机器人步态规划方法及终端设备与流程
本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种机器人步态规划方法及终端设备。
背景技术：
仿人机器人与目标对象(如人、动物等)之间的交互是仿人机器人技术研究的重点。但是目前机器人在受到目标对象施加作用力的情况下，不能跟随目标对象行走，例如在仿人机器人与人牵手过程中，若人在牵手过程中行走，仿人机器人不能跟随人行走。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明实施例提供了机器人步态规划方法及终端设备，以解决目前机器人在受目标对象施加作用力的情况下不能跟随目标对象行走的问题。
本发明实施例的第一方面提供了机器人步态规划方法，包括：
通过传感器获取机器人在受到目标对象施加作用力时足端的受力信息；
根据所述受力信息计算所述机器人相对于本体质心的零力矩点的位置坐标；
根据所述相对于本体质心的零力矩点的位置坐标确定对所述机器人的步态规划结果。
本发明实施例的第二方面提供了机器人步态规划装置，包括：
获取模块，用于通过传感器获取机器人在受到目标对象施加作用力时足端的受力信息；
计算模块，用于根据所述受力信息计算所述机器人相对于本体质心的零力矩点的位置坐标；
处理模块，用于根据所述相对于本体质心的零力矩点的位置坐标确定对所述机器人的步态规划结果。
本发明实施例的第三方面提供了终端设备，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第一方面中的机器人步态规划方法。
本发明实施例的第四方面提供了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第一方面中的机器人步态规划方法。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：通过传感器获取机器人在受到目标对象施加作用力时足端的受力信息，根据受力信息计算机器人相对于本体质心的零力矩点的位置坐标，再根据相对于本体质心的零力矩点的位置坐标确定对机器人的步态规划结果，能够将目标对象对机器人的作用力转换到机器人平衡控制的零力矩点，利用零力矩点进行步态规划，从而实现机器人在受目标对象施加作用力的条件下跟随目标对象行走。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的机器人步态规划方法的实现流程图；
图2是本发明实施例提供的仿人机器人在人牵引下跟随人行走的示意图；
图3是本发明实施例提供的传感器在仿人机器人足端布置位置的示意图；
图4是本发明实施例提供的六维力传感器感应到的受力信息的示意图；
图5是本发明实施例提供的机器人步态规划方法中计算机器人相对于本体质心的零力矩点的位置坐标的实现流程图；
图6是本发明实施例提供的机器人步态规划装置的示意图；
图7是本发明实施例提供的终端设备的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图1为本发明实施例提供的机器人步态规划方法的实现流程图，详述如下：
在s101中，通过传感器获取机器人在受到目标对象施加作用力时足端的受力信息。
在本实施例中，机器人可以为足式机器人，如双足的仿人机器人或者四足的仿动物机器人等。目标对象可以为人、动物或者其他能够进行移动的物体。目标对象对机器人施加的作用力可以为拉力、牵引力、推力等，在此不作限定。可以通过设于机器人的用于感应力和/或力矩的传感器来感应机器人在受到目标对象施加作用力时足端的受力信息。
为便于说明，下面以双足式的仿人机器人在受到人牵手作用下跟随人行走的过程为例进行说明，但并不作为限定。如图2所示为仿人机器人在人牵引下，跟随人行走的示意图。
可选地，可以通过六维力传感器获取所述机器人在受到目标对象施加作用力时足端的受力信息；所述六维力传感器设于所述机器人的足端。
在本实施例中，可以通过设置于机器人足端的六维力传感器来获取机器人在受到目标对象施加作用力时足端的受力信息。当人牵手仿人机器人并与其产生作用力时，这将会对机器人产生一个作用力，如牵引力。为能够准确检测人对机器人的牵引力，在仿人机器人足端分别安装六维力传感器，具体布置方式如图3所示。其中，六维力传感器用于检测仿人机器人的足底受力情况，感应到的受力信息如图4所示。坐标轴的具体方向可以根据实际场景确定，例如，可以使x轴和y轴所形成的平面与足底所在平面平行，z轴垂直于足底所在平面。
对于仿人机器人，左足端六维力传感器检测到的受力信息可以表示为fl＝[flxflyflzτlxτlyτlz]t，其中，flx，fly，flz分别为左足端受力信息中沿三个坐标轴方向的力值；τlx，τly，τlz分别为左足端受力信息中三个坐标轴方向对应的力矩值。右足端六维力传感器检测到的受力信息可以表示为fr＝[frxfryfrzτrxτryτrz]t，其中，frx，fry，frz分别为右足端受力信息中沿三个坐标轴方向的力值；τrx，τry，τrz分别为右足端受力信息中三个坐标轴方向对应的力矩值。
在s102中，根据所述受力信息计算所述机器人相对于本体质心的零力矩点的位置坐标。
在本实施例中，可以根据机器人足端的受力信息计算机器人相对于本体质心的零力矩点(zeromomentpoint，zmp)的位置坐标。其中，本体质心为预设的机器人的质量中心点，可以作为步态规划过程中的一个参照点。例如可以根据机器人的结构设定一个点作为机器人的本体质心，该本体质心可以在机器人上，也可以在机器人外，在此不作限定。
作为本发明的一个实施例，所述传感器包括设于所述机器人左足端的第一传感器和设于所述机器人右足端的第二传感器；所述受力信息包括左足端受力信息和右足端受力信息。如图5所示，s102可以包括：
在s501中，根据所述第一传感器与左足底之间的距离值和所述左足端受力信息计算左足端对应的零力矩点的位置坐标。
在本实施例中，可以获取第一传感器的布置位置与左足底之间的距离值，根据该距离值和左足端受力信息计算左足端对应的零力矩点的位置坐标。
可选地，可以根据所述第一传感器与左足底之间的距离值、所述左足端受力信息和第一公式计算左足端对应的零力矩点的位置坐标；所述第一公式为：
pl＝[plxply0]t(1)
其中，pl为左足端对应的零力矩点的位置坐标；plx＝(-τly-flxdl)/flz，ply＝(-τlx-flydl)/flz；dl为所述第一传感器与左足底之间的距离值；flx，fly，flz分别为左足端受力信息中沿三个坐标轴方向的力值；τlx为左足端受力信息中x轴方向对应的力矩值，τly为左足端受力信息中y轴方向对应的力矩值。
本实施例通过第一传感器与左足底之间的距离值、左足端受力信息和第一公式能够准确计算左足端对应的零力矩点的位置坐标。
在s502中，根据所述第二传感器与右足底之间的距离值和所述右足端受力信息计算右足端对应的零力矩点的位置坐标。
在本实施例中，可以获取第二传感器的布置位置与右足底之间的距离值，根据该距离值和右足端受力信息计算右足端对应的零力矩点的位置坐标。
可选地，可以根据所述第二传感器与右足底之间的距离值、所述右足端受力信息和第二公式计算右足端对应的零力矩点的位置坐标；所述第二公式为：
pr＝[prxpry0]t(2)
其中，pr为右足端对应的零力矩点的位置坐标；prx＝(-τry-frxdr)/frz，pry＝(-τrx-frydr)/frz；dr为所述第二传感器与右足底之间的距离值；frx，fry，frz分别为右足端受力信息中沿三个坐标轴方向的力值；τrx为右足端受力信息中x轴方向对应的力矩值，τry为右足端受力信息中y轴方向对应的力矩值。
本实施例通过第二传感器与右足底之间的距离值、右足端受力信息和第二公式能够准确计算右足端对应的零力矩点的位置坐标。
在s203中，根据本体质心与所述第一传感器的相对位置信息、本体质心与所述第二传感器的相对位置信息、所述左足端对应的零力矩点的位置坐标和所述右足端对应的零力矩点的位置坐标计算所述机器人相对于本体质心的零力矩点的位置坐标。
在本实施例中，可以获取机器人本体质心的位置信息、第一传感器的位置信息及第二传感器的位置信息，根据机器人本体质心的位置信息和第一传感器的位置信息得到本体质心与第一传感器的相对位置信息；根据机器人本体质心的位置信息和第二传感器的位置信息得到本体质心与第二传感器的相对位置信息。
可选地，可以根据本体质心与所述第一传感器的相对位置信息、本体质心与所述第二传感器的相对位置信息、所述左足端对应的零力矩点的位置坐标、所述右足端对应的零力矩点的位置坐标和第三公式计算相对于本体质心的零力矩点的位置坐标；所述第三公式为：
pb＝[pbxpby0]t(3)
其中，pb为相对于本体质心的零力矩点的位置坐标；
本发明实施例为了能够通过检测zmp的变化实现对机器人的步态规划，提出一种相对于本体质心的机器人zmp的计算方法，能够根据计算得到的相对于本体质心的zmp位置坐标对机器人进行步态规划。
在s103中，根据所述相对于本体质心的零力矩点的位置坐标确定对所述机器人的步态规划结果。
在本实施例中，可以根据s102计算得到的相对于本体质心的零力矩点的位置坐标确定对机器人的步态规划结果。根据步态规划结果可以对机器人的行走步态进行调整，对机器人进行平衡控制，使得机器人能够在受到目标对象的施加作用力条件下跟随目标对象行走。
本发明实施例通过传感器获取机器人在受到目标对象施加作用力时足端的受力信息，根据受力信息计算机器人相对于本体质心的零力矩点的位置坐标，再根据相对于本体质心的零力矩点的位置坐标确定对机器人的步态规划结果，能够将目标对象对机器人的作用力转换到机器人平衡控制的零力矩点，利用零力矩点进行步态规划，从而实现机器人在受目标对象施加作用力的条件下跟随目标对象行走。
可选地，s103可以包括：
将所述相对于本体质心的零力矩点的位置坐标与预设步幅阈值进行对比，确定对所述机器人的步幅规划结果。
在本实施例中，为了实现对机器人的步态规划，可以根据实际检测的相对于本体质点的zmp对仿人机器人进行步态规划，其中步态规划可以包括前向与侧向的步幅规划。为了能够很好的跟踪目标对象的行走，当目标对象施加作用力较大时，相应的，相对于本体质点的zmp值会较大，此时需要比较快速的跟随，即调大机器人的步幅；反之，则需要较慢的跟随，即调小机器人的步幅。
本发明实施例可以获取预设步幅阈值，通过预设步幅阈值来判断相对于本体质心的零力矩点的位置坐标所属的范围区间，并将相应范围区间对应的步幅值作为对机器人的步幅规划结果，将机器人的行走步幅调整到相应范围区间对应的步幅值，从而确保机器人在受目标对象施加作用力的条件下跟随目标对象行走。
可选地，可以根据所述相对于本体质心的零力矩点的位置坐标与预设步幅分段函数公式确定对所述机器人的步幅规划结果；所述预设步幅分段函数公式为：
其中，l为步幅；pb为所述相对于本体质心的零力矩点的位置坐标；p1和p2均为预设步幅阈值，p1和p2均为正数且p1<p2；k1为步幅系数。其中，预设步幅阈值p1和p2，步幅系数k1的取值可以根据实际需求进行设置，在此不作限定。通过调整预设步幅阈值和步幅系数可以实现对步幅规划的调整。
本发明实施例通过预设步幅分段函数公式、预设步幅阈值及步幅系数能够对机器人的步幅规划结果进行调整，使机器人的步幅规划能够适用于不同的机器人及不同的应用场景等。
本发明实施例通过传感器获取机器人在受到目标对象施加作用力时足端的受力信息，根据受力信息计算机器人相对于本体质心的零力矩点的位置坐标，再根据相对于本体质心的零力矩点的位置坐标确定对机器人的步态规划结果，能够将目标对象对机器人的作用力转换到机器人平衡控制的零力矩点，利用零力矩点进行步态规划，从而实现机器人在受目标对象施加作用力的条件下跟随目标对象行走。
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，而不应对本发明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机器人步态规划方法，图6示出了本发明实施例提供的机器人步态规划装置的示意图。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。
参照图6，该装置包括获取模块61、计算模块62和处理模块63。
获取模块61，用于通过传感器获取机器人在受到目标对象施加作用力时足端的受力信息。
计算模块62，用于根据所述受力信息计算所述机器人相对于本体质心的零力矩点的位置坐标。
处理模块63，用于根据所述相对于本体质心的零力矩点的位置坐标确定对所述机器人的步态规划结果。
可选地，所述获取模块61用于：
通过六维力传感器获取所述机器人在受到目标对象施加作用力时足端的受力信息；所述六维力传感器设于所述机器人的足端。
可选地，所述传感器包括设于所述机器人左足端的第一传感器和设于所述机器人右足端的第二传感器；所述受力信息包括左足端受力信息和右足端受力信息；所述计算模块62用于：
根据所述第一传感器与左足底之间的距离值和所述左足端受力信息计算左足端对应的零力矩点的位置坐标；
根据所述第二传感器与右足底之间的距离值和所述右足端受力信息计算右足端对应的零力矩点的位置坐标；
根据本体质心与所述第一传感器的相对位置信息、本体质心与所述第二传感器的相对位置信息、所述左足端对应的零力矩点的位置坐标和所述右足端对应的零力矩点的位置坐标计算所述机器人相对于本体质心的零力矩点的位置坐标。
可选地，所述计算模块62用于：
根据所述第一传感器与左足底之间的距离值、所述左足端受力信息和第一公式计算左足端对应的零力矩点的位置坐标；所述第一公式为：
pl＝[plxply0]t
其中，pl为左足端对应的零力矩点的位置坐标；plx＝(-τly-flxdl)/flz，ply＝(-τlx-flydl)/flz；dl为所述第一传感器与左足底之间的距离值；flx，fly，flz分别为左足端受力信息中沿三个坐标轴方向的力值；τlx为左足端受力信息中x轴方向对应的力矩值，τly为左足端受力信息中y轴方向对应的力矩值。
可选地，所述计算模块62用于：
根据所述第二传感器与右足底之间的距离值、所述右足端受力信息和第二公式计算右足端对应的零力矩点的位置坐标；所述第二公式为：
pr＝[prxpry0]t
其中，pr为右足端对应的零力矩点的位置坐标；prx＝(-τry-frxdr)/frz，pry＝(-τrx-frydr)/frz；dr为所述第二传感器与右足底之间的距离值；frx，fry，frz分别为右足端受力信息中沿三个坐标轴方向的力值；τrx为右足端受力信息中x轴方向对应的力矩值，τry为右足端受力信息中y轴方向对应的力矩值。
可选地，所述计算模块62用于：
根据本体质心与所述第一传感器的相对位置信息、本体质心与所述第二传感器的相对位置信息、所述左足端对应的零力矩点的位置坐标、所述右足端对应的零力矩点的位置坐标和第三公式计算相对于本体质心的零力矩点的位置坐标；所述第三公式为：
pb＝[pbxpby0]t
其中，pb为相对于本体质心的零力矩点的位置坐标；
可选地，所述处理模块63用于：
将所述相对于本体质心的零力矩点的位置坐标与预设步幅阈值进行对比，确定对所述机器人的步幅规划结果。可选地，所述处理模块63用于：
根据所述相对于本体质心的零力矩点的位置坐标与预设步幅分段函数公式确定对所述机器人的步幅规划结果；所述预设步幅分段函数公式为：
其中，l为步幅；pb为所述相对于本体质心的零力矩点的位置坐标；p1和p2均为预设步幅阈值，p1和p2均为正数且p1<p2；k1为步幅系数。
本发明实施例通过传感器获取机器人在受到目标对象施加作用力时足端的受力信息，根据受力信息计算机器人相对于本体质心的零力矩点的位置坐标，再根据相对于本体质心的零力矩点的位置坐标确定对机器人的步态规划结果，能够将目标对象对机器人的作用力转换到机器人平衡控制的零力矩点，利用零力矩点进行步态规划，从而实现机器人在受目标对象施加作用力的条件下跟随目标对象行走。
图7是本发明一实施例提供的终端设备的示意图。如图7所示，该实施例的终端设备7包括：处理器70、存储器71以及存储在所述存储器71中并可在所述处理器70上运行的计算机程序72，例如程序。所述处理器70执行所述计算机程序72时实现上述各个方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤101至103。或者，所述处理器70执行所述计算机程序72时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图6所示模块61至63的功能。
示例性的，所述计算机程序72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71中，并由所述处理器70执行，以完成本发明。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72在所述终端设备7中的执行过程。
所述终端设备7可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器70、存储器71。本领域技术人员可以理解，图7仅仅是终端设备7的示例，并不构成对终端设备7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，例如所述终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线、显示器等。
所称处理器70可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、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71可以是所述终端设备7的内部存储单元，例如终端设备7的硬盘或内存。所述存储器71也可以是所述终端设备7的外部存储设备，例如所述终端设备7上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard，smc)，安全数字(securedigital，sd)卡，闪存卡(flashcard)等。进一步地，所述存储器71还可以既包括所述终端设备7的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器71用于存储所述计算机程序以及所述终端设备所需的其他程序和数据。所述存储器71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发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备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，在本发明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取存储介质中。基于这样的理解，本发明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(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、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是电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
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