式的运动参数换算成与适合实际的目标机器人运动的电机转动信号，从而提高了目标机器人运动的精准性。

优选方案四：作为优选方案二的优选，转弯计算模型为，

R＝V/ω；

V_内侧＝ω/(R-D/B)2；

V_外侧＝ω/(R+D/B)2；

M1′_RPM＝M4′_RPM＝V_内侧*i/(π*D*K_内侧)；

M2′_RPM＝M3′_RPM＝-V_外侧*i/(π*D*K_外侧)；

其中R为目标机器人中轴转弯半径，ω为角速度，V_内侧为目标机器人转弯内侧的轮胎速度，V_外侧为目标机器人转弯外侧的轮胎速度，K_内侧为目标机器人转弯内侧对应的可调参系数，K_外侧为目标机器人转弯外侧对应的可调参系数。有益效果：本方案中通过设置有可调参系数的转弯计算模型对运动参数进行计算后得到电机转速，通过转弯计算模型将理论下的转弯模式的运动参数换算成与适合实际的目标机器人运动的电机转动信号，从而提高了目标机器人运动的精准性。

优选方案五：作为基础方案的优选，还包括防护步骤：在目标机器人受到冲撞时，目标机器人上设置的缓冲机构压缩进行缓冲。有益效果：考虑到目标机器人在运动过程，如果行进的路线中突然出现障碍物，目标机器人就可能会与障碍物出现冲撞，因此本方案中，在目标机器人受到冲撞时，还利用设置的缓冲机构的压缩来减少目标机器人受到的冲撞，能够对冲撞起到缓冲，从而能够降低目标机器人因为冲撞而出现的损伤。

优选方案六：作为优选方案五的优选，防护步骤中，缓冲机构上的防护板对目标机器人进行防护。有益效果：本方案中通过设置的防护板对目标机器人受到的冲撞进行缓冲，从而降低了目标机器人在冲撞过程中受到的撞击，减小目标机器人受到的损伤，延长了目标机器人的使用寿命。

优选方案七：作为优选方案六的优选，防护步骤中，缓冲机构进行缓冲时，防护板上的电磁铁通电，对目标机器人上与电磁铁相对设置的磁铁进行排斥。有益效果：本方案中，在缓冲机构进行缓冲时，防护板上通电的电磁铁对磁铁的排斥增加障碍物到目标机器人之间的距离，一方面，增大的距离延长了障碍物在冲撞过程中产生的冲撞在传递到目标机器人上的传递距离，使得冲撞到达目标机器人上时已经有所减小，从而起到防护效果，另一方面，电磁铁在目标机器人受到冲撞时才通电，因此当目标机器人没有受到冲撞时，此时电磁铁就等同是一个能被磁铁吸附的铁块并被铁块吸附，缓冲机构占据空间小，从而可以减少目前机器人整体占据的空间，而当目标机器人受到冲撞时，电磁铁在通电的时刻从磁铁上弹开，防护板此时从目标机器人上弹开，能够避免障碍物直接与目标机器人的接触，也能降低目标机器人受到的冲撞，从而减小目标机器人受到的损伤，延长了目标机器人的使用寿命。

优选方案八：作为优选方案六的优选，防护步骤中，防护板上的弹性层对防护板受到的冲撞进行缓冲。有益效果：本方案中还设置缓冲层对防护板受到的冲撞进行缓冲，从而减小了防护板受到的冲撞，提高了防护板的使用寿命。

优选方案九：作为优选方案六的优选，防护步骤中，连接在目标机器人与防护板之间的伸缩杆对防护板移动进行导向。有益效果：本方案中，伸缩杆的设置一方面对防护板的运动进行导向，另一方面实现了防护板在目标机器人上的连接，结构简单。

附图说明

图1为本发明一种机器人运动控制方法实施例一的流程图；

图2为本发明实施例一中目标机器人正视图；

图3为图2的右视图；

图4为本发明一种机器人运动控制方法实施例二中目标机器人的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：目标机器人1、伸缩杆2、电磁铁3、磁铁4。

实施例一

基本如附图1所示：一种机器人运动控制方法，包括以下步骤：

参数获取步骤：从上位机获取目标机器人1的运动参数，运动参数包括电机参数、底盘结构参数、运动速度、角速度和可调参系数，其中，电机参数具体为电机减速比i，底盘结构参数包括轮距B、轴距L和轮径D，本实施例中目标机器人1为四轮机器人，轮距B、轴距L和轮径D如图2和图3所示。

计算步骤：将获取的运动参数通过运动计算模型计算得到目标机器人1四个电机转速，运动计算模型设置有可调参系数；具体的，设定目标机器人1上轮胎安装位置如表一所示，其中M1、M2、M3和M4分别表示目标机器人1上轮胎对应的四个电机。

表一

如表一所示，则M1表示目标机器人1左前轮胎对应的电机，M3表示目标机器人1右后轮胎对应的电机。

获取的运动参数包括目标机器人1的运动速度V、角速度ω，电机减速比i，轮径D，轮距B，轴距L，可调参系数K，具体的，可调参系数K包括机器人可调参左侧系数K_left，机器人可调参右侧系数K_right，对于同一目标机器人1来说，可调参系数是固定的。

具体的，运动计算模型包括直行计算模型和转弯计算模型，参数获取步骤还获取目标机器人1的运动模式，当获取到的运动模式为直行模式时，计算步骤中，通过直行计算模型对获取到的运动参数进行计算得到电机转速；当获取到的运动模式为转弯模式时，计算步骤中，通过转弯计算模型对获取到的运动参数进行计算得到电机转速。

以目标机器人1左前轮胎的转速为例，具体的，在直行模式下，电机M1的转速为：

M1_RPM＝V*i/(π*D*K_left)……(1)

M2_RPM＝M3_RPM＝-M1_RPM……(2)；

由于同侧的轮胎方向和速度必须保持一致，因此电机M4的转速为：

M4_RPM＝M1_RPM

由于电机M2、电机M3与电机M1、电机M4相对安装的，M2、电机M3与电机M1、电机M4的转动方向相反，速度一致，因此电机M2和电机M3的转速：

M2_RPM＝M3_RPM＝-M1_RPM。

在转弯模式下，先根据运动速度V和角速度ω计算中目标机器人1中轴转弯半径：

R＝V/ω；

以目标机器人1左转弯为例，则左侧轮胎的速度为V_left＝ω/(R-D/B)2；

右侧轮胎的速度为V_right＝ω/(R+D/B)2；

因此，在左转弯时，电机M1的转速为：

M1′_RPM＝V_left*i/(π*D*K_left)＝ω*i/(R-D/B)2(π*D*K_left)；

由于同侧的轮子方向和速度必须保持一致，因此电机M4的转速为：

M4′_RPM＝M1′_RPM；

左转弯，右侧电机转速为：

M2′_RPM＝-V_right*i/(π*D*K_left)＝-ω*i/(R+D/B)2(π*D*K_left)；

同侧的轮子方向和速度必须保持一致，即：

M3′_RPM＝M2′_RPM。

控制步骤：电机驱动器根据计算得到的电机转速输出对应的电机转动信号，驱动对应的电机转动，电机驱动对应轮胎转动，目标机器人1运动。

基于上述控制方法，本实施例中还公开了一种控制系统，包括与上位机通信的通信模块，用于从上位机获取目标机器人1的运动参数；

存储模块，存储有运动计算模型，运动计算模型设置有可调参系数；

计算模块，用于将获取的运动参数通过运动计算模型计算得到目标机器人1四个电机转速；

控制模块，用于根据计算得到的电机转速输出对应的电机转动信号，并驱动对应的电机转动；

电机，用于驱动轮胎转动。

具体实施过程如下：使用时，首先从上位机获取运动参数，如本实施例中的目标机器人1由导航终端进行导航，则上位机为导航终端，获取的运动参数具体为电机减速比i，轮距B、轴距L、轮径D、运动速度V、角速度ω，其中，电机减速比i、轮距B、轴距L、轮径D作为目标机器人1的自身参数，属于已知的参数，而运动速度V则是根据上位机发送的运动参数后直行设定，也可以根据需求直行设定，而角速度ω则是由上位机传送来的运动参数直接获取。如上位机发送的运动参数为：以速度10m/s的运动速度直行。

在获取到运动参数后，对运动参数进行运算，以速度10m/s的运动速度直行10分钟属于直行模式，此时采用直行计算模型进行计算，将运动速度V＝10m/s带入公式(1)即可得到电机M1的转速，再由公式(2)即可得到电机M2、电机M3和电机M4的转速，然后再由电机驱动器根据得到的电机转速向对应的电机输出电机转动信号后，对应电机则根据接收到的电机转动信号进行转动，从而驱动轮胎转动，目标机器人1则开始运动。

实施例二

与实施例一不同之处在于，本实施例的控制方法中还包括有防护步骤：在目标机器人1受到冲撞时，目标机器人1上设置的缓冲机构压缩进行缓冲，缓冲机构上的防护板对目标机器人1进行防护，防护板上的弹性层对防护板受到的冲撞进行缓冲，连接在目标机器人1与防护板之间的伸缩杆2对伸缩杆2对防护板移动进行导向，缓冲机构进行缓冲时，防护板上的电磁铁3通电，对目标机器人1上与电磁铁3相对设置的磁铁4进行排斥。

基于上述防护步骤，如图4所示，本实施例中的目标机器人1前端通过伸缩杆2连接有防护板，伸缩杆2包括第一连接部和第二连接部，第一连接部的下端与目标机器人1前端连接，第一连接部的上端与第二连接部的下端滑动连接，第二连接部的上端与防护板连接，防护板朝向目标机器人1的一侧安装有电磁铁3，目标机器人1上对应电磁铁3的部位设置有磁铁4，防护板远离目标机器人1的一侧安装有防护层，本实施例中防护层为橡胶层。

控制系统还包括有压力感应模块，用于采集防护板外表面收到的压力值；

存储模块内预设有压力阈值；

比较模块，用于将采集到的压力值与压力阈值进行比较；

控制模块还用于在比较模块比较出压力值大于压力阈值时控制电磁铁3通电。

在运动过程中，当目标机器人1没有撞上障碍物时，此时防护板不受到外力，电磁铁3处于断电状态，在磁铁4的吸附作用下，断电的电磁铁3是被磁铁4吸附的，此时伸缩杆2处于缩短状态。

当目标机器人1在运动过程中撞上障碍物时，此时设置在目标机器人1前方的防护板会先与障碍物接触，在接触过程中，伸缩杆2缩短，而且防护板上受到障碍物的压力增大，压力传感器采集到的压力值增大，在压力值增大到大于预设的压力阈值时，控制模块控制电磁铁3通电，通电后的电磁铁3与磁铁4相互排斥，于是电磁铁3远离磁铁4运动，防护板远离目标机器人1运动，伸缩杆2伸长。而在防护板远离目标机器人1运动的过程中，将障碍物与目标机器人1隔离开，从而避免障碍物状态目标机器人1，从而对出现的冲撞起到缓冲效果，而且防护板上的缓冲层在障碍物撞上防护板的时候也对防护板起到缓冲作用，降低了防护板受到的冲撞。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种机器人运动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

参数获取步骤：从上位机获取目标机器人的运动参数；

计算步骤：将获取的运动参数通过运动计算模型计算得到目标机器人的四个电机转速，所述运动计算模型设置有可调参系数；

控制步骤：电机驱动器根据计算得到的电机转速输出对应的电机转动信号，驱动对应的电机转动，电机驱动对应轮胎转动，目标机器人运动。

2.根据权利要求1所述的机器人运动控制方法，其特征在于：所述运动计算模型包括直行计算模型和转弯计算模型，所述参数获取步骤还获取目标机器人的运动模式，当获取到的运动模式为直行模式时，计算步骤中，通过直行计算模型对获取到的运动参数进行计算得到电机转速；当获取到的运动模式为转弯模式时，计算步骤中，通过转弯计算模型对获取到的运动参数进行计算得到电机转速。

3.根据权利要求2所述的机器人运动控制方法，其特征在于：所述运动参数包括电机参数、底盘结构参数、运动速度、角速度和可调参系数。

4.根据权利要求3所述的机器人运动控制方法，其特征在于：所述电机参数为电机减速比，所述底盘结构参数包括轮距，所述直行计算模型为，

M1_RPM＝M4_RPM＝V*i/(π*D*K_left)；

M2_RPM＝M3_RPM＝-M1_RPM；

其中，M1_RPM为机器人左前轮胎对应电机转速，M4_RPM为机器人左后轮胎对应电机转速，M2_RPM为机器人右前轮胎对应电机转速，M3_RPM为机器人右后轮胎对应电机转速，V为运动速度，i为电机减速比，D为轮距，K为可调参系数。

5.根据权利要求3所述的机器人运动控制方法，其特征在于：所述转弯计算模型为，

R＝V/ω；

V_内侧＝ω/(R-D/B)2；

V_外侧＝ω/(R+D/B)2；

M1′_RPM＝M4′_RPM＝V_内侧*i/(π*D*K_内侧)；

M2′_RPM＝M3′_RPM＝-V_外侧*i/(π*D*K_外侧)；

其中R为目标机器人中轴转弯半径，ω为角速度，V_内侧为目标机器人转弯内侧的轮胎速度，V_外侧为目标机器人转弯外侧的轮胎速度，K_内侧为目标机器人转弯内侧对应的可调参系数，K_外侧为目标机器人转弯外侧对应的可调参系数。

6.根据权利要求1所述的机器人运动控制方法，其特征在于：还包括防护步骤：在目标机器人受到冲撞时，目标机器人上设置的缓冲机构压缩进行缓冲。

7.根据权利要求6所述的机器人运动控制方法，其特征在于：所述防护步骤中，缓冲机构上的防护板对目标机器人进行防护。

8.根据权利要求7所述的机器人运动控制方法，其特征在于：所述防护步骤中，缓冲机构进行缓冲时，防护板上的电磁铁通电，对目标机器人上与电磁铁相对设置的磁铁进行排斥。

9.根据权利要求7所述的机器人运动控制方法，其特征在于：所述防护步骤中，防护板上的弹性层对防护板受到的冲撞进行缓冲。

10.根据权利要求7所述的机器人运动控制方法，其特征在于：所述防护步骤中，连接在目标机器人与防护板之间的伸缩杆对防护板移动进行导向。

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