CN117621060A - 一种环境感知的足式机器人落足控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种环境感知的足式机器人落足控制方法及系统，综合环境信息与机器人位姿，构建机器人周边环境的局部地图；将预估的机器人触地时的足端导致的地形变化情况转换至局部地图的坐标系中；依据当前机器人足端位置对局部地图进行修正，更新落足区域的局部地图；依据更新后的局部地图，规划机器人运动时的落足点位置。本发明将足端触地导致地形变化引入局部环境地图构建过程，为机器人落足点规划提供更加准确实时的地形信息。
Description
技术领域
本发明属于机器人控制技术领域，具体涉及一种环境感知的足式机器人落足控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
足式机器人足端与地面间的接触是离散点接触方式，相比于轮式、履带式机器人具有更强的崎岖地形适应性。为了使机器人更好的发挥复杂地形环境下的运动性能，目前一般均利用机器人上安装的激光、视觉、深度相机等传感器，建立机器人局部环境地图，使机器人具备对周边地形的感知能力，从而实现基于地形信息的落足点规划控制，保证机器人复杂地形环境下运动的稳定性。
然而，由于受限于传感器安装位置及探测范围限制，机器人足端地形信息通常较难实时获取，并且现有环境感知方案建立局部地图时均未考虑机器人运动时足端对地形施加的影响，尤其是机器人在通过沙石、草地、泥地等容易因外力产生形变的地面环境时，足端触地导致的地面形变将会使构建局部地图与真实地面环境相比产生较大失真，不利于机器人落足点规划，影响后续机器人运动的稳定性。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种环境感知的足式机器人落足控制方法及系统，本发明将足端触地导致地形变化引入局部环境地图构建过程，为机器人落足点规划提供更加准确实时的地形信息。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种环境感知的足式机器人落足控制方法，包括以下步骤：
综合环境信息与机器人位姿，构建机器人周边环境的局部地图；
将预估的机器人触地时的足端导致的地形变化情况转换至局部地图的坐标系中；
依据当前机器人足端位置对局部地图进行修正，更新落足区域的局部地图；
依据更新后的局部地图，规划机器人运动时的落足点位置。
作为可选择的实施方式，将预估的机器人触地时的足端导致的地形变化情况转换至局部地图的坐标系中的具体过程包括：
在机器人坐标系下将足端垂直于触地接触面的踏深变化简化为二维高斯分布模型；
通过足端位置坐标转换，将当前所有足端触地形成的二维高斯分布模型转换至局部地图的坐标系中，形成触地局部子地图。
作为可选择的实施方式，依据当前机器人足端位置对局部地图进行修正的具体过程包括依据机器人在局部地图中的位置，将触地局部子地图与局部地图进行贝叶斯融合，完成对局部地图的修正。
一种环境感知的足式机器人落足控制系统，包括：
局部地图构建模块，被配置为综合环境信息与机器人位姿，构建机器人周边环境的局部地图；
足端位置坐标转换模块，被配置为将预估的机器人触地时的足端导致的地形变化情况转换至局部地图的坐标系中；
局部地图修正模块，被配置为依据当前机器人足端位置对局部地图进行修正，更新落足区域的局部地图；
落足点规划模块，被配置为依据更新后的局部地图，规划机器人运动时的落足点位置。
作为可选择的实施方式，还包括机器人运动控制模块，被配置为根据落足点规划模块规划的落足点位置，进行机器人运动控制，执行所述落足点位置的控制。
作为可选择的实施方式，还包括环境感知传感器模块，被配置为获取环境信息。
作为可选择的实施方式，还包括机器人状态估计模块，被配置为估计机器人位姿。
作为可选择的实施方式，足端位置坐标转换模块，被配置为在机器人坐标系下将足端垂直于触地接触面的踏深变化简化为二维高斯分布模型；
通过足端位置坐标转换，将当前所有足端触地形成的二维高斯分布模型转换至局部地图的坐标系中，形成触地局部子地图。
作为进一步的实施方式，所述局部地图修正模块，被配置为依据机器人在局部地图中的位置，将触地局部子地图与局部地图进行贝叶斯融合，完成对局部地图的修正。
一种足式机器人，包括上述系统，或采用上述方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明创新性提供了一种环境感知的足式机器人落足控制方法及系统，通过将机器人足端触地导致的地形变化引入局部环境感知地图构建过程，可以使机器人运动过程中更加实时精确的感知地形变化情况，为高质量的机器人落足点规划提供了保障，尤其是机器人在通过沙石、草地、泥地等容易因外力产生形变的地面环境时，可有效提升机器人运行的稳定性，为更好的发挥足式机器人应用效益提供了良好的基础。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本实施例的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
一种环境感知的足式机器人落足控制方法，包括以下步骤：
步骤一：综合环境信息与机器人位姿，构建机器人周边环境的局部地图；
步骤二：将预估的机器人触地时的足端导致的地形变化情况转换至局部地图的坐标系中；
步骤三：依据当前机器人足端位置对局部地图进行修正，更新落足区域的局部地图；
步骤四：依据更新后的局部地图，规划机器人运动时的落足点位置。
其中，上述步骤一和步骤四，均可采用现有技术。
本实施例的重点在于以下方面：
将预估的机器人触地时的足端导致的地形变化转换至局部地图的坐标系中，其中，预估的机器人触地时的足端导致的地形变化由以下模型得到。
在机器人坐标系下将足端垂直于触地接触面的踏深变化简化为二维高斯分布模型X是二维地面上的踏深分布，N表示二维高斯分布符号，角标R表示在机器人坐标系下，，i表示机器人足端索引，例如：两足机器人其取值为[1,2]，四足机器人取值为[1,2,3,4]，以此类推，其均值/>为第i足端触地点踏深，对应沿触地接触面分布方差则可依据足端几何形状进行人工调整设置；
之后，通过足端位置坐标转换(设变换矩阵为角标MR表示从机器人坐标系转换值局部地图坐标系)，将当前所有足端触地形成的高斯分布模型转换至局部地图坐标系：
其中:为变换矩阵对接触平面上x和y方向求导得到的雅可比矩阵，将所有足端转换完成后，所有足端位置可形成触地局部子地图：
最后，依据机器人在局部地图中的位置，将触地局部子地图与构建的局部地图进行贝叶斯融合，从而完成对局部地图的修正。
根据修正后/更新后的局部地图，规划机器人运动时的落足点位置。
实施例二
一种环境感知的足式机器人落足控制系统，包括：
环境感知传感器模块，用于获取环境信息；
局部地图构建模块，用于根据获取环境信息和估计的机器人位姿，构建机器人周边环境的局部地图；
落足点规划模块，用于根据构建的局部地图，规划机器人运动时的落足点位置；
机器人运动控制模块，用于根据规划的落足点，进行相应的机器人控制，执行控制指令；
机器人状态估计模块，用于根据机器人运动控制模块的状态反馈，估计机器人位姿。
上述模块，均为目前足式机器人已有模块。例如可以参照发明名称为变电站足式机器人姿态调整方法、控制器、系统及机器人，申请号为202011636758.6的中国发明专利，或发明名称为足式机器人足端触地检测方法及系统，申请号为202211464249.9的中国发明专利。当然，也可以采用其他现有模块或方法。
本实施例的改进在于在上述系统的基础上，如图1所示，加入局部地图修正模块、足端位置坐标转换模块。
足端位置坐标转换模块用于将机器人状态估计模块得到的机器人触地时的足端导致的地形变化情况转换至局部地图坐标系中，之后局部地图修正模块依据当前机器人足端位置对局部地图构建模块输出的局部地图进行修正，从而实现对落足区域局部地图的实时更新，为后续机器人落足点规划提供更加准确实时的地形信息。
上述模块的工作过程如实施例一所述的局部地图进行修正的相关步骤，在此不再赘述。
落足点规划模块，用于根据修正后/更新后的局部地图，规划机器人运动时的落足点位置。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，本领域技术人员不需要付出创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种环境感知的足式机器人落足控制方法，其特征是，包括以下步骤：
综合环境信息与机器人位姿，构建机器人周边环境的局部地图；
将预估的机器人触地时的足端导致的地形变化情况转换至局部地图的坐标系中；
依据当前机器人足端位置对局部地图进行修正，更新落足区域的局部地图；
依据更新后的局部地图，规划机器人运动时的落足点位置。
2.如权利要求1所述的一种环境感知的足式机器人落足控制方法，其特征是，将预估的机器人触地时的足端导致的地形变化情况转换至局部地图的坐标系中的具体过程包括：
在机器人坐标系下将足端垂直于触地接触面的踏深变化简化为二维高斯分布模型；
通过足端位置坐标转换，将当前所有足端触地形成的二维高斯分布模型转换至局部地图的坐标系中，形成触地局部子地图。
3.如权利要求2所述的一种环境感知的足式机器人落足控制方法，其特征是，依据当前机器人足端位置对局部地图进行修正的具体过程包括依据机器人在局部地图中的位置，将触地局部子地图与局部地图进行贝叶斯融合，完成对局部地图的修正。
4.一种环境感知的足式机器人落足控制系统，其特征是，包括：
局部地图构建模块，被配置为综合环境信息与机器人位姿，构建机器人周边环境的局部地图；
足端位置坐标转换模块，被配置为将预估的机器人触地时的足端导致的地形变化情况转换至局部地图的坐标系中；
局部地图修正模块，被配置为依据当前机器人足端位置对局部地图进行修正，更新落足区域的局部地图；
落足点规划模块，被配置为依据更新后的局部地图，规划机器人运动时的落足点位置。
5.如权利要求4所述的一种环境感知的足式机器人落足控制系统，其特征是，还包括机器人运动控制模块，被配置为根据落足点规划模块规划的落足点位置，进行机器人运动控制，执行所述落足点位置的控制。
6.如权利要求5所述的一种环境感知的足式机器人落足控制系统，其特征是，还包括环境感知传感器模块，被配置为获取环境信息。
7.如权利要求6所述的一种环境感知的足式机器人落足控制系统，其特征是，还包括机器人状态估计模块，被配置为估计机器人位姿。
8.如权利要求4所述的一种环境感知的足式机器人落足控制系统，其特征是，足端位置坐标转换模块，被配置为在机器人坐标系下将足端垂直于触地接触面的踏深变化简化为二维高斯分布模型；
通过足端位置坐标转换，将当前所有足端触地形成的二维高斯分布模型转换至局部地图的坐标系中，形成触地局部子地图。
9.如权利要求8所述的一种环境感知的足式机器人落足控制系统，其特征是，所述局部地图修正模块，被配置为依据机器人在局部地图中的位置，将触地局部子地图与局部地图进行贝叶斯融合，完成对局部地图的修正。
10.一种足式机器人，其特征是，包括权利要求4-9中任一项所述的系统，或采用权利要求1-3中任一项所述的方法。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311623598.5A CN117621060A (zh) | 2023-11-29 | 2023-11-29 | 一种环境感知的足式机器人落足控制方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN117621060A true CN117621060A (zh) | 2024-03-01 |
Family
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| CN202311623598.5A Pending CN117621060A (zh) | 2023-11-29 | 2023-11-29 | 一种环境感知的足式机器人落足控制方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| CN (1) | CN117621060A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117863190A (zh) * | 2024-03-08 | 2024-04-12 | 广州小鹏汽车科技有限公司 | 足式机器人的移动控制方法及足式机器人 |
-
2023
- 2023-11-29 CN CN202311623598.5A patent/CN117621060A/zh active Pending
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| CN117863190A (zh) * | 2024-03-08 | 2024-04-12 | 广州小鹏汽车科技有限公司 | 足式机器人的移动控制方法及足式机器人 |
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