CN114137962A - 一种基于四足机器人的爬梯方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于四足机器人的爬梯方法及系统，所述基于四足机器人的爬梯方法及系统，四足机器人包括四足机器人本体、SLAM导航定位模块、视觉标记定位模块和楼梯攀爬模块，四足机器人本体上设有深度相机，楼梯攀爬模块由探索单元、攀爬单元、对齐单元和平台转向单元组成，爬梯方法包括：S1、创建楼梯平台标记字典；S2、制定多楼层巡检路线；S3、探索模块探索第一阶楼梯，识别并导航至上下楼梯点；S4、攀爬模块和对齐模块同步工作，进行楼梯攀爬；S5、当机器人攀爬至楼梯平台层，平台转向模块控制机器人运动，探索模块探索第二阶楼梯，识别上下楼梯点，切换步骤S4开始攀爬。本申请实现了四足机器人在高层建筑中多层切换式巡检，提高工作效率。

Description

一种基于四足机器人的爬梯方法及系统

【技术领域】

本申请涉及四足机器人技术领域，尤其涉及一种基于四足机器人的爬梯方法及系统。

【背景技术】

四足机器人和轮式机器人、履带式机器人相较而言，最大的优势在于可全地形移动，几乎可以适应各种复杂地形，能够跨越障碍。随着城市化进程的不断加速，高层建筑以及多层厂房越来越多，为了让机器人能够处理这类室内环境的巡检任务，爬梯将是四足机器人面临的典型复杂地形之一，具备自主上下楼梯的能力将作为巡检机器人的关键能力之一，目前国内自主上下楼梯的四足机器人控制方法和系统较少。

【发明内容】

本申请的目的在于提供一种基于四足机器人的爬梯方法及系统，能够实现四足机器人在高层建筑中多层切换式巡检，提高工作效率。

本申请是通过以下技术方案实现的：

一种基于四足机器人的爬梯方法，四足机器人包括四足机器人本体、SLAM导航定位模块、视觉标记定位模块以及楼梯攀爬模块，所述四足机器人本体上设有深度相机，所述楼梯攀爬模块由探索单元、攀爬单元、对齐单元和平台转向单元组成，所述爬梯方法包括以下步骤：

S1、创建楼梯平台标记字典，逐个生成定位标记图像，形成多个定位信标，同时标定深度相机内参；

S2、制定多楼层巡检路线，在楼梯平台层之间的上下楼梯口处添加上下楼梯点；

S3、探索模块通过SLAM导航定位模块开展探索第一阶楼梯，识别到上下楼梯点时，导航机器人本体至上下楼梯点；

S4、攀爬模块和对齐模块同步工作，在四足机器人进行楼梯攀爬过程中实时校准攀爬前进方向；

S5、当四足机器人攀爬至楼梯平台层，通过深度相机检测定位信标，平台转向模块控制机器人本体的整体转向角度及位移运动，探索模块同步开展探索第二阶楼梯，识别到上下楼梯点时，切换步骤S4开始攀爬。

如上所述的一种基于四足机器人的爬梯方法，步骤S1中，逐个生成的定位标记图像，设置于相应各个楼梯平台层处。

如上所述的一种基于四足机器人的爬梯方法，步骤S1中，定位标记的图像按照200*200的像素打印并张贴在楼梯平台层中心。

如上所述的一种基于四足机器人的爬梯方法，步骤S2中，制定多楼层巡检路线，在各楼梯平台层之间的上下楼梯口处添加上下楼梯点，并对点位属性定位和属性配置。

如上所述的一种基于四足机器人的爬梯方法，步骤S3中，SLAM导航定位模块中的SLAM定位导航算法对实时激光雷达点云匹配，导航四足机器人本体至上下楼梯点。

如上所述的一种基于四足机器人的爬梯方法，步骤S4中，通过深度相机对楼梯水平边缘进行识别和去噪，通过当前的航向角和识别的楼梯水平线之间的夹角，对齐模块实时校准前进方向。

如上所述的一种基于四足机器人的爬梯方法，步骤S4中，攀爬模块根据四足机器人足端传感器的受力监测进行运动控制，保持机器人本体动作协调和本体平衡。

如上所述的一种基于四足机器人的爬梯方法，步骤S5中，还包括单层模式的切换，若已到达制定的多楼层巡检路线的最高层或最底层时，切换为单层模式，结束攀爬过程。

本申请还公开了一种基于四足机器人的爬梯系统，包括：

四足机器人本体，其上设有深度相机，用于执行多楼层巡检任务；

SLAM导航定位模块，用于导航四足机器人执行多楼层巡检任务；

视觉标记定位模块，用于在多楼层巡检路线中标记多个路线定位点，并与SLAM导航定位模块配合准确导航四足机器人；

楼梯攀爬模块，用于控制四足机器人在多楼层巡检路线中各楼梯平台层之间进行攀爬。

如上所述的一种基于四足机器人的爬梯系统，所述楼梯攀爬模块包括有：

探索模块，用于开展楼梯平台层的探索，识别上下楼梯点；

攀爬模块，用于控制四足机器人进行攀爬；

对齐模块，与攀爬模块同步工作，用于在四足机器人攀爬过程中实时校准攀爬前进方向；

平台转向模块，当四足机器人攀爬至楼梯平台层后，用于控制四足机器人整体转向角度及位移运动。

与现有技术相比，本申请有如下优点：与现有技术相比，本申请通过攀爬方法以及应用于该攀爬方法的攀爬系统，可制定多楼层切换的巡检任务，四足机器人通过SLAM导航定位模块和视觉标记定位模块导航多楼层巡检路线，通过楼梯攀爬模块进行楼梯上下攀爬，实现了四足机器人在高层建筑中多层切换式巡检，提高工作效率。

【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他的附图。

图1为本申请实施例爬梯系统的模块结构图。

图2为本申请实施例爬梯方法的步骤流程图。

图3为本申请实施例楼梯攀爬模块的模块结构图。

【具体实施方式】

为了使本申请所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

如图1至图3所示，本申请实施例提出一种基于四足机器人的爬梯方法，包括四足机器人本体、SLAM导航定位模块、视觉标记定位模块以及楼梯攀爬模块，所述四足机器人本体上设有深度相机，所述楼梯攀爬模块由探索模块、攀爬模块、对齐模块和平台转向模块组成，所述爬梯方法包括以下步骤：

S1、创建楼梯平台标记字典，逐个生成定位标记图像，形成多个定位信标，同时标定深度相机内参；

S2、制定多楼层巡检路线，在各楼梯平台层之间的上下楼梯口处添加上下楼梯点；

S3、探索模块通过SLAM导航定位模块开展探索第一阶楼梯，识别到上下楼梯点时，导航机器人本体至上下楼梯点；

S4、攀爬模块和对齐模块同步工作，在四足机器人进行楼梯攀爬过程中实时校准攀爬前进方向；

S5、当四足机器人攀爬至楼梯平台层，通过深度相机检测定位信标，平台转向模块控制机器人本体的整体转向角度及位移运动，探索模块同步开展探索第二阶楼梯，识别到上下楼梯点时，切换步骤S4开始攀爬。

进一步地，步骤S1中，逐个生成的定位标记图像，设置于相应各个楼梯平台层处。该图像标记可以为纸质图纸、电子图纸或信号标记等。具体地，本实施例中定位标记的图像按照200*200的像素打印并张贴在楼梯平台层中心。

深度相机的标定，是从世界坐标系换到图像坐标系的过程，也就是求最终的投影矩阵的过程，标定的过程分为两个部分：第一步是从世界坐标系转为相机坐标系，这一步是三维点到三维点的转换，包括R，t(相机外参，确定了相机在某个三维空间中的位置和朝向)等参数；第二部是从相机坐标系转为成像平面坐标系(像素坐标系)，这一步是三维点到二维点的转换，包括K(相机内参,是对相机物理特性的近似)等参数；投影矩阵：P＝K[R|t]是一个3×4矩阵，混合了内参和外参而成。

进一步地，步骤S2中，制定多楼层巡检路线，在楼梯平台层之间的上下楼梯处添加上下楼梯点，并对点位属性定位和属性配置。当连通楼层之间的楼梯为缓慢上升的直线楼梯(没有转弯处)时，每一层楼层均为楼梯平台层，巡检开始的楼层与下一楼层之间的楼梯为第一阶楼梯，下一楼层与再下一楼层为第二阶楼梯，以此设定所有楼梯；当连通楼层之间的楼梯存在转弯处时，每一个楼梯转弯处的平台层以及每一楼层均为楼梯平台层，巡检开始的楼层与下一楼梯转弯处的平台层之间的楼梯为第一阶楼梯，楼梯转弯处的平台层与下一楼层之间的楼梯为第二阶楼梯，以此设定所有楼梯。当机器人巡检线路中不存在上下楼梯点位时，机器人在平台层内自动执行巡检任务，不进行攀爬过程。

进一步地，步骤S3中，SLAM导航定位模块中的SLAM定位导航算法对实时激光雷达点云匹配，导航机器人本体至上下楼梯点。

步骤S4中，通过深度相机对楼梯水平边缘进行识别和去噪，对齐模块通过当前的航向角和识别的楼梯水平线之间的夹角，实时校准前进方向，当出现偏差时，控制四足机器人往相反方向进行修正移动，攀爬模块根据四足机器人足端传感器的受力监测进行运动控制，保持机器人本体动作协调和本体平衡。

步骤S5中，还包括单层模式的切换，若已到达制定的多楼层巡检路线的最高层或最底层时，切换为单层模式，结束攀爬过程。

进一步地，本申请还公开了一种基于四足机器人的爬梯系统，包括：

四足机器人本体，其上设有深度相机，用于执行多楼层巡检任务；

SLAM导航定位模块，用于导航四足机器人执行多楼层巡检任务；

视觉标记定位模块，用于在多楼层巡检路线中标记多个路线定位点，并与SLAM导航定位模块配合准确导航四足机器人；

楼梯攀爬模块，用于控制四足机器人在多楼层巡检路线中各楼梯平台层之间进行攀爬。

所述楼梯攀爬模块包括有：

探索模块，用于开展楼梯平台层的探索，识别上下楼梯点；

攀爬模块，用于控制四足机器人进行攀爬；

对齐模块，与攀爬模块同步工作，用于在四足机器人攀爬过程中实时校准攀爬前进方向；

平台转向模块，当四足机器人攀爬至楼梯平台层后，用于控制四足机器人整体转向角度及位移运动。

为更好地理解本实施例的技术方案，其工作原理阐述如下：

首先，对需要巡检的楼层创建该楼层的楼梯平台标记字典，逐个生成定位标记图像，按照200*200的像素打印，并张贴在各个楼梯平台层的中心点处，同时标定深度相机内参。

在制定机器人多楼层巡检路线时，在相应楼梯平台层之间的上下楼梯口处添加上下楼梯点位，并对点位属性定位和属性配置，探索模块通过SLAM定位导航算法对实时激光雷达点云匹配，将机器人导航至上下楼梯点位处，攀爬模块和对齐模块同步工作，通过深度相机对楼梯水平边缘进行识别和去噪，对齐模块通过当前的航向角和识别的楼梯水平线之间的夹角，实时校准前进方向。攀爬模块根据机器人本体足端传感器的受力监测进行运动控制，保持机器人本体动作协调和本体平衡，直至完成楼梯攀爬过程。

当机器人本体攀爬至楼梯平台层，若还未到达制定机器人多楼层巡检路线的最高层或最底层时，通过深度相机检测定位信标，平台转向模块控制机器人的整体转向角度，以及位移运动，探索模块同步开展探索第二阶楼梯，识别到上下楼梯点时，开始新一轮楼梯攀爬，直至攀爬到巡检路线的最高层或最底层。若已到达制定机器人多楼层巡检路线的最高层或最底层时，切换为单层模式，结束攀爬过程，执行巡检任务。

应当理解的是，本申请中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。此外，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

如上所述是结合具体内容提供的一种或多种实施方式，并不认定本申请的具体实施只局限于这些说明。凡与本申请的方法、结构等近似、雷同，或是对于本申请构思前提下做出若干技术推演，或替换都应当视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于四足机器人的爬梯方法，其特征在于，四足机器人包括四足机器人本体、SLAM导航定位模块、视觉标记定位模块以及楼梯攀爬模块，所述四足机器人本体上设有深度相机，所述楼梯攀爬模块包括有探索模块、攀爬模块、对齐模块和平台转向模块，

所述爬梯方法包括以下步骤：

S1、创建楼梯平台标记字典，逐个生成定位标记图像，形成多个定位信标，同时标定深度相机内参；

S2、制定多楼层巡检路线，在各楼梯平台层之间的上下楼梯口处添加上下楼梯点；

S3、探索模块通过SLAM导航定位模块开展探索第一阶楼梯，识别到上下楼梯点时，导航机器人本体至上下楼梯点；

S4、攀爬模块和对齐模块同步工作，在四足机器人进行楼梯攀爬过程中实时校准攀爬前进方向；

S5、当四足机器人攀爬至楼梯平台层，通过深度相机检测定位信标，平台转向模块控制机器人本体的整体转向角度及位移运动，探索模块同步开展探索第二阶楼梯，识别到上下楼梯点时，切换步骤S4开始攀爬。

2.根据权利要求1所述的一种基于四足机器人的爬梯方法，其特征在于，步骤S1中，逐个生成的定位标记图像，设置于相应各个楼梯平台层处。

3.根据权利要求2所述的一种基于四足机器人的爬梯方法，其特征在于，步骤S1中，定位标记的图像按照200*200的像素打印并张贴在楼梯平台层中心。

4.根据权利要求1所述的一种基于四足机器人的爬梯方法，其特征在于，步骤S2中，制定多楼层巡检路线，在各楼梯平台层之间的上下楼梯口处添加上下楼梯点，并对点位属性定位和属性配置。

5.根据权利要求1所述的一种基于四足机器人的爬梯方法，其特征在于，步骤S3中，SLAM导航定位模块中的SLAM定位导航算法对实时激光雷达点云匹配，导航四足机器人至上下楼梯点。

6.根据权利要求1所述的一种基于四足机器人的爬梯方法，其特征在于，步骤S4中，通过深度相机对楼梯水平边缘进行识别和去噪，对齐模块通过当前的航向角和识别的楼梯水平线之间的夹角，实时校准前进方向。

7.根据权利要求1所述的一种基于四足机器人的爬梯方法，其特征在于，步骤S4中，攀爬模块根据四足机器人足端传感器的受力监测进行运动控制，保持四足机器人动作协调和本体平衡。

8.根据权利要求1所述的一种基于四足机器人的爬梯方法，其特征在于，步骤S5中，还包括单层模式的切换，若已到达制定的多楼层巡检路线的最高层或最底层时，切换为单层模式，结束攀爬过程。

9.一种基于四足机器人的爬梯系统，其特征在于，包括：

四足机器人本体，其上设有深度相机，用于执行多楼层巡检任务；

SLAM导航定位模块，用于导航四足机器人执行多楼层巡检任务；

视觉标记定位模块，用于在多楼层巡检路线中标记多个路线定位点，并与SLAM导航定位模块配合准确导航四足机器人；

楼梯攀爬模块，用于控制四足机器人在多楼层巡检路线中各楼梯平台层之间进行攀爬。

10.根据权利要求9所述的一种基于四足机器人的爬梯系统，其特征在于，所述楼梯攀爬模块包括有：

探索模块，用于开展楼梯平台层的探索，识别上下楼梯点；

攀爬模块，用于控制四足机器人进行攀爬；

对齐模块，与攀爬模块同步工作，用于在四足机器人攀爬过程中实时校准攀爬前进方向；

平台转向模块，当四足机器人攀爬至楼梯平台层后，用于控制四足机器人整体转向角度及位移运动。

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