一种陪跑机器人及其跟踪控制策略与运动控制方法
【专利摘要】一种陪跑机器人及其跟踪控制策略与运动控制方法，机器人包括运动执行器、Kinect传感器、数据中转站、上位机系统、电源模块、转串口模块和嵌入式运动控制器；Kinect传感器通过数据中转站与上位机系统连接；数据中转站通过转串口模块、嵌入式运动控制器与运动执行器连接；电源模块向Kinect传感器、运动嵌入式控制器和运动执行器供电；其中运动执行器包含底盘、三组全向轮和电机，三组全向轮固定在底盘上，全向轮组与组之间的距离相等，电机与嵌入式运动控制器连接，电机驱动全向轮。本发明的陪跑机器人在底盘上设置三轮全向轮结构，使得该陪跑机器人具有高灵活性，可快速往任意方向移动，如能够纵向行驶、水平移动和自旋。
【专利说明】-种陪跑机器人及其跟踪控制策略与运动控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及自主移动机器人领域，更具体地，涉及一种陪跑机器人及其跟踪控制 策略与运动控制方法
【背景技术】
[0002] 随着人们生活质量的提高，自主移动的机器人已经可W代替人来完成普通的清洁 工作、货物搬运、儿童教育、家庭娱乐等各种事务，能灵活自主移动并能与人互动的机器人， 不仅是一项极具应用前景的高新技术，也是当前机器人行业的研究重点。
[0003]目前，自主跟踪目标物体的移动机器人发展正处于起步阶段，还没有得到大规模 的推广。现有技术中，提供了H种跟随机器人：跟随机器人（1)通过Kinect传感器采集深 度信息，动态地更新保存地图，成功实现了目标跟踪和避障；跟随机器人（2)利用Kinect传 感器的目标跟踪算法，结合目标的颜色和深度信息的方法减少跟踪过程中颜色相近物体的 干扰；跟随机器人（3)结合路径跟随算法，把人的行走路径作为跟踪的路径，使陪跑机器人 沿着与被跟随的人完全相同的路径行走。
[0004] 跟随机器人（1)、（2)考虑的跟踪目标为对普通物体的跟踪，而非对人体的跟踪。 在对人体进行跟踪的时候，由于人体的运动具有任意性，跟随机器人（1)、（2)无论是结构 还是控制方法都不足W使移动机器人实现对人体的快速跟随；此外，跟随机器人（1)、（2)、 (3)的平台为均为两轮差速结构，两轮差速结构的移动机器人为非全向移动机器人，在移动 中的灵活度相对不足；同时，上述跟随机器人（1)、（2)、（3)跟踪目标物体时的运动速度较 慢，难W实现跟随人体慢跑的功能。
【发明内容】
[0005] 本发明的发明目的一是针对现有技术的不足，提供一种高灵活性、可快速往任意 方向移动的陪跑机器人。
[0006] 本发明的发明目的二是根据发明目的一陪跑机器人，提供一种跟踪控制策略与运 动控制方法。
[0007] 为了实现发明目的一，采用的技术方案如下：
[0008] 本陪跑机器人包括运动执行器、设置于运动执行器上方的Kinect传感器、数据中 转站、上位机系统、电源模块、转串口模块和嵌入式运动控制器；其中Kinect传感器通过数 据中转站与上位机系统连接；数据中转站通过转串口模块与、嵌入式运动控制器与运动执 行器连接；电源模块向Kinect传感器、嵌入式运动控制器和运动执行器供电；运动执行器 包含底盘、H组全向轮和电机，H组全向轮固定在底盘上，全向轮组与组之间的距离相等， 电机与运动控制器连接，电机驱动全向轮。
[0009] 为了使陪跑机器人的运动控制更加精确，陪跑机器人还包括有测速模块，测速模 块的输入端接运动执行器，测速模块的输出端接嵌入式运动控制器；测速模块为编码器，编 码器的转动轴通过联轴器与电机连接。
[0010] 进一步地，所述的电机为额定电压为24V的电机。
[0011] 本发明的陪跑机器人中各部件需要四种电压；24V、12V、5V、3. 3V。市场上电压为 24V的电池只有蓄电池，该种电池比较重，为了降低陪跑机器人的负重，本发明的陪跑机器 人的电源由两块12V的裡电池串联而成。
[0012] 同时为了降低稳压芯片的损耗和稳压芯片本身的功耗，本陪跑机器人采用逐级降 压的方式为各个功能模块供电，具体如下：
[0013] 电源模块，包括顺次连接的电源、第一电压调节器、第二电压调节器和第H电压调 节器，电源向电机供电；第一电压调节器的输出端接Kinect传感器，第二电压调节器的输 出端接测速模块，第H电压调节器的输出端接嵌入式运动控制器。
[0014] 进一步地，电源模块上设有电源指示灯。
[0015] 进一步地，所述底盘包括六根等长的金属条和正H角形状钢板；每两根金属条作 为一个金属条组，各金属条组内的两根金属条平行放置，各金属条组的一端分别固定在正 H角形状钢板的H条上，另一端固定有电机，每组金属条之间的夹角为120度，全向轮设置 在电机的外侧，电机驱动全向轮。
[0016] 为了避免因碰撞破坏电机转轴和全向轮，所述全向轮的外侧设置有一个方形的保 护槽。
[0017] 为实现发明目的二，采用的技术方案如下：
[0018] 一种陪跑机器人的跟踪控制策略与运动控制方法，包括W下步骤：
[0019] S1.Kinect传感器采集一至两名用户的骨骼信息，并将骨骼信息输送至上位机系 统，其中骨骼信息包括多峽骨骼峽，骨骼峽上包含多个骨骼点；
[0020] S2.上位机系统对采集的骨骼信息进行读取，遍历所有骨骼峽上的骨骼点，对跟 踪手势进行检测，若检测不到跟踪手势，跳至步骤S1;若检测到跟踪手势，上位机系统控制 Kinect传感器对检测到跟踪手势的用户进行锁定跟踪，只采集该用户的骨骼信息；
[0021] S3.上位机系统提取锁定跟踪的用户骨骼信息中的肩部中也点坐标和四元数，得 到当前时刻用户与陪跑机器人之间的相对距离和角度；使用基于跟随领航者策略计算陪跑 机器人的期望速度，并将此期望速度通过转串口模块发送至嵌入式运动控制器；
[0022]S4.嵌入式运动控制器根据陪跑机器人的期望速度，对陪跑机器人实施运动控制。
[0023] 进一步地，所述步骤S3中的基于跟随领航者策略具体如下：
[0024] 上位机系统获得当前时刻用户相对于陪跑机器人的水平距离1,、纵向距离lyW及 两者的相对角度0。定义0表示机器人的自旋角度，设用户的状态为（Vh，Viy，01)，陪跑机 器人的状态为（V2y，V2y, 0 2)。其中
[00巧] 氏-0、二巧
[002引设人体角度e1= 0,则用户状态为（Vh，Viy，0)，陪跑机器人的状态为 (V2x，i'2j，口）。在保证用户和陪跑机器人在短时间内速度变化较小的条件下，用户相对于 陪跑机器人的距离和角度变化为：
[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] 定义也d，/抑，脚）为陪跑机器人与用户之间的期望位置，分别表示用户相对于陪 跑机器人的水平距离、纵向距离W及角度的期望值。采用比例控制策略控制用户相对于陪 跑机器人的距离和角度的变化量：
【权利要求】
1. 一种陪跑机器人，包括运动执行器、设置于运动执行器上方的Kinect传感器、数据 中转站、上位机系统、电源模块、转串口模块和嵌入式运动控制器；其中Kinect传感器通过 数据中转站与上位机系统连接；数据中转站通过转串口模块、嵌入式运动控制器与运动执 行器连接；电源模块向Kinect传感器、运动嵌入式控制器和运动执行器供电；其特征在于： 其中运动执行器包含底盘、三组全向轮（2)和电机（1)，三组全向轮（2)固定在底盘上，全 向轮（2)组与组之间的距离相等，电机（1)与嵌入式运动控制器连接，电机（1)驱动全向轮 ⑵。
2. 根据权利要求1所述的陪跑机器人，其特征在于：所述陪跑机器人还包括有测速模 块，测速模块的输入端接运动执行器，测速模块的输出端接嵌入式运动控制器。
3. 根据权利要求2所述的陪跑机器人，其特征在于：所述测速模块为编码器（3)，编码 器（3)的转动轴通过联轴器与电机（1)连接。
4. 根据权利要求3所述的陪跑机器人，其特征在于：所述电源模块包括顺次连接的电 源、第一电压调节器、第二电压调节器和第三电压调节器；其中电源由两块12V的锂电池串 联而成，电源向电机（1)供电；第一电压调节器的输出端接Kinect传感器，第二电压调节器 的输出端接测速模块，第三电压调节器的输出端接嵌入式运动控制器。
5. 根据权利要求4所述的陪跑机器人，其特征在于：所述电源模块上设有电源指示灯。
6. 根据权利要求1或2所述的陪跑机器人，其特征在于：所述底盘包括六根等长的金 属条和正三角形状钢板；每两根金属条作为一个金属条组，各金属条组内的两根金属条平 行放置，各金属条组的一端分别固定在正三角形状钢板的三条上，另一端固定有电机（1)， 每组金属条之间的夹角为120度，全向轮（2)设置在电机（1)的外侧，电机（1)驱动全向轮 (2)，全向轮（2)外侧设置有方型保护槽。
7. -种权利要求1至6任一项所述的陪跑机器人的跟踪控制策略与运动控制方法，其 特征在于：包括以下步骤： 51. Kinect传感器采集用户的骨骼信息，并将骨骼信息输送至上位机系统，其中骨骼 信息包括多帧骨骼帧，骨骼帧上包含多个骨骼点；
52. 上位机系统对采集的骨骼信息进行读取，遍历所有骨骼帧上面的骨骼点，对跟踪 手势进行检测，若检测不到跟踪手势，跳至步骤Sl ;若检测到跟踪手势，上位机系统控制 Kinect传感器对检测到跟踪手势的用户进行锁定跟踪，采集该用户的骨骼信息；
53. 上位机系统提取锁定跟踪的用户骨骼信息中的肩部中心点坐标和四元数，得到当 前时刻用户与陪跑机器人之间的相对距离和角度；使用基于跟随领航者策略计算陪跑机器 人的期望速度，并将得到的期望速度通过转串口模块发送至嵌入式运动控制器；
54. 嵌入式运动控制器根据陪跑机器人期望速度，对陪跑机器人实施运动控制。
8. 根据权利要求7所述的陪跑机器人的跟踪控制策略与运动控制方法，其特征在于： 所述步骤S3中的基于跟随领航者策略具体如下： 上位机系统获得当前时刻用户相对于陪跑机器人的水平距离Ix、纵向距离Iy以及两者 的相对角度P，定义Θ表示机器人的自旋角度，设用户的状态为（Vlx，Vly，Q1),陪跑机器人 的状态为（v 2x，v2y, θ2)，其中 θ2~θι=φ 假设人体角度Θ i = 0,则用户状态为（Vlx，Vly，0)，陪跑机器人的状态为 Dy⑷，在保证用户和陪跑机器人在短时间内速度变化较小的条件下，用户相对于 陪跑机器人的距离和角度变化为：
定义为陪跑机器人与用户之间的期望位置，分别表示用户相对于陪跑机 器人的水平距离、纵向距离以及角度的期望值； 采用比例控制策略控制用户相对于陪跑机器人的距离和角度的变化量：
其中，kpl、kp2、kp3为比例控制系数，应用比例控制器，使得I x - lxd，Iy - Iyd以及 ，-％，从而实现陪跑机器人跟随人体的控制目标； 联立上述各式，整理可得陪跑机器人的期望速度：
上位机系统计算得到陪跑机器人的期望速度，将计算获得的陪跑机器人的期望速度通 过转串口模块发送至嵌入式运动控制器。
9.根据权利要求8所述的陪跑机器人的跟踪控制策略与运动控制方法，其特征在于： 所述步骤S4中的运动控制具体如下： 首先对得到的期望速度进行处理，具体如下： 运动控制器得到的期望速度中纵向速度为Vy，水平速度为Vx，旋转速度为ω，设Vl，v 2， V3分别是三个全向轮的速度，的方向与Vx方向相同，贝1J各个全向轮的速度可分解为：
V3 = Vx 设1为全向轮中心到陪跑机器人中心的距离，则I1 = I2 = I3 = 1，则各个全向轮在旋 转速度上的分速度为Vi = A = ν3 = ω 1 ; 综上，得各个全向轮的速度与陪跑机器人期望速度关系如下：
运动控制器计算得到全向轮的运动速度之后，控制相关全向轮的运动。
10.根据权利要求8所述的陪跑机器人的跟踪控制策略与运动控制方法，其特征在于： 所述跟踪手势检测具体为：提取用户骨骼信息中右手掌的高度信息和右肩膀的高度信息 进行对比，如果右手掌的高度信息高于右肩膀的高度信息，则认为检测到了跟踪手势。
【文档编号】G05D1/02GK104375504SQ201410466889
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】成慧, 李小锟, 黄志杰 申请人:中山大学