一種陪跑機器人及其跟蹤控制策略與運動控制方法
【專利摘要】一種陪跑機器人及其跟蹤控制策略與運動控制方法，機器人包括運動執(zhí)行器、Kinect傳感器、數據中轉站、上位機系統(tǒng)、電源模塊、轉串口模塊和嵌入式運動控制器；Kinect傳感器通過數據中轉站與上位機系統(tǒng)連接；數據中轉站通過轉串口模塊、嵌入式運動控制器與運動執(zhí)行器連接；電源模塊向Kinect傳感器、運動嵌入式控制器和運動執(zhí)行器供電；其中運動執(zhí)行器包含底盤、三組全向輪和電機，三組全向輪固定在底盤上，全向輪組與組之間的距離相等，電機與嵌入式運動控制器連接，電機驅動全向輪。本發(fā)明的陪跑機器人在底盤上設置三輪全向輪結構，使得該陪跑機器人具有高靈活性，可快速往任意方向移動，如能夠縱向行駛、水平移動和自旋。
【專利說明】-種陪跑機器人及其跟蹤控制策略與運動控制方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及自主移動機器人領域，更具體地，涉及一種陪跑機器人及其跟蹤控制 策略與運動控制方法

【背景技術】
[0002] 隨著人們生活質量的提高，自主移動的機器人已經可W代替人來完成普通的清潔 工作、貨物搬運、兒童教育、家庭娛樂等各種事務，能靈活自主移動并能與人互動的機器人， 不僅是一項極具應用前景的高新技術，也是當前機器人行業(yè)的研究重點。
[0003]目前，自主跟蹤目標物體的移動機器人發(fā)展正處于起步階段，還沒有得到大規(guī)模 的推廣。現有技術中，提供了H種跟隨機器人：跟隨機器人（1)通過Kinect傳感器采集深 度信息，動態(tài)地更新保存地圖，成功實現了目標跟蹤和避障；跟隨機器人（2)利用Kinect傳 感器的目標跟蹤算法，結合目標的顏色和深度信息的方法減少跟蹤過程中顏色相近物體的 干擾；跟隨機器人（3)結合路徑跟隨算法，把人的行走路徑作為跟蹤的路徑，使陪跑機器人 沿著與被跟隨的人完全相同的路徑行走。
[0004] 跟隨機器人（1)、（2)考慮的跟蹤目標為對普通物體的跟蹤，而非對人體的跟蹤。 在對人體進行跟蹤的時候，由于人體的運動具有任意性，跟隨機器人（1)、（2)無論是結構 還是控制方法都不足W使移動機器人實現對人體的快速跟隨；此外，跟隨機器人（1)、（2)、 (3)的平臺為均為兩輪差速結構，兩輪差速結構的移動機器人為非全向移動機器人，在移動 中的靈活度相對不足；同時，上述跟隨機器人（1)、（2)、（3)跟蹤目標物體時的運動速度較 慢，難W實現跟隨人體慢跑的功能。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的發(fā)明目的一是針對現有技術的不足，提供一種高靈活性、可快速往任意 方向移動的陪跑機器人。
[0006] 本發(fā)明的發(fā)明目的二是根據發(fā)明目的一陪跑機器人，提供一種跟蹤控制策略與運 動控制方法。
[0007] 為了實現發(fā)明目的一，采用的技術方案如下：
[0008] 本陪跑機器人包括運動執(zhí)行器、設置于運動執(zhí)行器上方的Kinect傳感器、數據中 轉站、上位機系統(tǒng)、電源模塊、轉串口模塊和嵌入式運動控制器；其中Kinect傳感器通過數 據中轉站與上位機系統(tǒng)連接；數據中轉站通過轉串口模塊與、嵌入式運動控制器與運動執(zhí) 行器連接；電源模塊向Kinect傳感器、嵌入式運動控制器和運動執(zhí)行器供電；運動執(zhí)行器 包含底盤、H組全向輪和電機，H組全向輪固定在底盤上，全向輪組與組之間的距離相等， 電機與運動控制器連接，電機驅動全向輪。
[0009] 為了使陪跑機器人的運動控制更加精確，陪跑機器人還包括有測速模塊，測速模 塊的輸入端接運動執(zhí)行器，測速模塊的輸出端接嵌入式運動控制器；測速模塊為編碼器，編 碼器的轉動軸通過聯軸器與電機連接。
[0010] 進一步地，所述的電機為額定電壓為24V的電機。
[0011] 本發(fā)明的陪跑機器人中各部件需要四種電壓；24V、12V、5V、3. 3V。市場上電壓為 24V的電池只有蓄電池，該種電池比較重，為了降低陪跑機器人的負重，本發(fā)明的陪跑機器 人的電源由兩塊12V的裡電池串聯而成。
[0012] 同時為了降低穩(wěn)壓芯片的損耗和穩(wěn)壓芯片本身的功耗，本陪跑機器人采用逐級降 壓的方式為各個功能模塊供電，具體如下：
[0013] 電源模塊，包括順次連接的電源、第一電壓調節(jié)器、第二電壓調節(jié)器和第H電壓調 節(jié)器，電源向電機供電；第一電壓調節(jié)器的輸出端接Kinect傳感器，第二電壓調節(jié)器的輸 出端接測速模塊，第H電壓調節(jié)器的輸出端接嵌入式運動控制器。
[0014] 進一步地，電源模塊上設有電源指示燈。
[0015] 進一步地，所述底盤包括六根等長的金屬條和正H角形狀鋼板；每兩根金屬條作 為一個金屬條組，各金屬條組內的兩根金屬條平行放置，各金屬條組的一端分別固定在正 H角形狀鋼板的H條上，另一端固定有電機，每組金屬條之間的夾角為120度，全向輪設置 在電機的外側，電機驅動全向輪。
[0016] 為了避免因碰撞破壞電機轉軸和全向輪，所述全向輪的外側設置有一個方形的保 護槽。
[0017] 為實現發(fā)明目的二，采用的技術方案如下：
[0018] 一種陪跑機器人的跟蹤控制策略與運動控制方法，包括W下步驟：
[0019] S1.Kinect傳感器采集一至兩名用戶的骨骼信息，并將骨骼信息輸送至上位機系 統(tǒng)，其中骨骼信息包括多峽骨骼峽，骨骼峽上包含多個骨骼點；
[0020] S2.上位機系統(tǒng)對采集的骨骼信息進行讀取，遍歷所有骨骼峽上的骨骼點，對跟 蹤手勢進行檢測，若檢測不到跟蹤手勢，跳至步驟S1;若檢測到跟蹤手勢，上位機系統(tǒng)控制 Kinect傳感器對檢測到跟蹤手勢的用戶進行鎖定跟蹤，只采集該用戶的骨骼信息；
[0021] S3.上位機系統(tǒng)提取鎖定跟蹤的用戶骨骼信息中的肩部中也點坐標和四元數，得 到當前時刻用戶與陪跑機器人之間的相對距離和角度；使用基于跟隨領航者策略計算陪跑 機器人的期望速度，并將此期望速度通過轉串口模塊發(fā)送至嵌入式運動控制器；
[0022]S4.嵌入式運動控制器根據陪跑機器人的期望速度，對陪跑機器人實施運動控制。
[0023] 進一步地，所述步驟S3中的基于跟隨領航者策略具體如下：
[0024] 上位機系統(tǒng)獲得當前時刻用戶相對于陪跑機器人的水平距離1,、縱向距離lyW及 兩者的相對角度0。定義0表示機器人的自旋角度，設用戶的狀態(tài)為（Vh，Viy，01)，陪跑機 器人的狀態(tài)為（V2y，V2y, 0 2)。其中
[00巧] 氏-0、二巧
[002引設人體角度e1= 0,則用戶狀態(tài)為（Vh，Viy，0)，陪跑機器人的狀態(tài)為 (V2x，i'2j，口）。在保證用戶和陪跑機器人在短時間內速度變化較小的條件下，用戶相對于 陪跑機器人的距離和角度變化為：
[OOW] /、- = v'2_、- cos界一1:21, sin界一V|_、-，/,.. = v-'21.' cos口+ v'2.r sin(口一V| 1.',
[0028] <p-a).
[0029] 定義也d，/抑，腳）為陪跑機器人與用戶之間的期望位置，分別表示用戶相對于陪 跑機器人的水平距離、縱向距離W及角度的期望值。采用比例控制策略控制用戶相對于陪 跑機器人的距離和角度的變化量：

【權利要求】
1. 一種陪跑機器人，包括運動執(zhí)行器、設置于運動執(zhí)行器上方的Kinect傳感器、數據 中轉站、上位機系統(tǒng)、電源模塊、轉串口模塊和嵌入式運動控制器；其中Kinect傳感器通過 數據中轉站與上位機系統(tǒng)連接；數據中轉站通過轉串口模塊、嵌入式運動控制器與運動執(zhí) 行器連接；電源模塊向Kinect傳感器、運動嵌入式控制器和運動執(zhí)行器供電；其特征在于： 其中運動執(zhí)行器包含底盤、三組全向輪（2)和電機（1)，三組全向輪（2)固定在底盤上，全 向輪（2)組與組之間的距離相等，電機（1)與嵌入式運動控制器連接，電機（1)驅動全向輪 ⑵。
2. 根據權利要求1所述的陪跑機器人，其特征在于：所述陪跑機器人還包括有測速模 塊，測速模塊的輸入端接運動執(zhí)行器，測速模塊的輸出端接嵌入式運動控制器。
3. 根據權利要求2所述的陪跑機器人，其特征在于：所述測速模塊為編碼器（3)，編碼 器（3)的轉動軸通過聯軸器與電機（1)連接。
4. 根據權利要求3所述的陪跑機器人，其特征在于：所述電源模塊包括順次連接的電 源、第一電壓調節(jié)器、第二電壓調節(jié)器和第三電壓調節(jié)器；其中電源由兩塊12V的鋰電池串 聯而成，電源向電機（1)供電；第一電壓調節(jié)器的輸出端接Kinect傳感器，第二電壓調節(jié)器 的輸出端接測速模塊，第三電壓調節(jié)器的輸出端接嵌入式運動控制器。
5. 根據權利要求4所述的陪跑機器人，其特征在于：所述電源模塊上設有電源指示燈。
6. 根據權利要求1或2所述的陪跑機器人，其特征在于：所述底盤包括六根等長的金 屬條和正三角形狀鋼板；每兩根金屬條作為一個金屬條組，各金屬條組內的兩根金屬條平 行放置，各金屬條組的一端分別固定在正三角形狀鋼板的三條上，另一端固定有電機（1)， 每組金屬條之間的夾角為120度，全向輪（2)設置在電機（1)的外側，電機（1)驅動全向輪 (2)，全向輪（2)外側設置有方型保護槽。
7. -種權利要求1至6任一項所述的陪跑機器人的跟蹤控制策略與運動控制方法，其 特征在于：包括以下步驟： 51. Kinect傳感器采集用戶的骨骼信息，并將骨骼信息輸送至上位機系統(tǒng)，其中骨骼 信息包括多幀骨骼幀，骨骼幀上包含多個骨骼點；
52. 上位機系統(tǒng)對采集的骨骼信息進行讀取，遍歷所有骨骼幀上面的骨骼點，對跟蹤 手勢進行檢測，若檢測不到跟蹤手勢，跳至步驟Sl ;若檢測到跟蹤手勢，上位機系統(tǒng)控制 Kinect傳感器對檢測到跟蹤手勢的用戶進行鎖定跟蹤，采集該用戶的骨骼信息；
53. 上位機系統(tǒng)提取鎖定跟蹤的用戶骨骼信息中的肩部中心點坐標和四元數，得到當 前時刻用戶與陪跑機器人之間的相對距離和角度；使用基于跟隨領航者策略計算陪跑機器 人的期望速度，并將得到的期望速度通過轉串口模塊發(fā)送至嵌入式運動控制器；
54. 嵌入式運動控制器根據陪跑機器人期望速度，對陪跑機器人實施運動控制。
8. 根據權利要求7所述的陪跑機器人的跟蹤控制策略與運動控制方法，其特征在于： 所述步驟S3中的基于跟隨領航者策略具體如下： 上位機系統(tǒng)獲得當前時刻用戶相對于陪跑機器人的水平距離Ix、縱向距離Iy以及兩者 的相對角度P，定義Θ表示機器人的自旋角度，設用戶的狀態(tài)為（Vlx，Vly，Q1),陪跑機器人 的狀態(tài)為（v 2x，v2y, θ2)，其中 θ2~θι=φ 假設人體角度Θ i = 0,則用戶狀態(tài)為（Vlx，Vly，0)，陪跑機器人的狀態(tài)為 Dy⑷，在保證用戶和陪跑機器人在短時間內速度變化較小的條件下，用戶相對于 陪跑機器人的距離和角度變化為：
定義為陪跑機器人與用戶之間的期望位置，分別表示用戶相對于陪跑機 器人的水平距離、縱向距離以及角度的期望值； 采用比例控制策略控制用戶相對于陪跑機器人的距離和角度的變化量：
其中，kpl、kp2、kp3為比例控制系數，應用比例控制器，使得I x - lxd，Iy - Iyd以及 ，-％，從而實現陪跑機器人跟隨人體的控制目標； 聯立上述各式，整理可得陪跑機器人的期望速度：
上位機系統(tǒng)計算得到陪跑機器人的期望速度，將計算獲得的陪跑機器人的期望速度通 過轉串口模塊發(fā)送至嵌入式運動控制器。
9.根據權利要求8所述的陪跑機器人的跟蹤控制策略與運動控制方法，其特征在于： 所述步驟S4中的運動控制具體如下： 首先對得到的期望速度進行處理，具體如下： 運動控制器得到的期望速度中縱向速度為Vy，水平速度為Vx，旋轉速度為ω，設Vl，v 2， V3分別是三個全向輪的速度，的方向與Vx方向相同，貝1J各個全向輪的速度可分解為：
V3 = Vx 設1為全向輪中心到陪跑機器人中心的距離，則I1 = I2 = I3 = 1，則各個全向輪在旋 轉速度上的分速度為Vi = A = ν3 = ω 1 ; 綜上，得各個全向輪的速度與陪跑機器人期望速度關系如下：
運動控制器計算得到全向輪的運動速度之后，控制相關全向輪的運動。
10.根據權利要求8所述的陪跑機器人的跟蹤控制策略與運動控制方法，其特征在于： 所述跟蹤手勢檢測具體為：提取用戶骨骼信息中右手掌的高度信息和右肩膀的高度信息 進行對比，如果右手掌的高度信息高于右肩膀的高度信息，則認為檢測到了跟蹤手勢。
【文檔編號】G05D1/02GK104375504SQ201410466889
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權日:2014年9月12日
【發(fā)明者】成慧, 李小錕, 黃志杰 申請人:中山大學