CN114767014A - 清洁机器人台盆清扫路径自动规划方法及系统 - Google Patents

清洁机器人台盆清扫路径自动规划方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种清洁机器人台盆清扫路径自动规划方法及系统，涉及机器人清洁技术领域，包括：导航系统与视觉系统协同，根据酒店卫生间现场环境和机械臂臂展信息，计算得到机械臂清扫台盆和台面时导航的位置点；导航位置点确定之后，机械臂末端能够控制视觉系统拍照，视觉系统识别台盆形状以及台盆和台面的特征点；机械臂和视觉通讯，机械臂获取视觉系统给的台盆形状以及当前导航位置下台盆特征点在机械臂基坐标系下的位置，然后机械臂控制器采用路径自动规划方法计算生成台盆和台面的清扫轨迹动作。本发明能够简化部署流程，大大提升部署时的效率。

Description

清洁机器人台盆清扫路径自动规划方法及系统
技术领域
本发明涉及机器人清洁技术领域，具体地，涉及清洁机器人在酒店卫生间场景下台盆和台面的清扫系统以及机械臂台盆台面清扫的路径自动规划方法，尤其涉及一种清洁机器人台盆清扫路径自动规划方法及系统。
背景技术
现在在清洁领域，使用智能机器人对酒店卫生间清扫属于空白领域，酒店卫生间清扫基本是人力清扫。使用智能机器人取代人力，是可行的也是前景广阔的一个市场。在清扫机器人进驻酒店之前，一般需要调试人员先针对酒店环境进行部署调试，但是酒店清扫的流程复杂，也给部署带来了很大的挑战，如何快速的部署是当前需要解决的技术问题。
公开号为CN206623100U的实用新型专利，公开了一种镜面清扫机器人控制结构，包括控制模块，控制模块连接编码器并通过电机驱动模块连接直流驱动电机，控制模块通过压力采集电路连接压力传感器、通过限位采集电路连接限位传感器、通过障碍采集电路连接障碍识别传感器、通过电磁阀驱动电路连接水用电磁阀以及通过水位采集电路连接水位传感器；控制模块连接电动伸缩杆控制器，电动伸缩杆控制器连接伸缩杆驱动电机。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种清洁机器人台盆清扫路径自动规划方法及系统。
根据本发明提供的一种清洁机器人台盆清扫路径自动规划方法及系统，所述方案如下：
第一方面，提供了一种清洁机器人台盆清扫路径自动规划方法，所述方法包括：
步骤S1：移动底盘导航至预设位置，然后机械臂按预设轨迹运动一周，视觉系统开始扫图识别卫生间环境；
步骤S2：移动底盘在预设位置之后，视觉系统扫图确定台盆台面的位置以及整个台盆台面的宽度width；然后视觉系统计算决定擦拭台盆台面时移动底盘的位置，视觉系统计算确定擦拭台盆台面时的导航位置点；
步骤S3：按上述步骤计算确定台盆和台面的导航位置点之后，视觉系统将计算结果发送给导航系统，导航系统再结合二维平面地图信息，计算得到导航坐标系下的位置点，然后导航系统控制底盘移动至第一个擦拭位置点；
步骤S4：导航移动至擦拭位置点之后，机械臂运动并控制视觉系统拍照；视觉拍照识别得到台盆的形状，以及台盆的特征点位，台面的角点特征点在相机坐标系下的三维位置，并将台盆台面的相关特征信息发送给机械臂控制系统；
步骤S5：控制系统接收到视觉数据之后，采用路径自动规划方法，计算得到台盆或台面的擦拭轨迹；
步骤S6：台盆台面擦拭路径生成之后，机械臂控制系统内部再规划得到每个周期位置并下发给伺服驱动器，然后伺服驱动器控制机械臂运行；
步骤S7：机械臂在当前位置点擦拭完成之后，通知导航系统，导航系统控制底盘移动至第二个位置点，接着重复步骤S4～S6；当运动至最后一个导航位置点，机械臂擦拭任务完成之后，整个台盆台面擦拭结束。
优选地，所述步骤S2中视觉系统计算导航位置包括：
步骤S2.1：计算导航位置点个数N，N的计算是根据台盆的台面宽度width和机械臂臂展L决定：
N＝width/L+1
情形1)：如果N等于1，则导航仅需要一个位置点，机械臂能够一次性将整个台盆和台面打扫完成；
情形2)：如果N大于1，则需要将台盆台面分为3个区域进行打扫，即中间台盆区域、左边台面区域和右边台面区域，则此时导航需要三个位置点；
步骤S2.2：计算并导航在二维平面的位置点。
优选地，所述步骤S2.2具体包括：
对于情形1)，导航位置点横向的位置为导航中心点和台盆正中间对齐，对于众向距离，导航中心点距离台面前边沿面的距离为B，导航横向距离和众向距离确定之后，导航再结合二维地图信息，即能够确定导航位置点；
对于情形2)，打扫台盆区域时导航位置点横向的位置导航中心点和台盆正中间对齐，打扫左边台面区域时导航位置点横向的位置保证导航中心点和左边台面正中间对齐，打扫右边台面区域时导航位置点横向的位置保证导航中心点和右边台面正中间对齐；
对于众向距离，导航中心点距离台面前边沿面的距离为B，导航系统获取视觉给的台盆和台面的特征信息之后，再结合二维平面地图信息，即可确定上所述的两种情况下的导航位置点。
优选地，所述步骤S5中机械臂路径自动规划包括：
矩形台面情况下：
步骤S5.1.1：计算擦拭的位置区域，视觉系统会识别计算得到矩形台面的四个角点位置右下角位置pos0，左下角位置pos1，左上角位置pos2，右上角位置pos3，并将这几个位置发送给机械臂，机械臂根据这4个位置点，构成的一个四边形区域；
步骤S5.1.2：计算擦拭左右台面的姿态信息；
步骤S5.1.3：计算则得到擦拭过程中四个角点的位置以及姿态参数，再考虑台面擦拭工具的宽度，中间区域的位置再根据四个角点值，采用线性插值，得到中间区域的位置姿态值；
步骤S5.1.4：插值计算得到整个台面擦拭区域内机械臂末端的位置与姿态，然后机械臂内部按点到点的位置进行速度规划，轨迹插补确定整个擦拭路径轨迹。
优选地，所述步骤S5.1.2中计算擦拭左右台面的姿态信息包括：
在台面上建立一个用户坐标系user_ref，用pos0，pos1，pos2，pos3拟合得到矩形台面平面方程，确定user_ref的z方向user_ref_rz为垂直台面向下的方向向量；取user_ref的x方向user_ref_rx为pos0指向pos1的方向向量，确定user_ref_rx和user_ref_rz的方向之后，根据叉乘即能够确定user_ref的y方向user_ref_ry，此时确定user_ref为一个3×3的旋转矩阵rot_plane＝[user_ref_rx,user_ref_ry,user_ref_rz]。
优选地，所述步骤S5中机械臂路径自动规划还包括：
圆形形状台盆情况下：
步骤S5.2.1：计算擦拭的位置区域；
步骤S5.2.1：移动底盘移动至台盆擦拭位置区域之后，视觉系统拍照识别出台盆的形状，同时视觉系统会将曲面台盆的位置点集发送给机械臂控制系统，机械臂缓存台盆曲面的位置点集posC(i)，接着采用五次多项式拟合方法，计算规划位置，规划机械臂末端位置，保证机械臂末端的轨迹和posC(i)点集的轨迹一样。
优选地，所述步骤S6包括：
在运动过程中，导航系统激光雷达会检测周围是否有人靠近机器人，当距离在0.5～1米范围时，为1级预警；当距离小于0.5米时为2级预警；
当条件触发时，导航系统会将信号发送给机械臂，机械臂收到1级预警信号时，内部会降速至现在速度的50％；
机械臂收到2级预警信号时，机械臂会暂停任务，直至预警解除，机械臂会重新再开始运动任务。
第二方面，提供了一种清洁机器人台盆清扫路径自动规划系统，所述系统包括：
模块M1：移动底盘导航至预设位置，然后机械臂按预设轨迹运动一周，视觉系统开始扫图识别卫生间环境；
模块M2：移动底盘在预设位置之后，视觉系统扫图确定台盆台面的位置以及整个台盆台面的宽度width；然后视觉系统计算决定擦拭台盆台面时移动底盘的位置，视觉系统计算确定擦拭台盆台面时的导航位置点；
模块M3：按上述模块计算确定台盆和台面的导航位置点之后，视觉系统将计算结果发送给导航系统，导航系统再结合二维平面地图信息，计算得到导航坐标系下的位置点，然后导航系统控制底盘移动至第一个擦拭位置点；
模块M4：导航移动至擦拭位置点之后，机械臂运动并控制视觉系统拍照；视觉拍照识别得到台盆的形状，以及台盆的特征点位，台面的角点特征点在相机坐标系下的三维位置，并将台盆台面的相关特征信息发送给机械臂控制系统；
模块M5：控制系统接收到视觉数据之后，采用路径自动规划方法，计算得到台盆或台面的擦拭轨迹；
模块M6：台盆台面擦拭路径生成之后，机械臂控制系统内部再规划得到每个周期位置并下发给伺服驱动器，然后伺服驱动器控制机械臂运行；
模块M7：机械臂在当前位置点擦拭完成之后，会通知导航系统，导航系统控制底盘移动至第二个位置点，接着重复模块M4～M6；当运动至最后一个导航位置点，机械臂擦拭任务完成之后，整个台盆台面擦拭结束。
优选地，所述模块M2中视觉系统计算导航位置包括：
模块M2.1：计算导航位置点个数N，N的计算是根据台盆的台面宽度width和机械臂臂展L决定：
N＝width/L+1
情形1)：如果N等于1，则导航仅需要一个位置点，机械臂能够一次性将整个台盆和台面打扫完成；
情形2)：如果N大于1，则需要将台盆台面分为3个区域进行打扫，即中间台盆区域、左边台面区域和右边台面区域，则此时导航需要三个位置点；
模块M2.2：计算并导航在二维平面的位置点。
优选地，所述模块M2.2具体包括：
对于情形1)，导航位置点横向的位置为导航中心点和台盆正中间对齐，对于众向距离，导航中心点距离台面前边沿面的距离为B，导航横向距离和众向距离确定之后，导航再结合二维地图信息，即能够确定导航位置点；
对于情形2)，打扫台盆区域时导航位置点横向的位置导航中心点和台盆正中间对齐，打扫左边台面区域时导航位置点横向的位置保证导航中心点和左边台面正中间对齐，打扫右边台面区域时导航位置点横向的位置保证导航中心点和右边台面正中间对齐；
对于众向距离，导航中心点距离台面前边沿面的距离为B，导航系统获取视觉给的台盆和台面的特征信息之后，再结合二维平面地图信息，即可确定上所述的两种情况下的导航位置点；
所述步骤S5中机械臂路径自动规划包括：
矩形台面情况下：
步骤S5.1.1：计算擦拭的位置区域，视觉系统会识别计算得到矩形台面的四个角点位置右下角位置pos0，左下角位置pos1，左上角位置pos2，右上角位置pos3，并将这几个位置发送给机械臂，机械臂根据这4个位置点，构成的一个四边形区域；
步骤S5.1.2：计算擦拭左右台面的姿态信息；
步骤S5.1.3：计算则得到擦拭过程中四个角点的位置以及姿态参数，再考虑台面擦拭工具的宽度，中间区域的位置再根据四个角点值，采用线性插值，得到中间区域的位置姿态值；
步骤S5.1.4：插值计算得到整个台面擦拭区域内机械臂末端的位置与姿态，然后机械臂内部按点到点的位置进行速度规划，轨迹插补确定整个擦拭路径轨迹；
所述步骤S5.1.2中计算擦拭左右台面的姿态信息包括：
在台面上建立一个用户坐标系user_ref，用pos0，pos1，pos2，pos3拟合得到矩形台面平面方程，确定user_ref的z方向user_ref_rz为垂直台面向下的方向向量；取user_ref的x方向user_ref_rx为pos0指向pos1的方向向量，确定user_ref_rx和user_ref_rz的方向之后，根据叉乘即能够确定user_ref的y方向user_ref_ry，此时确定user_ref为一个3×3的旋转矩阵rot_plane＝[user_ref_rx,user_ref_ry,user_ref_rz]；
所述步骤S5中机械臂路径自动规划还包括：
圆形形状台盆情况下：
步骤S5.2.1：计算擦拭的位置区域；
步骤S5.2.1：移动底盘移动至台盆擦拭位置区域之后，视觉系统拍照识别出台盆的形状，同时视觉系统会将曲面台盆的位置点集发送给机械臂控制系统，机械臂缓存台盆曲面的位置点集posC(i)，接着采用五次多项式拟合方法，计算规划位置，规划机械臂末端位置，保证机械臂末端的轨迹和posC(i)点集的轨迹一样；
所述步骤S6包括：
在运动过程中，导航系统激光雷达会检测周围是否有人靠近机器人，当距离在0.5～1米范围时，为1级预警；当距离小于0.5米时为2级预警；
当条件触发时，导航系统会将信号发送给机械臂，机械臂收到1级预警信号时，内部会降速至现在速度的50％；
机械臂收到2级预警信号时，机械臂会暂停任务，直至预警解除，机械臂会重新再开始运动任务。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
解决扫图过程繁琐，操作复杂的痛点，机械臂自动路径规划，简化了部署流程，具有智能化，大大提升部署时的效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为系统结构示意图；
图2为机械臂末端局部俯视图；
图3为机械臂末端结构局部图；
图4为台面擦拭时模型简化示意图；
图5为台盆擦拭时模型示意图；
图6为系统流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种清洁机器人台盆清扫路径自动规划方法，参照图1所示，清洁机器人的构成包括：机械臂、移动底盘、激光雷达传感器、伺服驱动器、视觉系统以及控制系统。
机械臂安装放置在移动底盘上，移动底盘前后均安装有激光雷达传感器，雷达有两方面的作用，第一个作用是用来导航；第二个作用即是当移动底盘导航至台盆或台面擦拭位置点之后，机械臂运动过程中移动底盘保持不动，此时激光雷达用来检测确保机械臂工作区间内没人，当有人靠近机器人时，激光雷达能够识别，导航系统会给机械臂控制系统发送预警信号；然后机械臂控制系统会做出快速响应。
视觉系统安装在机械臂末端位置，视觉系统用来计算确定台盆和台面擦拭时导航位置点；同时视觉系统还要用来识别台盆和台面的相关特征，并将台盆台面特征点数据发送给机械臂控制系统，本实施例中的视觉系统采用相机。
机械臂控制系统根据视觉反馈的台盆台面特征信息，采用路径自动规划方法生成对应的擦拭轨迹；同时机械臂控制系统在接收到导航给的激光雷达预警信号，根据警告级别采取对应的响应措施。
伺服驱动器则负责控制机械臂运行。
具体地，本发明实施例提供的一种清洁机器人台盆清扫路径自动规划方法，该方法包括：
步骤S1：移动底盘导航至预设位置，然后机械臂按预设轨迹运动一周，视觉系统开始扫图识别卫生间环境(移动底盘带着机械臂移动到酒店洗手间的预设位置区域，该区域能够保证机械臂小范围的移动不会刮擦其他物品，机械臂移动过程中视觉系统能够扫描构建整个洗手间的三维点云模型)。
步骤S2：移动底盘在预设位置之后，视觉系统扫图确定台盆台面的位置以及整个台盆台面的宽度width；然后视觉系统计算决定擦拭台盆台面时移动底盘的位置，视觉系统计算确定擦拭台盆台面时的导航位置点。
其中，步骤S2视觉系统计算导航位置包括：
步骤S2.1：计算导航位置点个数N，因为台盆两侧台面的宽度大于机械臂臂展时，导航需要移动之后，才能将台面全部擦拭干净，故需要先计算判断，N的计算是根据台盆的台面宽度width和机械臂臂展L决定：
N＝width/L+1
一般台盆台面的打扫流程有两种模式：
情形1)：如果N等于1，则导航仅需要一个位置点，机械臂能够一次性将整个台盆和台面打扫完成；
情形2)：如果N大于1，则需要将台盆台面分为3个区域进行打扫，即中间台盆区域、左边台面区域和右边台面区域，则此时导航需要三个位置点；
步骤S2.2：计算并导航在二维平面的位置点。
对于情形1)，导航位置点横向的位置为导航中心点和台盆正中间对齐，对于众向距离，导航中心点距离台面前边沿面的距离为B，其中B的值是根据机械臂臂末端长度决定的；本方案中B取为等于机械臂末端长度，这样保证腕关节处不会有干涉，以及保证2,3轴之间夹角不会过小而导致关节超限位。导航横向距离和众向距离确定之后，导航再结合二维地图信息，即能够确定导航位置点。
对于情形2)，打扫台盆区域时导航位置点横向的位置导航中心点和台盆正中间对齐，打扫左边台面区域时导航位置点横向的位置保证导航中心点和左边台面正中间对齐，打扫右边台面区域时导航位置点横向的位置保证导航中心点和右边台面正中间对齐。
对于众向距离，导航中心点距离台面前边沿面的距离为B，其中B的值是根据臂末端长度决定的；本实施例中B取为等于机械臂末端长度，这样保证腕关节处不会有干涉，以及保证2，3轴之间夹角不会过小而导致关节超限位；导航系统获取视觉给的台盆和台面的特征信息之后，再结合二维平面地图信息，即可确定上所述的两种情况下的导航位置点。
步骤S3：按上述步骤计算确定台盆和台面的导航位置点之后，视觉系统将计算结果发送给导航系统，导航系统再结合二维平面地图信息，计算得到导航坐标系下的位置点，然后导航系统控制底盘移动至第一个擦拭位置点。
步骤S4：导航移动至擦拭位置点之后，机械臂运动并控制视觉系统拍照；视觉拍照识别得到台盆的形状，以及台盆的特征点位，台面的角点特征点在相机坐标系下的三维位置，并将台盆台面的相关特征信息发送给机械臂控制系统。
步骤S5：控制系统接收到视觉数据之后，采用路径自动规划方法，计算得到台盆或台面的擦拭轨迹。
步骤S5中机械臂路径自动规划包括：
以矩形台面为例进行讲解：
步骤S5.1.1：计算擦拭的位置区域，视觉系统会识别计算得到矩形台面的四个角点位置右下角位置pos0，左下角位置pos1，左上角位置pos2，右上角位置pos3，并将这几个位置发送给机械臂，机械臂根据这4个位置点，构成的一个四边形区域；
步骤S5.1.2：计算擦拭左右台面的姿态信息；计算方法如下，首先在台面上建立一个用户坐标系user_ref，用pos0，pos1，pos2，pos3拟合得到矩形台面平面方程，确定user_ref的z方向user_ref_rz为垂直台面向下的方向向量；取user_ref的x方向user_ref_rx为pos0指向pos1的方向向量，确定user_ref_rx和user_ref_rz的方向之后，根据叉乘即能够确定user_ref的y方向user_ref_ry，此时确定user_ref为一个3×3的旋转矩阵rot_plane＝[user_ref_rx,user_ref_ry,user_ref_rz]。
由于擦拭台面过程中腕关节需要考虑避开台面边沿的墙壁，因此需要首先计算四个擦拭角点的姿态，该姿态能够保证避开墙壁，防止擦拭台面时，腕关节个墙壁发生碰撞；该姿态的计算步骤为：机械臂本体结构里，其尺寸描述关系参考如图2和图3所示概示图，已知腕关节处4，5轴处的宽度d_axis4_axis5，即图中A点到B点的距离,擦拭工具末端到法兰末端长度为d_tool_axis45，即图中T点到B点的距离；相机到6轴轴心线距离为d_camera_axis，即图中C点到E点的距离；沿6轴轴心线方向，相机到工具末端的长度为d_tool_camera，即图中T点到C点的距离；对于台面区域，简化为如图4所示模型，图5为台盆擦拭时模型示意图，默认台面区域3面环墙，则机械臂末端腕关节处和相机必须得避开墙壁，首相擦拭时相机指向墙壁2方向，则相机需要避开墙壁2，故首先确定pos2和pos3的姿态，根据如上描述的设计尺寸，计算得到沿user_ref的x方向的旋转角度rx，rx最小值为arctan(d_camera_axis/d_tool_camera),考虑到实际擦拭过程中工具不能和台面贴合，故此方案中rx最大值取为75*3.1425/180，然后腕关节不能与墙壁2和墙壁3碰撞计算得到沿user_ref的y方向的旋转角度ry，ry最小值为arctan(d_axis4_axis5/d_tool_axis45),考虑到实际擦拭过程中工具不能和台面贴合，故此方案中ry最大值取为75*3.1425/180,擦拭过程中相机方向不用旋转，故取rz为0，则pos2位置的姿态为rot_mat＝rot_plane*RotX(-rx)*RotY(ry)*RotZ(rz),则pos3位置的姿态为rot_mat＝rot_plane*RotX(-rx)*RotY(-ry)*RotZ(rz)；然后确定pos0和pos1的姿态，pos0和pos1只需要避开墙壁2和墙壁3，故pos0的rx取为0，ry最小值为arctan(d_axis4_axis5/d_tool_axis45),考虑到实际擦拭过程中工具不能和台面贴合，ry最大值取为75*3.1425/180，rz取为0，则pos0的姿态为rot_mat＝rot_plane*RotX(rx)*RotY(-ry)*RotZ(rz),则pos1的姿态为rot_mat＝rot_plane*RotX(rx)*RotY(ry)*RotZ(rz)；其中RotX()表示沿坐标X轴的旋转、RotY()表示沿坐标Y轴的旋转和RotZ()表示沿左边Z轴的旋转；这几个旋转公式是机械臂通用的沿坐标轴的旋转公式，此处不在描述其具体推导；
步骤S5.1.3：基于上述计算则得到擦拭过程中四个角点的位置以及姿态参数，再考虑台面擦拭工具的宽度，中间区域的位置再根据四个角点值，采用线性插值，得到中间区域的位置姿态值。
步骤S5.1.4：插值计算得到整个台面擦拭区域内机械臂末端的位置与姿态，然后机械臂内部按点到点的位置进行速度规划，轨迹插补确定整个擦拭路径轨迹。
步骤S5中机械臂路径自动规划还包括：
以圆形形状台盆为例进行讲解：
步骤S5.2.1：计算擦拭的位置区域，视觉系统会识别计算得到台盆的特征点信息,由于台盆形状各异，不像台面可以抽象成矩形区域，故台盆需要视觉系统提供大量的特征点，机械臂控制器采用多项式拟合的方法去规划计算台盆内部清扫轨迹。
步骤S5.2.1：移动底盘移动至台盆擦拭位置区域之后，视觉系统拍照识别出台盆的形状，同时视觉系统会将曲面台盆的位置点集发送给机械臂控制系统，机械臂缓存台盆曲面的位置点集posC(i)，接着采用五次多项式拟合方法，计算规划位置，规划机械臂末端位置，保证机械臂末端的轨迹和posC(i)点集的轨迹一样。其中五次多项式拟合方法描述为：机械臂以末端初始位置posC(0)为起点，规划末端轨迹；将位置点集posC(i)位置做为输入，每次取50个周期的位置做为一个移动窗口，机械臂末端去实时跟随这些位置，当所缓存的数据取用结束时，机械臂即认为路径结束。每个周期的姿态采用实时计算的方法，只规划计算下发的位置，姿态根据下发的位置和台盆正中心位置计算得到，保证末端一直绕着台盆正中心旋转alpha角，alpha角可以根据如图6的pos2和pos3计算得到；末端z向一直指向下发位置，y向即相机方向向前指向水龙头方向，z向和y向叉乘即确定x向，即确定了每个下发位置的姿态。
每次取50个周期的位置做为一个移动窗口，机械臂去拟合跟随这些位置点，其具体描述如下：
所采用的五次多项式方程描述如下：
qt＝a0+a1*t+a2*t2+a3*t3+a4*t4+a5*t5
其中qt为t时刻的位置，t为当前的时刻，a0，a1，a2，a3，a4，a5即为该描述方程的一些待求解的参数；其求解过程即为求解a0、a1、a2、a3、a4、a5。
本方法中的约束条件初始时刻：q0＝S0；
Figure BDA0003632357900000111
结束位置：qf＝S1；
Figure BDA0003632357900000112
S0为每个移动窗口初始时刻机械臂的末端位置，V0为每个移动窗口初始时刻机械臂的末端速度，A0为每个移动窗口初始时刻机械臂的末端加速度，t＝0时刻的参数；q0是初始时刻的位置；qf是每个移动窗口结束时刻的位置；S1为每个移动窗口结束时刻机械臂的末端位置，V1为每个移动窗口结束时刻机械臂的末端速度，A1为每个移动窗口结束时刻机械臂的末端加速度；
Figure BDA0003632357900000113
为初始位置的导数，也是速度，
Figure BDA0003632357900000114
为初始速度的导数，也是初始加速度；
Figure BDA0003632357900000115
为结束位置的导数，也是结束位置的速度，
Figure BDA0003632357900000116
为结束速度的导数，也是结束时的加速度。
根据约束条件推导，可得：
a0＝S0；
a0+a1*tf+a2*tf 2+a3*tf 3+a4*tf 4+a5*tf 5＝S1；a1＝V0；
a1+2*a2*tf+3*a3*tf 2+4*a4*tf 3+5*a5*tf 4＝V1；
2*a2＝A0；
2*a2+6*a3*tf+12*a4*tf 2+20*a5*tf 3＝A1；
上述6个方程联立求解，求得：
a0＝S0；
a1＝V0；
Figure BDA0003632357900000117
Figure BDA0003632357900000118
Figure BDA0003632357900000119
Figure BDA00036323579000001110
其中tf为固定值和伺服插补周期相乘得到，本实施例中取
Figure BDA0003632357900000121
Figure BDA0003632357900000122
Figure BDA0003632357900000123
为伺服插补周期，本实施例中取为4ms。
对于每个移动窗口：S0为每个移动窗口的初始位置，即上一移动窗口的结束位置posD((n-1)*tf)，n从1开始，表示第n个移动窗口，刚开始跟随时为posD(0)，第一个移动窗口结束，跳入第二个移动窗口时，S0为第一个移动窗口结束时候的位置posD(1*tf)，依此类推。
V0为每个移动窗口的初始速度，即上一移动窗口的结束速度，刚开始跟随时速度为0，第一个移动窗口结束，跳入第二个移动窗口时V0为第一个移动窗口结束时候的位置速度，依此类推。
A0为每个移动窗口的初始加速度，即上一移动窗口的结束加速度，刚开始跟随时加速度为0，第一个移动窗口结束，跳入第二个移动窗口时A0为第一个移动窗口结束时候的位置加速度，依此类推。
S1为每个移动窗口的posD(n*tf)，V1为设置的期望的末端速度，A1为设置的期望的末端加速度。
步骤S6：台盆台面擦拭路径生成之后，机械臂控制系统内部再规划得到每个周期位置并下发给伺服驱动器，然后伺服驱动器控制机械臂运行。
在运动过程中，导航系统激光雷达会检测周围是否有人靠近机器人，当距离在0.5～1米范围时，为1级预警；当距离小于0.5米时为2级预警；
当条件触发时，导航系统会将信号发送给机械臂，机械臂收到1级预警信号时，内部会降速至现在速度的50％；
机械臂收到2级预警信号时，机械臂会暂停任务，直至预警解除，机械臂会重新再开始运动任务。
步骤S7：机械臂在当前位置点擦拭完成之后，会通知导航系统，导航系统控制底盘移动至第二个位置点，接着重复步骤S4～S6；当运动至最后一个导航位置点，机械臂擦拭任务完成之后，整个台盆台面擦拭结束。
根据上述描述的智能清扫系统与机械臂路径自动规划方法，即可完成台盆的自动跟随轨迹规划和台面的自动路径规划；然后机械臂控制器在每个插补周期，生成轨迹插补末端笛卡尔位置，然后通过逆解计算得到每个关节的角度，然后将关节角度位置下发给伺服，最终实现台盆和台面的清扫动作。
本发明实施例提供了一种清洁机器人台盆清扫路径自动规划方法及系统，导航系统与视觉系统协同，根据酒店卫生间现场环境和机械臂臂展信息，计算得到机械臂清扫台盆和台面时导航的位置点；导航位置点确定之后，机械臂末端能够控制视觉系统拍照，视觉系统识别台盆形状以及台盆和台面的特征点；机械臂和视觉通讯，机械臂获取视觉系统给的台盆形状以及当前导航位置下台盆特征点在机械臂基坐标系下的位置，然后机械臂控制器采用路径自动规划方法计算生成台盆和台面的清扫轨迹动作。解决扫图过程繁琐，操作复杂的痛点，机械臂自动路径规划，简化了部署流程，具有智能化，大大提升部署时的效率。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种清洁机器人台盆清扫路径自动规划方法，其特征在于，包括：
步骤S1：移动底盘导航至预设位置，然后机械臂按预设轨迹运动一周，视觉系统开始扫图识别卫生间环境；
步骤S2：移动底盘在预设位置之后，视觉系统扫图确定台盆台面的位置以及整个台盆台面的宽度width；然后视觉系统计算决定擦拭台盆台面时移动底盘的位置，视觉系统计算确定擦拭台盆台面时的导航位置点；
步骤S3：按上述步骤计算确定台盆和台面的导航位置点之后，视觉系统将计算结果发送给导航系统，导航系统再结合二维平面地图信息，计算得到导航坐标系下的位置点，然后导航系统控制底盘移动至第一个擦拭位置点；
步骤S4：导航移动至擦拭位置点之后，机械臂运动并控制视觉系统拍照；视觉拍照识别得到台盆的形状，以及台盆的特征点位，台面的角点特征点在相机坐标系下的三维位置，并将台盆台面的相关特征信息发送给机械臂控制系统；
步骤S5：控制系统接收到视觉数据之后，采用路径自动规划方法，计算得到台盆或台面的擦拭轨迹；
步骤S6：台盆台面擦拭路径生成之后，机械臂控制系统内部再规划得到每个周期位置并下发给伺服驱动器，然后伺服驱动器控制机械臂运行；
步骤S7：机械臂在当前位置点擦拭完成之后，通知导航系统，导航系统控制底盘移动至第二个位置点，接着重复步骤S4～S6；当运动至最后一个导航位置点，机械臂擦拭任务完成之后，整个台盆台面擦拭结束。
2.根据权利要求1所述的清洁机器人台盆清扫路径自动规划方法，其特征在于，所述步骤S2中视觉系统计算导航位置包括：
步骤S2.1：计算导航位置点个数N，N的计算是根据台盆的台面宽度width和机械臂臂展L决定：
N＝width/L+1
情形1)：如果N等于1，则导航仅需要一个位置点，机械臂能够一次性将整个台盆和台面打扫完成；
情形2)：如果N大于1，则需要将台盆台面分为3个区域进行打扫，即中间台盆区域、左边台面区域和右边台面区域，则此时导航需要三个位置点；
步骤S2.2：计算并导航在二维平面的位置点。
3.根据权利要求2所述的清洁机器人台盆清扫路径自动规划方法，其特征在于，所述步骤S2.2具体包括：
对于情形1)，导航位置点横向的位置为导航中心点和台盆正中间对齐，对于众向距离，导航中心点距离台面前边沿面的距离为B，导航横向距离和众向距离确定之后，导航再结合二维地图信息，即能够确定导航位置点；
对于情形2)，打扫台盆区域时导航位置点横向的位置导航中心点和台盆正中间对齐，打扫左边台面区域时导航位置点横向的位置保证导航中心点和左边台面正中间对齐，打扫右边台面区域时导航位置点横向的位置保证导航中心点和右边台面正中间对齐；
对于众向距离，导航中心点距离台面前边沿面的距离为B，导航系统获取视觉给的台盆和台面的特征信息之后，再结合二维平面地图信息，即能够确定上所述的两种情况下的导航位置点。
4.根据权利要求1所述的清洁机器人台盆清扫路径自动规划方法，其特征在于，所述步骤S5中机械臂路径自动规划包括：
矩形台面情况下：
步骤S5.1.1：计算擦拭的位置区域，视觉系统识别计算得到矩形台面的四个角点位置右下角位置pos0，左下角位置pos1，左上角位置pos2，右上角位置pos3，并将这几个位置发送给机械臂，机械臂根据这4个位置点，构成的一个四边形区域；
步骤S5.1.2：计算擦拭左右台面的姿态信息；
步骤S5.1.3：计算则得到擦拭过程中四个角点的位置以及姿态参数，再考虑台面擦拭工具的宽度，中间区域的位置再根据四个角点值，采用线性插值，得到中间区域的位置姿态值；
步骤S5.1.4：插值计算得到整个台面擦拭区域内机械臂末端的位置与姿态，然后机械臂内部按点到点的位置进行速度规划，轨迹插补确定整个擦拭路径轨迹。
5.根据权利要求4所述的清洁机器人台盆清扫路径自动规划方法，其特征在于，所述步骤S5.1.2中计算擦拭左右台面的姿态信息包括：
在台面上建立一个用户坐标系user_ref，用pos0，pos1，pos2，pos3拟合得到矩形台面平面方程，确定user_ref的z方向user_ref_rz为垂直台面向下的方向向量；取user_ref的x方向user_ref_rx为pos0指向pos1的方向向量，确定user_ref_rx和user_ref_rz的方向之后，根据叉乘即能够确定user_ref的y方向user_ref_ry，此时确定user_ref为一个3×3的旋转矩阵rot_plane＝[user_ref_rx,user_ref_ry,user_ref_rz]。
6.根据权利要求4所述的清洁机器人台盆清扫路径自动规划方法，其特征在于，所述步骤S5中机械臂路径自动规划还包括：
圆形形状台盆情况下：
步骤S5.2.1：计算擦拭的位置区域；
步骤S5.2.1：移动底盘移动至台盆擦拭位置区域之后，视觉系统拍照识别出台盆的形状，同时视觉系统将曲面台盆的位置点集发送给机械臂控制系统，机械臂缓存台盆曲面的位置点集posC(i)，接着采用五次多项式拟合方法，计算规划位置，规划机械臂末端位置，保证机械臂末端的轨迹和posC(i)点集的轨迹一样。
7.根据权利要求1所述的清洁机器人台盆清扫路径自动规划方法，其特征在于，所述步骤S6包括：
在运动过程中，导航系统激光雷达检测周围是否有人靠近机器人，当距离在0.5～1米范围时，为1级预警；当距离小于0.5米时为2级预警；
当条件触发时，导航系统将信号发送给机械臂，机械臂收到1级预警信号时，内部降速至现在速度的50％；
机械臂收到2级预警信号时，机械臂暂停任务，直至预警解除，机械臂重新再开始运动任务。
8.一种清洁机器人台盆清扫路径自动规划系统，其特征在于，包括：
模块M1：移动底盘导航至预设位置，然后机械臂按预设轨迹运动一周，视觉系统开始扫图识别卫生间环境；
模块M2：移动底盘在预设位置之后，视觉系统扫图确定台盆台面的位置以及整个台盆台面的宽度width；然后视觉系统计算决定擦拭台盆台面时移动底盘的位置，视觉系统计算确定擦拭台盆台面时的导航位置点；
模块M3：按上述模块计算确定台盆和台面的导航位置点之后，视觉系统将计算结果发送给导航系统，导航系统再结合二维平面地图信息，计算得到导航坐标系下的位置点，然后导航系统控制底盘移动至第一个擦拭位置点；
模块M4：导航移动至擦拭位置点之后，机械臂运动并控制视觉系统拍照；视觉拍照识别得到台盆的形状，以及台盆的特征点位，台面的角点特征点在相机坐标系下的三维位置，并将台盆台面的相关特征信息发送给机械臂控制系统；
模块M5：控制系统接收到视觉数据之后，采用路径自动规划方法，计算得到台盆或台面的擦拭轨迹；
模块M6：台盆台面擦拭路径生成之后，机械臂控制系统内部再规划得到每个周期位置并下发给伺服驱动器，然后伺服驱动器控制机械臂运行；
模块M7：机械臂在当前位置点擦拭完成之后，通知导航系统，导航系统控制底盘移动至第二个位置点，接着重复模块M4～M6；当运动至最后一个导航位置点，机械臂擦拭任务完成之后，整个台盆台面擦拭结束。
9.根据权利要求8所述的清洁机器人台盆清扫路径自动规划系统，其特征在于，所述模块M2中视觉系统计算导航位置包括：
模块M2.1：计算导航位置点个数N，N的计算是根据台盆的台面宽度width和机械臂臂展L决定：
N＝width/L+1
情形1)：如果N等于1，则导航仅需要一个位置点，机械臂能够一次性将整个台盆和台面打扫完成；
情形2)：如果N大于1，则需要将台盆台面分为3个区域进行打扫，即中间台盆区域、左边台面区域和右边台面区域，则此时导航需要三个位置点；
模块M2.2：计算并导航在二维平面的位置点。
10.根据权利要求9所述的清洁机器人台盆清扫路径自动规划系统，其特征在于，所述模块M2.2具体包括：
对于情形1)，导航位置点横向的位置为导航中心点和台盆正中间对齐，对于众向距离，导航中心点距离台面前边沿面的距离为B，导航横向距离和众向距离确定之后，导航再结合二维地图信息，即能够确定导航位置点；
对于情形2)，打扫台盆区域时导航位置点横向的位置导航中心点和台盆正中间对齐，打扫左边台面区域时导航位置点横向的位置保证导航中心点和左边台面正中间对齐，打扫右边台面区域时导航位置点横向的位置保证导航中心点和右边台面正中间对齐；
对于众向距离，导航中心点距离台面前边沿面的距离为B，导航系统获取视觉给的台盆和台面的特征信息之后，再结合二维平面地图信息，即能够确定上所述的两种情况下的导航位置点；
所述步骤S5中机械臂路径自动规划包括：
矩形台面情况下：
步骤S5.1.1：计算擦拭的位置区域，视觉系统识别计算得到矩形台面的四个角点位置右下角位置pos0，左下角位置pos1，左上角位置pos2，右上角位置pos3，并将这几个位置发送给机械臂，机械臂根据这4个位置点，构成的一个四边形区域；
步骤S5.1.2：计算擦拭左右台面的姿态信息；
步骤S5.1.3：计算则得到擦拭过程中四个角点的位置以及姿态参数，再考虑台面擦拭工具的宽度，中间区域的位置再根据四个角点值，采用线性插值，得到中间区域的位置姿态值；
步骤S5.1.4：插值计算得到整个台面擦拭区域内机械臂末端的位置与姿态，然后机械臂内部按点到点的位置进行速度规划，轨迹插补确定整个擦拭路径轨迹；
所述步骤S5.1.2中计算擦拭左右台面的姿态信息包括：
在台面上建立一个用户坐标系user_ref，用pos0，pos1，pos2，pos3拟合得到矩形台面平面方程，确定user_ref的z方向user_ref_rz为垂直台面向下的方向向量；取user_ref的x方向user_ref_rx为pos0指向pos1的方向向量，确定user_ref_rx和user_ref_rz的方向之后，根据叉乘即能够确定user_ref的y方向user_ref_ry，此时确定user_ref为一个3×3的旋转矩阵rot_plane＝[user_ref_rx,user_ref_ry,user_ref_rz]；
所述步骤S5中机械臂路径自动规划还包括：
圆形形状台盆情况下：
步骤S5.2.1：计算擦拭的位置区域；
步骤S5.2.1：移动底盘移动至台盆擦拭位置区域之后，视觉系统拍照识别出台盆的形状，同时视觉系统将曲面台盆的位置点集发送给机械臂控制系统，机械臂缓存台盆曲面的位置点集posC(i)，接着采用五次多项式拟合方法，计算规划位置，规划机械臂末端位置，保证机械臂末端的轨迹和posC(i)点集的轨迹一样；
所述步骤S6包括：
在运动过程中，导航系统激光雷达检测周围是否有人靠近机器人，当距离在0.5～1米范围时，为1级预警；当距离小于0.5米时为2级预警；
当条件触发时，导航系统将信号发送给机械臂，机械臂收到1级预警信号时，内部降速至现在速度的50％；
机械臂收到2级预警信号时，机械臂暂停任务，直至预警解除，机械臂重新再开始运动任务。
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