CN114474066A - 一种智能人形机器人控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种智能人形机器人控制系统和方法，包括有获取人体的姿态图片，识别姿态图片并生成包含人体各关节之间的夹角数据的最终姿态参数；获取当前姿态姿态参数，计算出机器人从当前肢体动作变化到最终肢体动作，计算出机器人各关节电机的角度差数据和转动方向；包括有用于控制机器人平稳姿态变换的姿态过渡策略，姿态过渡策略获取角度差数据，生成用于控制机器人各肢体转动角度和转动速度的控制指令，机器人按照控制指令控制机器人的关节电机按对应的转动方向转动，完成动作的转换。本发明可可使机器人单脚站立时，快速高效的控制机器人进行动作变换，同时还能保证机器人平稳性动作，降低机器人的摔倒概率。

Description

一种智能人形机器人控制系统和方法

技术领域

本发明涉及人形机器人动作跟随技术领域，具体涉及一种智能人形机器人控制系统和方法。

背景技术

随着机器人技术的应用和发展，机器人逐渐从工业领域向服务、娱乐、教育等领域渗透，仿人机器人为娱乐和教育的主要研究方向。仿人机器人的动作通常通过编程控制，或通过对人体姿态识别，然后自动跟随动作。本申请中使用open-pose算法识别人体姿态，open-pose算法为现有技术，算法说明网页为：https://www.jianshu.com/p/98c11545d4fb。

当机器人两只脚与底面接触时，脚底支撑面积大，平稳性高，因此机器人在变换动作过程中不易摔倒，当机器人只有一只脚支撑底面，并进行姿态变化时，因为机器人的受力面积小，极易出现重心不稳的情况，导致机器人摔倒，进而出现零件损坏的情况。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的问题是提供一种智能人形机器人控制系统和方法，当机器人单脚站立时，可快速高效的控制机器人进行动作变换，同时保证机器人平稳性动作，降低机器人的摔倒概率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种智能人形机器人控制系统和方法，包括有获取人体的姿态图片，识别姿态图片并生成包含人体各关节之间的夹角数据的最终姿态参数；

获取当前姿态姿态参数，计算出机器人从当前肢体动作变化到最终肢体动作，计算出机器人各关节电机的角度差数据和转动方向；

包括有用于控制机器人平稳姿态变换的姿态过渡策略，姿态过渡策略获取角度差数据，生成用于控制机器人各肢体转动角度和转动速度的控制指令，机器人按照控制指令控制机器人的关节电机按对应的转动方向转动，完成动作的转换。

进一步的，所述姿态过渡策略包括有若干姿态参数组，所述姿态参数组包括有单肢体转动数据组、双肢体转动数据组和三肢体转动数据组，所述单肢体转动数据组包括有若干第N单转动速度和其对应的第N单转角，所述第N单转角为机器人单个肢体按第N单转动速度整体进行摆动时，能够平稳转动的最大转动角度；

所述转动速度由大到小依次为第一单转动速度，第二单转动速度…第N单转动速度。

进一步的，所述第N单转角的获取方法为：机器人一个肢体以第N单转动速度转动，获取机器人脚底的不同位置处的受力值，通过受力值和肢体转动角度分别计算出机器人的零力矩点移动路径和重心移动路径，获取零力矩点偏移重心设定阀值处的转动角度，定义为第N单转角。

进一步的，所述双肢体转动数据组为两个肢体同时转动时，所包括的若干第N双转动速度和对应的第N双转角；所述三肢体转动数据组为三个肢体同时转动时，所述包括的若干的第N三转动速度和对应的第N三转角；

所述第N三转角和第N双转角的获取方法与第N单转角的获取方法相同。

进一步的，获取所述第N单转角、第N双转角和第N三转角时，所述肢体均需要以水平姿态为起始姿态开始转动，所述肢体不需要转动时，保持水平姿态。

进一步的，所述机器人包括有机体，所述机体分别与手臂、腿部和头部活动连接，不同的所述姿态参数组对应机体与支撑站立的腿部之间的不同夹角范围。

进一步的，所述机器人包括有腿部的五个自由度、手部的三个自由度和头部的一个自由度，所述腿部包括有腿部整体前后、左右转动，脚裸前后、左右转动和膝盖弯曲五个自由度，所述手部包括有手臂前后、左右转动和手臂弯曲三个自由度，所述头部有左右转动一个自由度，所述每个自由端均由一个关节电机控制；

所述最终姿态参数包括有各关节电机对应的相对于零位置的转动夹角。

进一步的，所述机器人双腿竖直且双手水平放置时，个关节电机的角度定义为零位置。

进一步的，所述控制指令的生成方法为：依据与机体直接连接的关节电机对应的角度差数据，顺序叠加第一三转角、第二三转角…第N三转角并生成三转角度，当三转角度大于任意一个角度差数据后，继续顺序叠加若干第N双转角并生成生成二转角度，当二转角度大于任意一个角度差数据后，继续顺序叠加若干第N单转角生成单转角度，当单转角度大于任意一个角度差数据后，顺序调取被叠加的第N三转角、第N双转角和第N单转角和对应的第N三转动速度、第N二转动速度和第N单转动速度生成控制控制指令。

进一步的，包括有用于实时获取姿态图片的采集单元，所述采集单元与用于识别姿态图片并生成最终姿态参数的姿态识别单元数据互通，所述姿态识别单元分别连接有用于控制机器人动作的动作单元、用于存储数据的存储SD卡、用于与外界设备数据互通的USB接口、和用于与外界设备无线数据互通的局域网通信单元。

本发明具有的优点和积极效果是：

通过设定姿态过渡策略，姿态过渡策略内包括有若干姿态参数组，姿态参数组包括有单肢体转动数据组、双肢体转动数据组和三肢体转动数据组，单肢体转动数据组包括有当机器人单个肢体按不同的速度转动，能够平稳转动的最大角度，双肢体转动数据组为机器人两个肢体同时按不同的速度转动时，能够平稳转动的最大角度。三肢体转动数据组为机器人三个肢体同时按不同的速度同时转动时，能够平稳转动的最大角度。通过获取机器人姿态变换时的角度差数据和转动方向，机器人与机体的各关节电机优选按三肢体转动数据组内速度由大到小的顺序，依据对应的方向转动对应的角度，直到其中一个关节电机的转动角度等于对应的角度差时，继续调取双肢体转动数据组，按双肢体转动数据组内速度由大到小的顺序，依据对应的方向转动对应的角度后，最后按照单肢体转动数据组内速度由大到小的顺序，依据对应的方向转动对应的角度，完成姿态的变换。当机器人单脚站立时，可快速高效的控制机器人进行动作变换，同时还能保证机器人平稳性动作，降低机器人的摔倒概率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的一种智能人形机器人控制系统的机器人外形图；

图2是本发明的一种智能人形机器人控制系统的系统图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明提供一种智能人形机器人控制系统和方法，如图1所示，机器人提包括有头部、机体、手臂和腿部，机器人包括有十一个关节，共十七个自由度，分别包括有腿部的五个自由度、手部的三个自由度和头部的一个自由度。头部的正面安装有摄像设备，用于获取机器人前方的人体的姿态图片，头部的自由度为分别左右转动九十度，由一个关节电机控制；当人体移动位置时，头部左右转动跟随动作，保证人体在姿态图片的中心位置。

手臂的自由度为手臂上下转动、前后转动和手臂弯曲，手臂的不同动作分别由不同的关节电机控制；腿部的自由度包括有腿部上下转动、前后转动、膝盖弯曲、脚裸前后转动和脚裸左右转动，腿部的不同动作分别由由不同的关节电机控制。头控制腿部和手臂上的关节电机动作，实现机器人对人体动作的模仿。

如图2所示，机器人控制系统包括有：用于获取人体其姿态图片的采集单元，采集单元可为摄像头设备，采集单元与姿态识别单元数据互通，姿态识别单元通过识别姿态图片内人体各关节位置，以确定人体动作，并对应生成包含人体姿态情况最终姿态参数。最终姿态参数为人体每个关节处的夹角，如：膝盖弯曲角度。

姿态识别单元分别连接有动作单元、存储单元、局域网通信单元和USB接口，动作单元通过获取并处理各关节处夹角数据，生成与关节对应的关节电机的最终角度数据，在依据最终角度数据控制机器人对应的关节电机动作，使机器人完成肢体动作的跟随。

存储单元用于存储有姿态图片数据和关节角度数据。局域网通信单元和USB接口均用于与外界设备数据互通，可用发布命令，如：开启机器人的采集单元，机器人开启动作实时跟随，完成动作跟随，或导入一组人体姿态图片，机器人自动顺序跟随人体姿态图片完成动作。

机器人的控制方法包括有：采集单元获取人体的姿态图片，通过open-pose算法识别图片上的人体姿态，生成包含人体各关节处角度的姿态参数，将姿态参数发送到动作单元，动作单元将姿态参数与关节电机对应，并生成用于表示各关节电机转动角度的最终姿态数据。最终姿态数据为关节电机相对于零位置的转动角度，将机器人双臂水平放置，摆成“十”字型的姿态时，各关节电机的角度定义为零位置。

动作单元获取当前姿态姿态参数，并计算出机器人从当前肢体动作变化到最终肢体动作时，关节电机的角度差数据和对应的转动方向。动作单元内设有姿态过渡策略，当机器人单脚站立时，用于控制机器人各肢体转动角度和转动速度的控制指令，机器人按照控制指令控制机器人的关节电机按对应的转动方向转动，完成动作的转换。机器人脚底与地面接触面所围成的面积为脚掌范围，当机器人单脚站立时，脚掌范围固定(为机器人脚底与地面的接触面积)，当机器人处于平稳状态时，机器人的重心与零力矩点重合，且重合点必定在脚掌范围内。

姿态过渡策略内设有若干姿态参数组，每个姿态参数组对应一个机体倾角范围，所有的机体倾角范围进行叠加为机器人单脚站立时，机体总体倾角范围(机体与站立腿部之间的夹角定于为机体倾角)。

一个姿态参数组包括有单肢体转动数据组、双肢体转动数据组和三肢体转动数据组。单肢体转动数据组为：当单独转动一个肢体时，不同的转动速度，对应有不同的最大单独转动角度，单肢体转动数据组包括有若干第N单转动速度和其对应的第N单转角，第N单转角为机器人单个肢体按第N单转动速度整体进行摆动时，能够平稳转动的最大转动角度。转动速度由大到小依次为第一单转动速度，第二单转动速度…第N单转动速度。

同样的，当同时转动两个肢体时，不同的转动速度，对应有不同的最大双转动角度；双肢体转动数据组包括有若干第N双转动速度和对应的第N双转角；当同时转动三个肢体时，不同的转动速度，对应有不同的最大三转动角度，包括有若干的第N三转动速度和对应的第N三转角；第N三转角和第N双转角的获取方法与第N单转角的获取方法相同。因为机器人必须有一只脚站立在底面上，保持集体平稳，因此不设定四个肢体同时动作的角度范围和转动速度范围。

所述现有专利技术中，公开号为：CN113618740A，专利名称为：双足机器人舞蹈平衡控制方法、装置和双足机器人的文件中提到，在机器人至少存在一条支撑腿的情况下，获取机器人反馈的实际关节角度和实际足底受力，并利用实时反馈的关节角度及足底受力信息来计算ZMP偏差，进而利用该ZMP偏差进行期望动量计算，并结合将关节参考角度与实际关节角度的差值作为优化变量的关节角速度优化函数，最终计算出能够同时满足舞蹈动作跟踪及平衡运动的关节角度以进行控制。该方法可以在不需要严格设计舞蹈运动轨迹的情况下，实现舞蹈动作下的整机稳定，具有较强的外界抗干扰能力和快速响应能力。

因此在获取姿态参数组时，设定机体的倾斜角度，并使机器人的手臂和腿部均往远离机体方向水平放置，手臂和腿部处于远离重心的位置，使得机器人重心较为分散。若能保证手臂和腿部在重心分散的情况下转动，机器人依旧保持稳定，手臂和腿部保持其它动作进行转动时，机器人定能够保持稳定。

在机器人脚底不同位置处安装压力传感器(也可以在机器人站立的地面上安装压力传感器)，测试机器人按不同的转动速度任意转动肢体(只转动与机体连接处的关节电机，来转动手臂和腿部)，此时转动机器人手臂，机器人的重心产生偏移，因为手臂是以一定的速度进行转动，若突然停止时，存在一定的惯性力，使得机器人的ZMP(零力矩点)产生偏移。只需要保证重心位置和ZMP保持重叠，或误差范围在设定范围内，且始终在脚掌范围内，机器人就能够保持稳定。

以转动一个手臂为例：以特定固定速度转动手臂，当手臂到达水平位置时停止转动，选取不同的转动角度，获取机器人手臂开始动作到停止摆动时机器人脚底不同位置处的压力值，并计算出机器人ZMP的偏移情况，同时计算出转动手臂时，机器人重心的移动路径，ZMP与重心位置的偏差刚好等于设定阀值时，定义该转动角度为该转动速度下，手臂能转动的最大角度。

使用相同的方法获取其他转动的速度下，手臂能转动的最大角度，形成一组单肢体转动数据。使用相同的方法获取该机体相同倾斜角度下，双肢体转动数据组和三肢体转动数据组，共同构成一个姿态参数组。因为手臂或腿部转动的速度越大，产生的惯性力越大，使得机器人越容易摔倒，手臂或腿部不同的转动速度，对应有不同的角度范围区间，且速度越大，角度范围越小。

控制机器人动作时：动作单元同时获取最终电机角度数据和当前电机角度数据，动作单元依据最终电机角度数据和当前电机角度数据计算机器人姿态，判断最终机体倾角与当前机体倾角的大小，若最终机体倾角小于初始机体倾角，优选调整机体的倾角，使机体倾角与最终倾角值相同后，调整机器人肢体动作。

控制指令的生成方法为：依据与机体直接连接的关节电机对应的角度差数据，顺序叠加第一三转角、第二三转角…第N三转角并生成三转角度，当三转角度大于任意一个角度差数据后，继续顺序叠加若干第N双转角并生成生成二转角度，当二转角度大于任意一个角度差数据后，继续顺序叠加若干第N单转角生成单转角度，当单转角度大于任意一个角度差数据后，顺序调取被叠加的第N三转角、第N双转角和第N单转角和对应的第N三转动速度、第N二转动速度和第N单转动速度生成控制控制指令。

机器人肢体动作的过程为：顺序使用控制指令中的第一三转动速度、第二三转动速度…第N-1三转动速度，按照对应关节电机的转动方向同时摆动机器人的三个肢体，同时记录各关节电机的实际转动角度，执行到第N三转动速度过程中，(假设)左手臂对应的关节电机的实际转动角度等于对应的角度差值，左手臂停止摆动，其他肢体继续按第N三转动速度摆动，后续按照控制指令中第一二转动速度、第二二转动速度…第N-1二转动速度摆动剩余两个肢体，为进一步加快动作跟随的速度，在转动剩余两个肢体，可以固定速度调整左手臂处关节电机的转角，使左手臂对应节电机的转动的角度符合对应的角度差值。

相同的，当执行到第N二转动速度过程中，(假设)右手臂对应关节电机的实际转动角度等于对应的角度差值后，右手臂停止摆动，剩下肢体继续按第N二转动速度摆动后，继续照控制指令执行第一单转动速度、第二单转动速度…第N-1单转动速度摆动剩余一个肢体，同时以固定速度调整右手臂处关节电机的转角，直到所有关节电机的转动角度符合角度差值，完成姿态的转换。

在进行肢体动作的转换时，获取最终机体倾角和初始机体倾角进行对比，若最终机体倾角大于初始机体倾角，优选调整机器人的肢体动作，当机器人所有肢体上所有的关节电机的角度值与最终最终电机角度值相同后，在调整机体的倾角，若最终机体倾角等于初始机体倾角，直接调整机器人肢体动作，使所有的关节电机的角度值与最终最终电机角度值相同即可。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种智能人形机器人控制方法，其特征在于，包括有用于实时获取姿态图片的采集单元，所述采集单元获取人体的姿态图片，所述采集单元与姿态识别单元数据互通，所述姿态识别单元用于识别姿态图片并生成包含人体各关节之间的夹角数据的最终姿态参数；

所述姿态识别单元连接有动作单元，所述动作单元获取当前姿态姿态参数，计算出机器人从当前肢体动作变化到最终肢体动作时，各关节电机的角度差数据和转动方向；

包括有用于控制机器人单脚站立时平稳改变肢体动作的姿态过渡策略，所述姿态过渡策略包括有若干姿态参数组，所述若干姿态参数组包括有机器人平稳转动肢体的多组转动速度和最大转动角度，姿态过渡策略获取角度差数据，生成用于控制机器人各肢体转动角度和转动速度的控制指令，动作单依据照控制指令控制机器人的关节电机按对应的转动方向和角度差数据转动相应角度。

2.根据权利要求1所述的一种智能人形机器人控制方法，其特征在于，所述姿态参数组包括有单肢体转动数据组、双肢体转动数据组和三肢体转动数据组，所述单肢体转动数据组包括有若干第N单转动速度和其对应的第N单转角，所述第N单转角为机器人单个肢体按第N单转动速度整体进行摆动时，能够平稳转动的最大转动角度；

所述转动速度由大到小依次为第一单转动速度，第二单转动速度…第N单转动速度。

3.根据权利要求2所述的一种智能人形机器人控制方法，其特征在于，所述第N单转角的获取方法为：机器人一个肢体以第N单转动速度转动，获取机器人脚底的不同位置处的受力值，通过受力值和肢体转动角度分别计算出机器人的零力矩点移动路径和重心移动路径，获取零力矩点偏移重心设定阀值处的转动角度，定义为第N单转角。

4.根据权利要求2所述的一种智能人形机器人控制方法，其特征在于，所述双肢体转动数据组为两个肢体同时转动时，所包括的若干第N双转动速度和对应的第N双转角；所述三肢体转动数据组为三个肢体同时转动时，所述包括的若干的第N三转动速度和对应的第N三转角；

所述第N三转角和第N双转角的获取方法与第N单转角的获取方法相同。

5.根据权利要求4所述的一种智能人形机器人控制方法，其特征在于，获取所述第N单转角、第N双转角和第N三转角时，所述机器人肢体均需要以水平姿态为末尾姿态，所述肢体不需要转动时，保持水平姿态。

6.根据权利要求1所述的一种智能人形机器人控制方法，其特征在于，所述机器人包括有机体，所述机体分别与手臂、腿部和头部活动连接，不同的所述姿态参数组对应机体与支撑站立的腿部之间的不同夹角范围。

7.根据权利要求1所述的一种智能人形机器人控制方法，其特征在于，所述机器人包括有腿部的五个自由度、手部的三个自由度和头部的一个自由度，所述腿部包括有腿部整体前后、左右转动，脚裸前后、左右转动和膝盖弯曲五个自由度，所述手部包括有手臂前后、左右转动和手臂弯曲三个自由度，所述头部有左右转动一个自由度，所述每个自由端均由一个关节电机控制；

所述最终姿态参数包括有各关节电机对应的相对于零位置的转动夹角。

8.根据权利要求7所述的一种智能人形机器人控制方法，其特征在于，所述机器人双腿竖直且双臂水平放置时，各关节电机的角度定义为零位置。

9.根据权利要求1所述的一种智能人形机器人控制方法，其特征在于，所述控制指令的生成方法为：依据与机体直接连接的关节电机对应的角度差数据，顺序叠加第一三转角、第二三转角…第N三转角并生成三转角度，当三转角度大于任意一个角度差数据后，继续顺序叠加若干第N双转角并生成生成二转角度，当二转角度大于任意一个角度差数据后，继续顺序叠加若干第N单转角生成单转角度，当单转角度大于任意一个角度差数据后，顺序调取被叠加的第N三转角、第N双转角和第N单转角和对应的第N三转动速度、第N二转动速度和第N单转动速度生成控制控制指令。

10.一种智能人形机器人控制系统，基于权利要求1-9任意一项所述的一种智能人形机器人控制方法，其特征在于，所述姿态识别单元分别连接有用于存储数据的存储SD卡、用于与外界设备数据互通的USB接口和用于与外界设备无线数据互通的局域网通信单元。

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