一种足式巡检机器人站立位姿调整方法及系统与流程

1.本公开涉及足式机器人技术领域，特别涉及一种足式巡检机器人站立位姿调整方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.足式机器人在行走时会产生质心高度波动和躯干姿态抖动，导致传感器定位精度不高。而设备巡检对定位精度要求较高，当目标较远时，很小的角度偏差就会导致差之毫厘失之千里。
4.发明人发现，足式机器人的巡检步骤是逐个遍历预置的巡检点位，若到达目标点后立即减速并停止，往往存在较大的误差，即使踏步一段时间进行位置微调，也会由于躯干抖动导致停止位置不精确。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种足式巡检机器人站立位姿调整方法及系统，到达巡检预置位附近后，先张开四条腿增加支撑面积，然后站立微调，此时躯干姿态不再晃动，因而可获得更精确的定位精度，从而通过原地躯干平移和原地躯干扭转提升了最终站立的位置精度和角度精度。
6.为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
7.本公开第一方面提供了一种足式巡检机器人站立位姿调整方法。
8.一种足式巡检机器人站立位姿调整方法，包括以下步骤：
9.获取足式巡检机器人站立平稳后的姿态信息和几何信息；
10.根据获取的姿态信息和几何信息，得到足端在肩关节坐标系中的初始坐标；
11.结合初始坐标、躯干姿态调整量和左右脚分开的距离，得到足端在肩关节坐标系中新坐标，根据新坐标进行位姿调整。
12.作为可能的一些实现方式，对肩关节坐标系进行旋转得到第二坐标系，进一步得到第二坐标系中髋关节相对于原点的位置，结合腿左右张开调整量、躯干调整量和初始坐标，得到新坐标。
13.作为进一步的限定，躯干调整量包括躯干扭转角调整量、躯干俯仰角调整量、躯干横滚角调整量、躯干左右平移调整量、躯干前后平移调整量和躯干上下平移调整量。
14.作为进一步的限定，旋转采用z-y-x欧拉角表示，根据躯干的横滚角、俯仰角和扭转角调整量得到旋转矩阵。
15.作为更进一步的限定，新坐标为：
16.bhip
p
toe
＝r
x
(-ψ
ref
)ry(-θ
ref
)rz(-φ
ref
)(
phip
p
toe
+
p
p
hip
+
p
pb+δw)-b
p
hip
17.其中，
p
pb代表躯干在各个方向的平移量，
p
p
hip
代表第二坐标系中髋关节相对于原点的位置，δ代表左腿或者右腿，w代表腿左右张开调整量，ψ
ref
、θ
ref
、φ
ref
分别代表躯干的横
滚角、俯仰角和扭转角调整量。
18.作为可能的一些实现方式，足式机器人站立时的四只脚围成的支撑多边形大于肩关节和髋关节围成的四边形。
19.作为可能的一些实现方式，几何信息包括躯干到大腿根部的长度、大腿长度和小腿长度，姿态信息包括躯干、大腿和小腿间夹角。
20.本公开第二方面提供了一种足式巡检机器人站立位姿调整系统。
21.一种足式巡检机器人站立位姿调整系统，包括：
22.数据获取模块，被配置为：获取足式巡检机器人站立平稳后的姿态信息和几何信息；
23.初始坐标获取模块，被配置为：根据获取的姿态信息和几何信息，得到足端在肩关节坐标系中的初始坐标；
24.位姿调整模块，被配置为：结合初始坐标、躯干姿态调整量和左右脚分开的距离，得到足端在肩关节坐标系中新坐标，根据新坐标进行位姿调整。
25.本公开第三方面提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的足式巡检机器人站立位姿调整方法中的步骤。
26.本公开第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的足式巡检机器人站立位姿调整方法中的步骤。
27.与现有技术相比，本公开的有益效果是：
28.1、本公开创新性的提出了一种足式巡检机器人站立位姿调整方法，构建了笛卡尔坐标系下腿部运动学模型，研制了足式机器人站立位姿控制方法，避免了足式机器人在行走时产生质心位置波动和躯干姿态抖动导致的定位精度低的问题，提升了机器人站立的位置和角度精度。
29.2、本公开中，足式机器人站立时，左右腿分开一定间距，使四只脚围成的支撑多边形大于肩关节和髋关节围成的四边形，结合了初始坐标、躯干姿态调整量和左右脚分开的距离，得到了足端在肩关节坐标系中新坐标，实现了位姿的更精准调整。
附图说明
30.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
31.图1为本公开实施例1提供的足式巡检机器人站立位姿调整方法的示意图。
32.图2为本公开实施例1提供的足端坐标在肩关节坐标系中的坐标计算方法示意图。
33.图3为本公开实施例1提供的坐标转换示意图。
具体实施方式
34.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
35.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
36.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公开的示例性实施方式。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。
37.在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.实施例1：
39.如图1所示，本公开实施例1提供了一种足式巡检机器人站立位姿调整方法，包括以下步骤：
40.获取足式巡检机器人站立平稳后的姿态信息和几何信息；
41.根据获取的姿态信息和几何信息，得到足端在肩关节坐标系中的初始坐标；
42.结合初始坐标、躯干姿态调整量和左右脚分开的距离，得到足端在肩关节坐标系中新坐标，根据新坐标进行位姿调整。
43.具体的，包括以下内容：
44.足式机器人的巡检步骤是逐个遍历预置的巡检点位，每当到达目标点附近时，逐渐减速直至踏步，随后切换至站立状态。
45.站立时，左右腿分开一定间距，使四只脚围成的支撑多边形大于肩关节和髋关节围成的四边形，增强机器人的站立稳定性，该间距需要按实际情况进行调整，太小会导致后续躯干偏移时失稳倾倒，太大会导致腿部侧摆角度达到机械极限。
46.站稳后，足式机器人根据定位程序的位置和姿态反馈，进行躯干的位姿调整。其中，位置调整包含前后调整(沿x轴平移)和左右调整(沿y轴平移)，姿态调整为机器人左右扭转(绕z轴扭转)。此外，足式机器人也可按照巡检需要进行躯干倾斜度的调整，即横滚角调整(绕x轴旋转)和俯仰角调整(绕y轴旋转)。
47.下面介绍具体的姿态调整流程：
48.常规步态规划方式为控制四条腿末端在躯干坐标系下的位置，即
bhip
p
toe
来实现，本实施例将站立控制与姿态控制、腿张开的距离解耦，通过∑
p
和∑b两个坐标系来实现运动。
49.不改变原先的步态生成方式，站立步态输入
phip
p
toe
，经变换后融入躯干位移、姿态调整量和左右脚分开的距离，生成新的
bhip
p
toe
，用于足端控制。
50.具体旋转方式和平移方式推导过程如下，如图2所示，单腿足端坐标在肩关节坐标系中的坐标为：
[0051][0052]
由图2可知：
[0053]
p
p
toe
＝
prbb
p
toe
+
p
pbꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0054]
p
rb＝rz(φ
ref
)ry(θ
ref
)r
x
(ψ
ref
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0055]
p
p
toe
＝
phip
p
toe
+
p
p
hip
+δw
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0056]
进一步的，得到：
[0057]
bhip
p
toe
＝r
x
(-ψ
ref
)ry(-θ
ref
)rz(-φ
ref
)(
phip
p
toe
+
p
p
hip
+
p
pb+δw)-b
p
hip
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0058]
其中，
[0059][0060][0061][0062]
坐标系∑
p
由∑b旋转而成，旋转采用z-y-x欧拉角表示，由∑
p
到∑b的旋转矩阵为式(3)；其中，φ
ref
表示绕动坐标系z轴的扭转角，θ
ref
表示绕动坐标系y轴的俯仰角，ψ
ref
表示绕动坐标系x轴的横滚角，
phip
p
toe
为坐标系∑
p
中足尖相对于髋关节的位置，
p
p
hip
为坐标系∑
p
中髋关节相对于原点的位置。
[0063]
由此即可通过在
phip
p
toe
中加入姿态和位置信息，得到
bhip
p
toe
。
[0064]
控制式(5)中的变量即可控制足式机器人进行调整运动，变量列表如下：
[0065][0066][0067]
实施例2：
[0068]
本公开实施例2提供了一种足式巡检机器人站立位姿调整系统，包括：
[0069]
数据获取模块，被配置为：获取足式巡检机器人站立平稳后的姿态信息和几何信息；
[0070]
初始坐标获取模块，被配置为：根据获取的姿态信息和几何信息，得到足端在肩关节坐标系中的初始坐标；
[0071]
位姿调整模块，被配置为：结合初始坐标、躯干姿态调整量和左右脚分开的距离，得到足端在肩关节坐标系中新坐标，根据新坐标进行位姿调整。
[0072]
所述系统的工作方法与实施例1提供的足式巡检机器人站立位姿调整方法相同，
这里不再赘述。
[0073]
实施例3：
[0074]
本公开实施例3提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的足式巡检机器人站立位姿调整方法中的步骤，所述步骤为：
[0075]
获取足式巡检机器人站立平稳后的姿态信息和几何信息；
[0076]
根据获取的姿态信息和几何信息，得到足端在肩关节坐标系中的初始坐标；
[0077]
结合初始坐标、躯干姿态调整量和左右脚分开的距离，得到足端在肩关节坐标系中新坐标，根据新坐标进行位姿调整。
[0078]
详细步骤与实施例1提供的足式巡检机器人站立位姿调整方法相同，这里不再赘述。
[0079]
实施例4：
[0080]
本公开实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例1所述的足式巡检机器人站立位姿调整方法中的步骤，所述步骤为：
[0081]
获取足式巡检机器人站立平稳后的姿态信息和几何信息；
[0082]
根据获取的姿态信息和几何信息，得到足端在肩关节坐标系中的初始坐标；
[0083]
结合初始坐标、躯干姿态调整量和左右脚分开的距离，得到足端在肩关节坐标系中新坐标，根据新坐标进行位姿调整。
[0084]
详细步骤与实施例1提供的足式巡检机器人站立位姿调整方法相同，这里不再赘述。
[0085]
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开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和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0086]
本公开是参照根据本公开实施例的方法、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。
[0087]
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。
[0088]
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。
[0089]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以
通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random accessmemory，ram)等。
[0090]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。