CN113253607A - 上楼梯的步态规划方法、装置、可读存储介质及机器人 - Google Patents

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Abstract

本申请属于机器人技术领域，尤其涉及一种上楼梯的步态规划方法、装置、计算机可读存储介质及机器人。所述方法通过机器人的视觉传感器获取第一视觉测量信息，所述第一视觉测量信息为楼梯台阶上预设的标志物在所述机器人的本体系下的位姿信息；对所述第一视觉测量信息进行修正，得到第二视觉测量信息，所述第二视觉测量信息为所述标志物在所述机器人的步态参考系下的位姿信息；根据所述第二视觉测量信息对所述机器人上楼梯的过程进行分阶段的步态规划，通过本申请，以视觉测量信息作为基准，对所述机器人上楼梯的过程进行分阶段的步态规划，极大提升了机器人在复杂的上楼梯场景中的适应能力。

Description

上楼梯的步态规划方法、装置、可读存储介质及机器人
技术领域
本申请属于机器人技术领域，尤其涉及一种上楼梯的步态规划方法、装置、计算机可读存储介质及机器人。
背景技术
在控制仿人机器人上楼梯时，其中的一个关键问题是如何合理的进行导航与步态规划，而现有技术中的步态规划往往都是针对平地行走的场景，难以适应较复杂的机器人上楼梯的场景。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种上楼梯的步态规划方法、装置、计算机可读存储介质及机器人，以解决现有技术中的步态规划往往都是针对平地行走的场景，难以适应较复杂的机器人上楼梯的场景的问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种上楼梯的步态规划方法，可以包括：
通过机器人的视觉传感器获取第一视觉测量信息，所述第一视觉测量信息为楼梯台阶上预设的标志物在所述机器人的本体系下的位姿信息；
对所述第一视觉测量信息进行转换，得到第二视觉测量信息，所述第二视觉测量信息为所述标志物在所述机器人的步态参考系下的位姿信息；
根据所述第二视觉测量信息对所述机器人上楼梯的过程进行分阶段的步态规划。
本申请实施例的第二方面提供了一种上楼梯的步态规划装置，可以包括：
视觉信息获取模块，用于通过机器人的视觉传感器获取第一视觉测量信息，所述第一视觉测量信息为楼梯台阶上预设的标志物在所述机器人的本体系下的位姿信息；
视觉信息转换模块，用于对所述第一视觉测量信息进行转换，得到第二视觉测量信息，所述第二视觉测量信息为所述标志物在所述机器人的步态参考系下的位姿信息；
步态规划模块，用于根据所述第二视觉测量信息对所述机器人上楼梯的过程进行分阶段的步态规划。
本申请实施例的第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一种上楼梯的步态规划方法的步骤。
本申请实施例的第四方面提供了一种机器人，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一种上楼梯的步态规划方法的步骤。
本申请实施例的第五方面提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在机器人上运行时，使得机器人执行上述任一种上楼梯的步态规划方法的步骤。
本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本申请实施例通过机器人的视觉传感器获取第一视觉测量信息，所述第一视觉测量信息为楼梯台阶上预设的标志物在所述机器人的本体系下的位姿信息；对所述第一视觉测量信息进行转换，得到第二视觉测量信息，所述第二视觉测量信息为所述标志物在所述机器人的步态参考系下的位姿信息；根据所述第二视觉测量信息对所述机器人上楼梯的过程进行分阶段的步态规划。通过本申请实施例，预先在楼梯台阶上设置标志物，为机器人上楼梯时的步态规划提供了可靠的参照标准，在上楼梯时，可以通过视觉传感器获取标志物在本体系下的位姿信息，也即所述第一视觉测量信息，并将其转换到步态参考系下，得到所述第二视觉测量信息，以此视觉测量信息作为基准，即可对所述机器人上楼梯的过程进行分阶段的步态规划，极大提升了机器人在复杂的上楼梯场景中的适应能力。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请实施例中一种上楼梯的步态规划方法的一个实施例流程图；
图2为相机系的示意图；
图3为本体系的示意图；
图4为平地段在x方向和z方向上的示意图；
图5为上楼梯段在x方向和z方向上的示意图；
图6为在y方向和yaw方向上的示意图；
图7为在平地段的步态规划的示意流程图；
图8为平地段的步态规划的整体流程图；
图9为上楼梯段在x方向和z方向上的步态规划的示意流程图；
图10为楼梯的各个台阶的投影图；
图11为上楼梯段的步态规划的整体流程图；
图12为本申请实施例中一种上楼梯的步态规划装置的一个实施例结构图；
图13为本申请实施例中一种机器人的示意框图。
具体实施方式
为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本申请保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本申请实施例基于仿人机器人的上楼梯任务，利用视觉信息进行定位与上楼梯规划，由于步态参数是基于支撑腿给定，利用正运动学信息对视觉测量数据进行修正，分别在楼梯前平地段和上楼梯过程进行步态规划，最终在视觉信息的辅助下完成机器人上楼梯任务。需要注意的是，在本申请实施例中机器人均为双足机器人。
请参阅图1，本申请实施例中一种上楼梯的步态规划方法的一个实施例可以包括：
步骤S101、通过机器人的视觉传感器获取第一视觉测量信息。
所述第一视觉测量信息为楼梯台阶上预设的标志物在所述机器人的本体系下的位姿信息。
在本申请实施例中，可以预先在楼梯的每一级台阶上均设置一个标志物，具体选择何种标志物可以根据实际情况进行设置，此处可以优选采用便于机器人识别的红色标志条。所述标志物的中心即为上楼梯时机器人足部某一固定位置的理想落点，这一固定位置包括但不限于脚踝、脚尖及脚后跟，以下的叙述中均以脚尖为例来进行说明。
所述机器人可以通过自身安装的视觉传感器来对每一级台阶上的标志物进行检测。所述视觉传感器主要由一个或者多个摄像头组成，这些摄像头包括但不限于单目摄像头(Monocular Camera)、双目摄像头(Binocular Camera)、深度摄像头(RGB-D Camera)或者其它种类的摄像头。所述视觉传感器的具体安装位置可以根据实际情况进行设置，在本申请实施例中，优选将所述视觉传感器安装在所述机器人的虚拟质心点(virtual centerofmass)上。
所述机器人可以将检测得到的所述标志物的位姿信息从相机系转换到本体系下，从而得到所述第一视觉测量信息。其中，所述相机系和所述本体系的原点位置都在所述机器人的COM点，但方向定义不一致。图2所示为所述相机系的示意图，其中的x方向为所述机器人的背面朝向的方向，y方向为所述机器人的右侧方向，z方向为竖直向上的方向，图中的黑条即为所述标志物。图3所示为所述本体系在水平面上投影的示意图，其中的x方向为所述机器人的正面朝向的方向，y方向为所述机器人的左侧方向，z方向为竖直向上的方向。
步骤S102、对所述第一视觉测量信息进行修正，得到第二视觉测量信息。
所述第二视觉测量信息为所述标志物在所述机器人的步态参考系下的位姿信息。
一般地，步长(即摆动腿相对于支撑腿的前向位移)、步宽(即摆动腿相对于质心的侧向位移)、步高(即摆动腿相对于支撑腿的纵向位移)、偏航角(即质心相对于前向的偏移角)等参数都不一定在机器人的本体系下给定的，其中，步长和步高是基于支撑腿位置给定的，步宽是基于质心位置给定的，偏航角是基于本体系给定的，所以在规划步态参数时，需要对测量信息进行修正，将其转换至所述机器人的步态参考系下，所述步态参考系的x、y、z方向与所述本体系一致，但原点位置在所述机器人支撑腿的脚尖。
在本申请实施例中，可以将所述机器人上楼梯的过程分为平地段和上楼梯段这两个阶段，其中，平地段即为从所述机器人看到第一级台阶上的标志物，至导航到楼梯前某一固定位置的阶段，而上楼梯段即为所述机器人按照一步一级台阶，左右脚交替上台阶，脚尖依次到达每级台阶中心的阶段。
图4所示为平地段在x方向和z方向上的示意图，图5所示为上楼梯段在x方向和z方向上的示意图。
其中，在x方向上，l1与l2这两段距离之和为所述视觉传感器测量所述标志物的距离，也即所述第一视觉测量信息在x方向上的分量，此处将其记为x_dis_from_vision，而l1这段距离为所述视觉传感器安装位置到支撑腿脚尖位置在x方向上的距离，此处将其记为x_cam2foot，则可以根据下式计算支撑腿到所述标志物在x方向上的距离：
x_dis＝x_dis_from_vision-x_cam2foot
其中，x_dis为支撑腿到所述标志物在x方向上的距离，也即所述第二视觉测量信息在x方向上的分量。
类似地，在z方向上，h3这段距离为所述视觉传感器测量所述标志物的高度，也即所述第一视觉测量信息在z方向上的分量，此处将其记为z_dis_from_vision，而h4这段距离为所述视觉传感器安装位置到支撑腿脚底位置在z方向上的距离，此处将其记为z_cam2foot，则可以根据下式计算支撑腿到所述标志物在z方向上的距离：
z_dis＝z_cam2foot-z_dis_from_vision
其中，z_dis为支撑腿到所述标志物在z方向上的距离，也即所述第二视觉测量信息在z方向上的分量。
图6所示为在y方向和偏航角(yaw)方向上的示意图，图中的黑点代表质心投影，白色小矩形代表两个脚的投影，黑条代表所述标志物。
其中，在y方向上，d6这段距离为质心在本体系下到左脚的距离，此处将其记为ly_com，d7这段距离为质心在本体系下到右脚的距离，此处将其记为ry_com，而d5这段距离为质心的偏移量，此处将其记为y_cam2foot，且满足：
y_cam2foot＝(ly_vision+ry_vision)/2
则可以根据下式计算支撑腿到所述标志物在y方向上的距离：
y_dis＝y_dis_from_vision-y_cam2foot
其中，y_dis_from_vision为所述第一视觉测量信息在y方向上的分量，y_dis为支撑腿到所述标志物在y方向上的距离，也即所述第二视觉测量信息在y方向上的分量。
在yaw方向上，由于yaw角是相对于世界系的，且yaw角偏转也是相对于世界系的，所以不用进行修正，故有：
yaw_dis＝yaw_dis_from_vision
其中，yaw_dis_from_vision为所述第一视觉测量信息在yaw方向上的分量，yaw_dis为质心与所述标志物垂线的夹角，也即所述第二视觉测量信息在yaw方向上的分量。
最终得到的所述标志物在所述步态参考系下的位姿信息，也即所述第二视觉测量信息(记为dis)即为：
dis＝(x_dis，y_dis，z_dis，yaw_dis)T
其中，T为转置符号。
步骤S103、根据所述第二视觉测量信息对所述机器人上楼梯的过程进行分阶段的步态规划。
其中，在平地段的步态规划可以包括如图7所示的过程：
步骤S701、确定所述机器人在平地段的第一修正位姿信息。
在本申请实施例中，可以将所述机器人在平地段的目标位姿信息，也即所述第一修正位姿信息记为mod，则有：
mod＝(x_set，0，z_set，0)T
其中，x_set为在x方向上，所述机器人支撑腿的脚尖到标志物的距离；z_set在z方向上，所述机器人支撑腿的脚尖到标志物的距离；所述机器人与所述标志物在y方向和在偏航角方向保持一致，偏置角度为0。
步骤S702、计算所述第二视觉测量信息与所述第一修正位姿信息之间的第一目标位姿。
具体地，可以根据下式计算所述第一目标位姿：
error＝dis-des
其中，error为所述第一目标位姿。
步骤S703、根据所述第一目标位姿进行平地段的步态规划。
具体地，可以根据下式在目标方向上进行平地段的步态规划：
Figure BDA0003035904630000081
其中，所述目标方向包括x方向、y方向、z方向和yaw方向，g0为在所述目标方向上预设的基准移动量，gdesdes为所述第一目标位姿desdes在所述目标方向上的分量，k为预设的调整系数，且k＝g0/threshold1，threshold1为预设的第一阈值，threshold2为预设的第二阈值，且threshold1＞threshold2，abs为绝对值函数，gvel为在所述目标方向上的移动量。从中可以看出，当误差在第一阈值之外时，进行粗定位，迅速进入threshold1之内，当误差在第一阈值之内时，进行精定位，直至进入允许误差threshold2之内，则定位成功。
图8所示即为平地段的步态规划的整体流程图，在机器人的行进过程中，判断其是否到达目标点(即楼梯前某一固定位置)，若尚未到达目标点，则判断其是否丢失了视觉信息，若丢失，则止步，若未丢失，则判断其是否进入精定位的范围，若已进入精定位的范围，则进行精定位，若尚未进入精定位的范围，则进行粗定位，直至其到达目标点之后，切换至上楼梯段的步态规划。
上楼梯段在y方向和yaw方向上的步态规划与图7所示的过程类似，首先确定所述机器人在上楼梯段的第二修正位姿信息，按照一步一级台阶，则每一步的目标即为：des＝(0，0，0，0)T，然后计算所述第二视觉测量信息与所述第二修正位姿信息之间的第二目标位姿，并根据所述第二目标位姿进行上楼梯段在y方向和偏航角方向上的步态规划。在本申请实施例中，可以将所述机器人在平地段的目标位姿信息，也即所述第一修正位姿信息记为mod，则有：
mod＝(x_set，0，z_set，0)T
其中，将所述第二修正位姿信息记为mod；x_set为在x方向上，所述机器人支撑腿的脚尖与下一阶楼梯的标志物的距离；z_set在z方向上，所述机器人支撑腿的脚尖与下一阶楼梯的标志物的距离；所述机器人与所述标志物在y方向和在偏航角方向保持一致，偏置角度为0。
但是上楼梯段在x方向和z方向上需要考虑到与台阶的几何约束，不能按照平地行走直接规划。摆动腿在整个摆动周期(记为T)不能与台阶的包络面有交叉，避免机器人在抬脚过程中被台阶绊倒。如图9所示，上楼梯段在x方向和z方向上的步态规划可以包括以下过程：
步骤S901、将所述机器人登上每一级台阶的过程划分为预设的各个步态阶段。
图10所示为楼梯的各个台阶的投影图，在本申请实施例中，可以将所述机器人登上每一级台阶的过程划分为三个步态阶段，如图所示，假设当前支撑腿在第二级台阶(即图中数字2所指示的台阶)处，摆动腿在第一级台阶(即图中数字1所指示的台阶)处，下一步摆动腿将从第一级台阶处迈步到第三级台阶(即图中数字3所指示的台阶)处，则第一阶段为摆动腿开始运动(记为0时刻)至跨越第一级台阶(记为t1时刻)的阶段，第二阶段为摆动腿跨越第一级台阶至跨越第二级台阶(记为t2时刻)的阶段，第三阶段为摆动腿跨越第二级台阶至落在第三级台阶(记为T时刻)的阶段。
步骤S902、确定所述机器人的摆动腿在各个步态阶段的初始时刻的初始状态，以及在各个步态阶段的终止时刻的期望状态。
所述初始状态和所述期望状态均包括在x方向和z方向上的位置。
具体地，在第一阶段(0～t1)，将x方向上的初始位置设置为0，将z方向上的初始位置设置为0，即：x(0)＝0，z(0)＝0，将x方向上的终止位置设置为x_offset，将z方向上的终止位置设置为大于z_dis_old的值，即：x(t1)＝x_offset，z(t1)＞z_dis_old，即在跨越第一级台阶时，摆动腿高度高于第一级台阶高度，其中，x_offset为所述标志物到台阶前沿在x方向上的距离，z_dis_old为上一次的第二视觉测量信息在z方向上的分量；
在第二阶段(t1～t2)，将x方向上的初始位置设置为x_offset，将z方向上的初始位置设置为z_dis_old，即：x(t1)＝x_offset，z(t1)＞z_dis_old，将x方向上的终止位置设置为x_dis_old与x_offset之和，将z方向上的终止位置设置为大于z_dis_old与z_dis_new之和的值，即：x(t2)＝x_dis_old+x_offset，z(t2)＞z_dis_old+z_dis_new，即在跨越第二级台阶时，摆动腿高度高于第二级台阶高度，其中，x_dis_old为上一次的第二视觉测量信息在x方向上的分量，z_dis_new为当前的第二视觉测量信息在z方向上的分量；
在第三阶段(t2～T)，将x方向上的初始位置设置为x_dis_old与x_offset之和，将z方向上的初始位置设置为大于z_dis_old与z_dis_new之和的值，即：x(t2)＝x_dis_old+x_offset，z(t2)＞z_dis_old+z_dis_new，将x方向上的终止位置设置为x_dis_old与x_dis_new之和，将z方向上的终止位置设置为z_dis_old与z_dis_new之和，即：x(T)＝x_dis_old+x_dis_new，z(T)＝z_dis_old+z_dis_new，即在摆动期结束，摆动腿正好落在第三级台阶的标志物处，其中，x_dis_new为当前的第二视觉测量信息在x方向上的分量。
容易理解地，以上过程仅为所述机器人登上某一级台阶的过程，其登上其它台阶的过程与之类似，此处不再赘述。但需要注意的是，登前一级台阶时的x_dis_new将会成为登后一级台阶时的x_dis_old，登前一级台阶时的z_dis_new将会成为登后一级台阶时的z_dis_old，而登后一级台阶时的x_dis_new和z_dis_new则可以从当时更新的第二视觉测量信息中提取。
步骤S903、根据所述初始状态和所述期望状态进行曲线拟合，得到上楼梯段在x方向和z方向上的步态规划。
在具体的规划过程中，针对各个步态阶段，可以通过曲线拟合确定一条从初始状态过渡到期望状态的光滑运动曲线，从而得到上楼梯段在x方向和z方向上的步态规划。这一运动曲线包括但不限于三次多项式曲线、S型曲线、三次样条曲线、三次Hermite曲线以及贝塞尔曲线等。
需要注意的是，以上的步态规划过程是以实时的视觉测量信息为依据进行的，即这是一个在线规划的过程，如果在上楼梯段的过程中发生视觉测量信息丢失的情况，此时，可以将步态规划切换到离线规划，即按照离线测量的台阶宽度和高度信息进行上楼梯段的步态规划。特殊地，如果视觉测量信息与离线测量的信息相差过大，则认为视觉信息丢失或者异常，则采用离线规划。
图11所示即为上楼梯段的步态规划的整体流程图，在机器人的行进过程中，判断其是否完成上楼梯的任务，若尚未完成，则判定是否发生视觉信息丢失或者异常，若未发生视觉信息丢失或者异常，则进行在线规划，若发生视觉信息丢失或者异常，则进行离线规划；然后确定摆动腿约束以及摆动腿轨迹，控制机器人前进一级台阶，重复以上过程，直至完成上楼梯的任务后止步。
综上所述，本申请实施例通过机器人的视觉传感器获取第一视觉测量信息，所述第一视觉测量信息为楼梯台阶上预设的标志物在所述机器人的本体系下的位姿信息；对所述第一视觉测量信息进行修正，得到第二视觉测量信息，所述第二视觉测量信息为所述标志物在所述机器人的步态参考系下的位姿信息；根据所述第二视觉测量信息对所述机器人上楼梯的过程进行分阶段的步态规划。通过本申请实施例，预先在楼梯台阶上设置标志物，为机器人上楼梯时的步态规划提供了可靠的参照标准，在上楼梯时，可以通过视觉传感器获取标志物在本体系下的位姿信息，也即所述第一视觉测量信息，并将其转换到步态参考系下，得到所述第二视觉测量信息，以此视觉测量信息作为基准，即可对所述机器人上楼梯的过程进行分阶段的步态规划，极大提升了机器人在复杂的上楼梯场景中的适应能力。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
对应于上文实施例所述的一种上楼梯的步态规划方法，图12示出了本申请实施例提供的一种上楼梯的步态规划装置的一个实施例结构图。
本实施例中，一种上楼梯的步态规划装置可以包括：
视觉信息获取模块1201，用于通过机器人的视觉传感器获取第一视觉测量信息，所述第一视觉测量信息为楼梯台阶上预设的标志物在所述机器人的本体系下的位姿信息；
视觉信息修正模块1202，用于对所述第一视觉测量信息进行修正，得到第二视觉测量信息，所述第二视觉测量信息为所述标志物在所述机器人的步态参考系下的位姿信息；
步态规划模块1203，用于根据所述第二视觉测量信息对所述机器人上楼梯的过程进行分阶段的步态规划。
进一步地，步态规划模块可以包括：
第一修正位姿信息确定单元，用于确定所述机器人在平地段的第一修正位姿信息；
第一目标位姿计算单元，用于计算所述第二视觉测量信息与所述第一修正位姿信息之间的第一目标位姿；
平地段规划单元，用于根据所述第一目标位姿进行平地段的步态规划。
进一步地，所述平地段规划单元具体用于根据下式在目标方向上进行平地段的步态规划：
Figure BDA0003035904630000131
其中，所述目标方向包括x方向、y方向、z方向和偏航角方向，g0为在所述目标方向上预设的基准移动量，gdes为所述第一目标位姿在所述目标方向上的分量，k为预设的调整系数，threshold1为预设的第一阈值，threshold2为预设的第二阈值，且threshold1＞threshold2，abs为绝对值函数，gvel为在所述目标方向上的移动量。
进一步地，步态规划模块还可以包括：
第二修正位姿信息确定单元，用于确定所述机器人在上楼梯段的第二修正位姿信息；
第二目标位姿计算单元，用于计算所述第二视觉测量信息与所述第二修正位姿信息之间的第二目标位姿；
上楼梯段规划单元，用于根据所述第二目标位姿进行上楼梯段在y方向和偏航角方向上的步态规划。
进一步地，步态规划模块还可以包括：
步态阶段划分单元，用于将所述机器人登上每一级台阶的过程划分为预设的各个步态阶段；
状态确定单元，用于确定所述机器人的摆动腿在各个步态阶段的初始时刻的初始状态，以及在各个步态阶段的终止时刻的期望状态，所述初始状态和所述期望状态均包括在x方向和z方向上的位置；
曲线拟合单元，用于根据所述初始状态和所述期望状态进行曲线拟合，得到上楼梯段在x方向和z方向上的步态规划。
进一步地，所述状态确定单元可以包括：
第一子单元，用于在预设的第一阶段，将x方向上的初始位置设置为0，将z方向上的初始位置设置为0，将x方向上的终止位置设置为x_offset，将z方向上的终止位置设置为大于z_dis_old的值；其中，x_offset为所述标志物到台阶前沿在x方向上的距离，z_dis_old为上一次的第二视觉测量信息在z方向上的分量；
第二子单元，用于在预设的第二阶段，将x方向上的初始位置设置为x_offset，将z方向上的初始位置设置为z_dis_old，将x方向上的终止位置设置为x_dis_old与x_offset之和，将z方向上的终止位置设置为大于z_dis_old与z_dis_new之和的值；其中，x_dis_old为上一次的第二视觉测量信息在x方向上的分量，z_dis_new为当前的第二视觉测量信息在z方向上的分量；
第三子单元，用于在预设的第三阶段，将x方向上的初始位置设置为x_dis_old与x_offset之和，将z方向上的初始位置设置为大于z_dis_old与z_dis_new之和的值，将x方向上的终止位置设置为x_dis_old与x_dis_new之和，将z方向上的终止位置设置为z_dis_old与z_dis_new之和；其中，x_dis_new为当前的第二视觉测量信息在x方向上的分量。
进一步地，所述视觉信息修正模块具体用于根据下式对所述第一视觉测量信息进行修正：
x_dis＝x_dis_from_vision-x_cam2foot
z_dis＝z_cam2foot-z_dis_from_vision
y_dis＝y_dis_from_vision-y_cam2foot
yaw_dis＝yaw_dis_from_vision
其中，x_dis_from_vision为所述第一视觉测量信息在x方向上的分量，y_dis_from_vision为所述第一视觉测量信息在y方向上的分量，z_dis_from_vision为所述第一视觉测量信息在z方向上的分量，yaw_dis_from_vision为所述第一视觉测量信息在偏航角方向上的分量，x_dis为所述第二视觉测量信息在x方向上的分量，y_dis为所述第二视觉测量信息在y方向上的分量，z_dis为所述第二视觉测量信息在z方向上的分量，yaw_dis为所述第二视觉测量信息在偏航角方向上的分量，x_cam2foot为所述视觉传感器安装位置到支撑腿脚尖位置在x方向上的距离，y_cam2foot为所述机器人的质心的偏移量，z_cam2foot所述视觉传感器安装位置到支撑腿脚底位置在z方向上的距离。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置，模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
图13示出了本申请实施例提供的一种机器人的示意框图，为了便于说明，仅示出了与本申请实施例相关的部分。
如图13所示，该实施例的机器人13包括：处理器130、存储器131以及存储在所述存储器131中并可在所述处理器130上运行的计算机程序132。所述处理器130执行所述计算机程序132时实现上述各个上楼梯的步态规划方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S101至步骤S103。或者，所述处理器130执行所述计算机程序132时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图12所示模块1201至模块1203的功能。
示例性的，所述计算机程序132可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器131中，并由所述处理器130执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序132在所述机器人13中的执行过程。
本领域技术人员可以理解，图13仅仅是机器人13的示例，并不构成对机器人13的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述机器人13还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所述处理器130可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其它通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其它可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器131可以是所述机器人13的内部存储单元，例如机器人13的硬盘或内存。所述存储器131也可以是所述机器人13的外部存储设备，例如所述机器人13上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器131还可以既包括所述机器人13的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器131用于存储所述计算机程序以及所述机器人13所需的其它程序和数据。所述存储器131还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/机器人和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/机器人实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种上楼梯的步态规划方法，其特征在于，包括：
通过机器人的视觉传感器获取第一视觉测量信息，所述第一视觉测量信息为楼梯台阶上预设的标志物在所述机器人的本体系下的位姿信息；
对所述第一视觉测量信息进行转换，得到第二视觉测量信息，所述第二视觉测量信息为所述标志物在所述机器人的步态参考系下的位姿信息；
根据所述第二视觉测量信息对所述机器人上楼梯的过程进行分阶段的步态规划。
2.根据权利要求1所述的上楼梯的步态规划方法，其特征在于，所述根据所述第二视觉测量信息对所述机器人上楼梯的过程进行分阶段的步态规划包括：
确定所述机器人在平地段的第一修正位姿信息；
计算所述第二视觉测量信息与所述第一修正位姿信息之间的第一目标位姿；
根据所述第一目标位姿进行平地段的步态规划。
3.根据权利要求2所述的上楼梯的步态规划方法，其特征在于，所述根据所述第一目标位姿进行平地段的步态规划包括：
根据下式在前向、侧向、纵向和偏转四个目标方向分别进行平地段的步态规划：
Figure FDA0003035904620000011
其中，所述g0为在所述目标方向上预设的基准移动量，gdes为所述第一目标位姿在所述目标方向上的分量，k为预设的调整系数，threshold1为预设的第一阈值，threshold2为预设的第二阈值，且threshold1>threshold2，abs为绝对值函数，gvel为在所述目标方向上的移动量。
4.根据权利要求1所述的上楼梯的步态规划方法，其特征在于，所述根据所述第二视觉测量信息对所述机器人上楼梯的过程进行分阶段的步态规划包括：
确定所述机器人在上楼梯段的第二修正位姿信息；
计算所述第二视觉测量信息与所述第二修正位姿信息之间的第二目标位姿；
根据所述第二目标位姿进行上楼梯段在x方向、y方向、z方向和偏航角方向上的步态规划。
5.根据权利要求4所述的上楼梯的步态规划方法，其特征在于，所述上楼梯阶段在y方向和偏航角方向上的步态规划的公式基于如下：
Figure FDA0003035904620000021
6.根据权利要求4所述的上楼梯的步态规划方法，其特征在于，还包括：
将所述机器人登上每一级台阶的过程划分为预设的各个步态阶段；
确定所述机器人的摆动腿在各个步态阶段的初始时刻的初始状态，以及在各个步态阶段的终止时刻的期望状态，所述初始状态和所述期望状态均包括在x方向和z方向上的位置；
根据所述初始状态和所述期望状态进行曲线拟合，得到上楼梯段在x方向和z方向上的步态规划。
7.根据权利要求6所述的上楼梯的步态规划方法，其特征在于，确定所述机器人的摆动腿在各个步态阶段的初始时刻的初始状态，以及在各个步态阶段的终止时刻的期望状态包括：
在预设的第一阶段，将x方向上的初始位置设置为0，将z方向上的初始位置设置为0，将x方向上的终止位置设置为x_offset，将z方向上的终止位置设置为大于z_dis_old的值；其中，x_offset为所述机器人支撑腿脚尖到下一台阶前沿在x方向上的距离，z_dis_old为上一次的第二视觉测量信息在z方向上的分量；
在预设的第二阶段，将x方向上的初始位置设置为x_offset，将z方向上的初始位置设置为预设的第一阶段的终止值，将x方向上的终止位置设置为x_dis_old与x_offset之和，将z方向上的终止位置设置为大于z_dis_old与z_dis_new之和的值；其中，x_dis_old为上一次的第二视觉测量信息在x方向上的分量，z_dis_new为当前的第二视觉测量信息在z方向上的分量；
在预设的第三阶段，设置x方向上初始位置为预设的第二阶段的终止位置，设置z方向上的初始位置为预设第二阶段的终止位置，将x方向上的终止位置设置为x_dis_old与x_dis_new之和，将z方向上的终止位置设置为z_dis_old与z_dis_new之和；其中，x_dis_new为当前的第二视觉测量信息在x方向上的分量。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的上楼梯的步态规划方法，其特征在于，所述对所述第一视觉测量信息进行转换包括：
根据下式对所述第一视觉测量信息进行转换：
x_dis＝x_dis_from_vision–x_cam2foot
z_dis＝z_cam2foot–z_dis_from_vision
y_dis＝y_dis_from_vision–y_cam2foot
yaw_dis＝yaw_dis_from_vision
其中，x_dis_from_vision为所述第一视觉测量信息在x方向上的分量，y_dis_from_vision为所述第一视觉测量信息在y方向上的分量，z_dis_from_vision为所述第一视觉测量信息在z方向上的分量，yaw_dis_from_vision为所述第一视觉测量信息在偏航角方向上的分量，x_dis为所述第二视觉测量信息在x方向上的分量，y_dis为所述第二视觉测量信息在y方向上的分量，z_dis为所述第二视觉测量信息在z方向上的分量，yaw_dis为所述第二视觉测量信息在偏航角方向上的分量，x_cam2foot为所述视觉传感器安装位置到支撑腿脚尖位置在x方向上的距离，y_cam2foot为所述机器人的质心的偏移量，z_cam2foot所述视觉传感器安装位置到支撑腿脚底位置在z方向上的距离。
9.根据权利要求2所述的上楼梯的步态规划方法，其特征在于，根据如下公式确定所述机器人在平地段的第一修正位姿信息：
mod＝(x_set,0,z_set,0)T
其中，将所述第一修正位姿信息记为mod；x_set为在x方向上，所述机器人支撑腿的脚尖到标志物的距离；z_set在z方向上，所述机器人支撑腿的脚尖到标志物的距离；所述机器人与所述标志物在y方向和在偏航角方向保持一致，偏置角度为0。
10.根据权利要求4所述的上楼梯的步态规划方法，其特征在于，根据如下公式确定所述机器人在上楼梯段的第二修正位姿信息：
mod＝(x_set,0,z_set,0)T
其中，将所述第二修正位姿信息记为mod；x_set为在x方向上，所述机器人支撑腿的脚尖与下一阶楼梯的标志物的距离；z_set在z方向上，所述机器人支撑腿的脚尖与下一阶楼梯的标志物的距离；所述机器人与所述标志物在y方向和在偏航角方向保持一致，偏置角度为0。
11.一种上楼梯的步态规划装置，其特征在于，包括：
视觉信息获取模块，用于通过机器人的视觉传感器获取第一视觉测量信息，所述第一视觉测量信息为楼梯台阶上预设的标志物在所述机器人的本体系下的位姿信息；
视觉信息转换模块，用于对所述第一视觉测量信息进行转换，得到第二视觉测量信息，所述第二视觉测量信息为所述标志物在所述机器人的步态参考系下的位姿信息；
步态规划模块，用于根据所述第二视觉测量信息对所述机器人上楼梯的过程进行分阶段的步态规划。
12.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至10中任一项所述的上楼梯的步态规划方法的步骤。
13.一种机器人，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至10中任一项所述的上楼梯的步态规划方法的步骤。
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