一种防推倒服务机器人及处理方法与流程

本发明属于机器人领域，具体涉及一种防推倒服务机器人及处理方法。

背景技术：

随着机器人技术的不断发展，越来越多的机器人开始进入服务领域，担任起服务机器人角色。作为服务机器人，需要服务机器人拥有与人类相互交互的能力，这不仅包括语言、行为上的交互，也难免肢体上的物理交互。例如，在拥挤的医院服务的机器人难免会被穿梭的人群碰撞，或被好奇的儿童推搡；在社区服务的机器人搀扶老人走动。为了避免服务机器人在移动时与人类交互时跌倒，需要服务机器人有能力检测推搡，并采取相应的运动行为防止自身及被服务人员跌倒以致损伤。

目前大多数的服务机器人研究多重点关注语言、显示信息等人机交互处理，仅有少数技术着重机器人与人类在物理交互时的自我保护行为。如，Jory Lafaye等人采用模型预观测方法防止全向机器人在推搡时防推到的运动控制。然而，该方法主要用于机器人静止时的防推搡，且运算复杂，不适合采用廉价硬件的服务机器人的反应式运动控制；Double Robotics公司的Double Telepresence Robot。该机器人可以在前后方向通过自平衡运动控制抵抗一定扰动，但由于该机器人运动机构的限制，无法实现侧向推搡的放推到。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种防推倒服务机器人及处理方法，成本低，在与人类发生物理互动时能够避免出现推倒等情况。

一种防推倒服务机器人，包括全向轮底盘和设置在全向轮底盘上的机器人主体；全向轮底盘上设有若干个全向轮；全向轮底盘的四周分布设有若干个压力传感器，压力传感器用于检测全向轮底盘四周的受力情况；还包括设置在服务机器人上的防推倒控制模块，防推倒控制模块用于根据压力传感器检测到的受力情况，生成补偿运动速度，并根据补偿运动速度驱动全向轮底盘运动，使得服务机器人保持平衡。

优选地，所述压力传感器为多个，位于同一水平面上，且均匀分布在以全向轮底盘中心为圆心的圆上。

优选地，所述全向轮为多个，且均匀分布在全向轮底盘的四周。

一种上述的防推倒服务机器人的处理方法，包括以下步骤：

S1：建立以所述服务机器人质心为坐标系原点的三维坐标系，定义质心高度z为服务机器人等效高度；

S2：分别检测服务机器人静止或匀速运动时，第i个压力传感器的静止压力值Fn_i；

S3：当服务机器人受到外力作用时，分别检测服务机器人第i个压力传感器的受力压力值Fn_i^/，并根据静止压力值Fn_i计算得到第i个压力传感器的受力差值矢量ΔF_i，并根据压力传感器水平位置p_i＝[x,y]和受力差值矢量ΔF_i计算得到服务机器人受到的外力矢量F时的失衡指标p_ξ＝sum(p_i*ΔF_i)/sum(ΔF_i)，其中p_ξ为矢量[x_ξ,y_ξ]，x,y分别为压力传感器水平位置的横坐标和纵坐标，sum为求和运算；

S4：根据失衡指标p_ξ计算得到补偿运动速度，并根据补偿运动速度驱动全向轮底盘运动，使得服务机器人保持平衡。

优选地：所述步骤S4包括：

S41：建立以全向轮位置为顶点的基准多边形，并根据两个预设的缩放因子对基准多边形进行缩放，分别得到第一支撑多边形S_f和第二支撑多边形S_n；

S42：根据失衡指标p_ξ、第一支撑多边形S_f、第二支撑多边形S_n生成补偿运动速度；

S43：根据补偿运动速度驱动全向轮底盘运动，使得服务机器人保持平衡。

优选地：所述步骤S41中，所述第二支撑多边形S_n位于第一支撑多边形S_f内。

优选地：所述步骤S42包括以下步骤：

S42a：当失衡指标p_ξ位于第一支撑多边形S_f区域外，且当前服务机器人处于非补偿运动模式时，生成补偿运动速度，定义服务机器人处于补偿运动模式；

S42b：当失衡指标p_ζ位于第二支撑多边形S_n区域内，且服务机器人处于补偿运动模式时，设定补偿运动速度为零，定义服务机器人处于非补偿运动模式。

优选地：补偿运动速度V的计算公式如下：

V＝Vt+f(p_ξ)；

Vt为服务机器人预设的匀速运动速度，f(p_ξ)为PID控制模型。

优选地：当所述补偿运动速度为零时，驱动全向轮底盘运动按照预设的匀速运动速度运动。

由上述技术方案可知，本发明提供的防推倒服务机器人及处理方法，成本低，服务机器人在静止或执行运动任务时，能够监测四周受到的外力情况，并利用反应式运动行为吸收推搡扰动保持平衡，并同时尽可能保持原有运动方式，在与人类发生物理互动时能够避免出现推倒等情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本实施例中防推倒服务机器人的正视图。

图2为本实施例中防推倒服务机器人的立体图。

图3为基准多边形缩放后得到的第一、第二支撑多边形。

图4为本方法建立的基准多边形。

图中，1-机器人主体，2-全向轮底盘，3-压力传感器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

一种防推倒服务机器人，如图1-4所示，包括全向轮底盘2和设置在全向轮底盘上的机器人主体1；全向轮底盘2上设有若干个全向轮；全向轮底盘2的四周分布设有若干个压力传感器3，压力传感器3用于检测全向轮底盘2四周的受力情况；还包括设置在服务机器人上的防推倒控制模块，防推倒控制模块用于根据压力传感器检测到的受力情况，生成补偿运动速度，并根据补偿运动速度驱动全向轮底盘运动，使得服务机器人保持平衡。

防推倒控制模块实时对压力传感器检测的数据进行监控，全向轮能够实现360度移动，本实施例的全向轮底盘由申请人先前的专利(专利号：CN201610278474.1)得到。当服务机器人受到外力作用时，其压力传感器检测的数值发生变化，通过压力传感器检测的差值，得到补偿运动速度，并驱动全向轮底盘朝某方向、以某速度运动。服务机器人在静止或执行运动任务时，能够监测四周受到的外力情况，利用反应式运动行为吸收推搡扰动保持平衡，并同时尽可能保持原有运动方式，在与人类发生物理互动时能够避免出现推倒等情况。

具体实施时，所述压力传感器3为多个，优选为3个，位于同一水平面上，且均匀分布在以全向轮底盘中心为圆心的圆上。相邻的两个压力传感器形成120夹角。所述全向轮为多个，大于2个，且均匀分布在全向轮底盘的四周。

一种上述的防推倒服务机器人的处理方法，包括以下步骤：

S1：测量服务机器人的质量和形状，计算服务机器人的质心位置，并建立以所述服务机器人质心为坐标系原点的三维坐标系，定义质心高度z为服务机器人等效高度；

S2：分别检测服务机器人静止或匀速运动时，第i个压力传感器的静止压力值Fn_i；压力传感器在服务机器人静止或匀速运动时检测的数据认为是无外力作用下服务机器人四周受到的作用力。

S3：当服务机器人受到外力作用时，分别检测服务机器人第i个压力传感器的受力压力值Fn_i^/，并根据静止压力值Fn_i计算得到第i个压力传感器的受力差值矢量ΔF_i，并根据压力传感器水平位置p_i＝[x,y]和受力差值矢量ΔF_i计算得到服务机器人受到的外力矢量F时的失衡指标p_ξ＝sum(p_i*ΔF_i)/sum(ΔF_i)，其中p_ξ为矢量[x_ξ,y_ξ]，x,y分别为压力传感器水平位置的横坐标和纵坐标，sum为求和运算；x_ξ,y_ξ分别为p_ξ的横向矢量和纵向矢量。

其中，ΔF_i＝Fn_i^/-Fn_i，如果压力传感器为3个，则得到的受力差值矢量分别为ΔF₁、ΔF₂、ΔF₃。

S4：根据失衡指标p_ξ计算得到补偿运动速度，并根据补偿运动速度驱动全向轮底盘运动，使得服务机器人保持平衡。具体为：

S41：建立以全向轮位置为顶点的基准多边形，如图4所示，并根据两个预设的缩放因子对基准多边形进行缩放，缩放时保证基准多边形的中心不变，分别得到第一支撑多边形S_f和第二支撑多边形S_n；如果压力传感器为三个，则得到的基准多边形、第一支撑多边形S_f和第二支撑多边形S_n均为等边三角形。第一支撑多边形S_f和第二支撑多边形S_n对应的缩放因子不同。具体实施时，所述第二支撑多边形S_n位于第一支撑多边形S_f内。

S42：根据失衡指标p_ξ、第一支撑多边形S_f、第二支撑多边形S_n生成补偿运动速度；包括以下步骤：

S42a：当失衡指标p_ξ位于第一支撑多边形S_f区域外，且当前服务机器人处于非补偿运动模式时，判定服务机器人当前处于不稳定状态，需要加入不错运动矢量，生成补偿运动速度，定义服务机器人处于补偿运动模式；

补偿运动速度V的计算公式如下：

V＝Vt+f(p_ξ)；

Vt为服务机器人预设的匀速运动速度，f(p_ξ)为PID控制模型，即根据当前失衡指标p_ξ的位置状态，速度状态和历史积分状态计算补偿运动速度，驱动全向轮底盘运动根据补偿运动速度运动。

S42b：当失衡指标p_ξ位于第二支撑多边形S_n区域内，且服务机器人处于补偿运动模式时，判定服务机器人已经吸收推搡，可以回到非补偿运动模式，设定补偿运动速度为零，驱动全向轮底盘运动按照预设的匀速运动速度运动，定义服务机器人处于非补偿运动模式。

S43：根据补偿运动速度驱动全向轮底盘运动，使得服务机器人保持平衡。

该方法服务机器人在静止或执行运动任务时，能够监测四周受到的外力情况，并利用反应式运动行为吸收推搡扰动保持平衡，并同时尽可能保持原有运动方式，在与人类发生物理互动时能够避免出现推倒等情况。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。