一种机器人头部行程控制方法及其系统与流程

本发明涉及电子信息、机械领域，具体为一种机器人头部行程控制方法及其系统。

背景技术：

机器人(Robot)是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。

现有的机器人在运行时，通常是通过步进电机等执行部件来执行动作命令的，包括行走，转动等动作。由于科技的进步，怎样实现机器人拟人化，是一项较为困难的课题，特别是在机器人动作执行上拟人化。在机器人动作执行过程中，头部动作最难以实现拟人化的转动，现有的机器人常常会出现卡顿、动作呆滞等现象。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种机器人头部行程控制方法，能够实现机器人头部的转动控制，实现角速度的平滑过渡，使机器人运行平稳流畅，达到模拟人体头部动作的效果。

实现上述目的的技术方案是：一种机器人头部行程控制方法，包括以下步骤：

S1)获取目的地的位置，计算出起始位置到所述目的地的位置的机器人头部的总转动角度；

S2)根据所述总转动角度，分别定义加速转动角度、匀速转动角度、减速转动角度；

S3)接收转动指令，分别控制所述机器人头部在所述加速转动角度、匀速转动角度、减速转动角度的转动过程中角速度的平滑过渡；

S4)接收停止转动指令，完成所述机器人头部运行。

所述步骤S3)包括以下步骤，

S31)在加速转动角度的转动过程中，控制所述机器人头部以零角速度平缓加速到速度ω₁；

S32)在匀速转动角度的转动过程中，控制所述机器人头部以速度ω₁匀速转动；

S33)在减速转动角度的转动过程中，控制所述机器人头部以速度ω₁平滑减速。

在步骤S3)每一步骤中，及时获取所述机器人头部的实时转动角度，当所述实时转动角度达到总转动角度或达到机器人头部的极限转动角度后，执行停止转动指令。

所述总转动角度包括水平方向总转动角度和/或竖直方向总转动角度。

所述总转动角度包括水平方向总转动角度和竖直方向总转动角度时，在所述步骤S3)中，同时控制所述机器人头部在水平方向和竖直方向转动。

所述水平方向总转动角度的范围为：以正前方为原点，向左和向右的极限转动角度为80°。

所述竖直方向总转动角度的范围为：以正前方为原点，竖直方向向上和向下的极限转动角度为30°。

本发明另一个目的在于：提供一种机器人头部行程控制系统。

实现上述目的的技术方案是：一种机器人头部行程控制系统，包括

一执行系统，用于执行机器人头部的转动；

一控制中心，用于获取目的地的位置，计算出起始位置到所述目的地的位置的机器人头部的总转动角度，以及，用于根据所述总转动角度，分别定义加速转动角度、匀速转动角度、减速转动角度，以及用于控制所述执行系统。

所述执行系统包括

一水平方向步进电机，用于控制所述机器人头部在水平方向转动；

一竖直方向步进电机，用于控制所述机器人头部在竖直方向转动；

至少一对绝对编码器，分别安装于所述水平方向步进电机和竖直方向步进电机的机轴上，用于获取所述水平方向步进电机和所述竖直方向步进电机的机轴的变化的角速度，并将所述机轴的角速度传递至所述控制中心。

所述的机器人头部行程控制系统还设有四个传感器，设于所述机器人头部的转动于极限转动角度处，所述传感器用于所述机器人头部的定位校准和限位。

本发明的优点是：本发明的机器人头部行程控制方法极其系统，能够实现机器人头部的转动控制，实现角速度的平滑过渡，使机器人运行平稳流畅，达到模拟人体头部动作的效果，结构简单，而且通过感应器和绝对编码器能够实时获得机器人头部转动情况，包括机器人头部转动角度和转动速度，能够对机器人头部转动进行及时调整。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释。

图1是本发明实施例的机器人头部行程控制系统模块示意图。

图2是本发明实施例的机器人头部行程控制方法步骤流程图。

图3是图2中步骤3具体步骤流程图。

图4是本发明实施例的步进电机转动角速度与时间变化曲线图。

其中，

1 执行系统；2 控制中心；

11 水平方向步进电机；12 竖直方向步进电机；

13 绝对编码器；14 传感器。

具体实施方式

以下实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「顶」、「底」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

实施例，如图1所示，一种机器人头部行程控制系统，包括一执行系统1、一控制中心2。

其中，执行系统1信号或通过CAN总线连接于控制中心2，该执行系统1用于执行机器人头部的转动。控制中心2用于获取目的地的位置，计算出起始位置到所述目的地的位置的机器人头部的总转动角度，以及，用于根据所述总转动角度，分别定义加速转动角度、匀速转动角度、减速转动角度，以及用于控制执行系统1。

其中，控制中心2上设有输入输出接口，输入接口包括多个绝对编码器输入接口、SPI口、CAN通信口、程序调试接口以及电源接口，其中，SPI口用于连接传感器14。输出接口包括多个电机输出接口。该控制中心2装载有用于控制该机器人行程的应用程序。

具体的，该执行系统1包括一水平方向步进电机11、一竖直方向步进电机12、至少一对绝对编码器13以及四个传感器14。

水平方向步进电机11连接于控制中心2的对应接口，该水平方向步进电机11用于控制所述机器人头部在水平方向转动。竖直方向步进电机12连接于控制中心2的对应接口，该竖直方向步进电机12用于控制所述机器人头部在竖直方向转动。

绝对编码器13分别安装于水平方向步进电机11和竖直方向步进电机12的机轴上，用于获取所述水平方向步进电机11和所述竖直方向步进电机12的机轴的变化的角速度，并将所述机轴的角速度传递至控制中心2。四个传感器14设于所述机器人头部的转动于极限转动角度处，所述传感器14用于所述机器人头部的定位校准和限位。

基于上述的机器人头部行程控制系统，实现的机器人头部行程控制方法，其具体包括以下步骤。

如图2所示，S1)获取目的地的位置，计算出起始位置到所述目的地的位置的机器人头部的总转动角度。总转动角度包括水平方向总转动角度和/或竖直方向总转动角度。

所述水平方向总转动角度的范围为：以正前方为原点，向左和向右的极限转动角度为80°。

所述竖直方向总转动角度的范围为：以正前方为原点，竖直方向向上和向下的极限转动角度为30°。

例如获得机器人头部需要转动的位置，计算出总转动角度＝|目的位置角度-起始位置角度|。

S2)根据所述总转动角度，分别定义加速转动角度、匀速转动角度、减速转动角度。承接步骤S1)例，加速后完成的转动角度＝起始位置角度+设定的加速转动角度。减速开始转动角度＝目的位置角度-加速后完成的转动角度-匀速转动角度。

如：水平方向，起始位置角度＝0°，目的位置＝60°，则需要走的距离＝|0°-60°|＝60°。

设定的加速转动角度＝10°，设定的减速转动＝10°，设定的匀速转动角度＝10°。

加速完成位置角度＝0°+10°＝10°；减速开始转动位置＝60°-10°-10°＝40°。在该步骤中，可以省略匀速转动。

S3)接收转动指令，分别控制所述机器人头部在所述加速转动角度、匀速转动角度、减速转动角度的转动过程中角速度的平滑过渡。所述步骤S3)包括以下步骤，当总转动角度包括水平方向总转动角度和竖直方向总转动角度时，控制中心2同时控制机器人头部在水平方向和竖直方向转动。

如图3所示，S31)在加速转动角度的转动过程中，控制所述机器人头部以零角速度平缓加速到速度ω₁，即如在转动10°时，使水平方向步进电机11转动角速度为ω₁。

S32)在匀速转动角度的转动过程中，控制所述机器人头部以速度ω₁匀速转动。

S33)在减速转动角度的转动过程中，控制所述机器人头部以速度ω₁平滑减速。

在步骤S3)每一步骤中，控制中心2通过绝对编码器13及时获取所述机器人头部的实时转动角度，当所述实时转动角度达到总转动角度或达到机器人头部的极限转动角度后，执行停止转动指令。此时，绝对编码器13通过脉冲形式获得电机的转动角度的变化并将该信号传递至控制中心2，这样应用程序对该信号经过处理后，就可以得到步进电机机轴的实际角度位置。

S4)接收停止转动指令，完成所述机器人头部运行。

需要说明的是，本实施例中，控制中心2通过控制步进电机输入频率来控制步进电机的速度，最大速度150度/每秒，最小速度1.5度/每秒，最高频率666.6赫兹，最低频率6.6赫兹。为了模拟人类的头部运动，必须实现平滑的加减速控制，在应用程序中，动态的改变步进电机的旋转加速度的大小来模拟人类头部平滑的动作，经过试验得到速度控制曲线，其曲线如图4所示。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。