一种自行走机器人装置及其控制方法与流程

1.本发明及机器人领域，具体涉及一种自行走机器人装置及其控制方法。


背景技术：

2.随着机器人技术的不断发展，人形机器人、巡检机器人的发展已经到来，它们慢慢的进入到人类、工业的生活中来，并给人来带来了更方便、更舒适的服务。对于服务机器人、巡检机器人来说，机器人智能自主行走非常重要，不但承载着整个机器人的重量，还需要实现整个机器人的行走功能。现有的服务机器人、巡检机器人都采用agv底盘，通常体积较大，不能上坡或下坡，从而导致机器人适应性减弱。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种自行走机器人装置及其控制方法。
4.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
5.(一)一种自行走机器人装置的控制方法，所述自行走机器人装置包括躯体，设置在躯体下部的左行走轮、右行走轮，以及对应的左驱动电机、右驱动电机，设置在躯体上的姿态传感器、处理器和控制器，所述控制方法包括以下步骤：
6.步骤1，启动自行走机器人装置，处理器获取姿态传感器采集的姿态数据，控制左驱动电机、右驱动电机，使左行走轮和右行走轮进行相应转动，从而使自行走机器人装置保持静止平衡；
7.步骤2，控制器确认自行走机器人装置保持静止平衡后，根据外部指令向处理器发送行走命令；
8.步骤3，处理器接收行走命令后，再次获取姿态传感器采集的姿态数据；
9.当行走命令为前进时，处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使左行走轮和右行走轮保持相同的转速前进；
10.当行走命令为后退时，处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使左行走轮和右行走轮保持相同的转速后退；
11.当行走命令为左转时，处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使右行走轮与左行走轮的转速差为正，进行向左转弯；
12.当行走命令为右转时，处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使右行走轮与左行走轮的转速差为负，进行向右转弯；
13.当行走命令为停止时，处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使左行走轮和右行走轮进行相应转动，从而使自行走机器人装置重新保持静止平衡。
14.进一步的，所述自行走机器人装置还包括语音交互系统，所述步骤2包含子步骤如下：
15.子步骤201，控制器确认自行走机器人装置保持静止平衡；
16.子步骤202，语音交互系统接收语音指令并处理为指令电信号，将指令电信号作为外部指令发送给控制器；
17.子步骤203，控制器根据外部指令向处理器发送行走命令。
18.更进一步的，所述自行走机器人装置还包括视觉系统，所述控制方法还包括步骤4，视觉系统采集行走路线的周围环境图像，识别行走路线上的障碍物，产生避障路线，根据避障路线生成外部指令并发送给控制器，控制器根据外部指令向处理器发送行走命令，返回步骤3。
19.(二)一种自行走机器人装置的控制方法，所述自行走机器人装置包括躯体，设置在躯体下部的左行走轮、右行走轮，以及对应的左驱动电机、右驱动电机，设置在躯体上的姿态传感器、前后重心调节机构、处理器和控制器，所述控制方法包括以下步骤：
20.步骤1，启动自行走机器人装置，处理器获取姿态传感器采集的姿态数据，控制左驱动电机、右驱动电机，使左行走轮和右行走轮进行相应转动，从而使自行走机器人装置保持静止平衡；
21.步骤2，控制器确认自行走机器人装置保持静止平衡后，根据外部指令控制前后重心调节机构改变自行走机器人装置的重心；
22.步骤3，处理器获取前后重心调节机构的重心位置后，再次获取姿态传感器采集的姿态数据；
23.当前后重心调节机构向前调节重心时，处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使左行走轮和右行走轮保持相同的转速前进；
24.当前后重心调节机构向后调节重心时，处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使左行走轮和右行走轮保持相同的转速后退；
25.当左右重心调节机构向左调节重心时，处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使右行走轮与左行走轮的转速差为正，进行向左转弯；
26.当左右重心调节机构向右调节重心时，处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使右行走轮与左行走轮的转速差为负，进行向右转弯；
27.当前后重心调节机构和左右重心调节机构恢复至初始位置时，处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使左行走轮和右行走轮进行相应转动，从而使自行走机器人装置重新保持静止平衡。
28.进一步的，所述自行走机器人装置还包括语音交互系统，所述步骤2包含子步骤如下：
29.子步骤201，控制器确认自行走机器人装置保持静止平衡；
30.子步骤202，语音交互系统接收语音指令并处理为指令电信号，将指令电信号作为外部指令发送给控制器；
31.子步骤203，控制器根据外部指令控制前后重心调节机构改变自行走机器人装置的重心。
32.更进一步的，所述自行走机器人装置还包括视觉系统，所述控制方法还包括步骤4，视觉系统采集行走路线的周围环境图像，识别行走路线上的障碍物，产生避障路线，根据避障路线生成外部指令并发送给控制器，控制器根据外部指令控制前后重心调节机构改变自行走机器人装置的重心，返回步骤3。
33.(三)一种自行走机器人装置，所述自行走机器人装置包括躯体，设置在躯体下部的左行走轮、右行走轮，以及对应的左驱动电机、右驱动电机，设置在躯体上的姿态传感器、前后重心调节机构、处理器和控制器，所述控制器与所述处理器电连接，所述处理器分别与所述左驱动电机和右驱动电机电连接；
34.所述前后重心调节机构包含包含第一支架、第一丝杠和第一配重螺母；所述第一支架与所述躯体固定连接，所述第一支架上沿前后方向设置所述第一丝杠，所述第一丝杠上设置所述第一配重螺母，所述第一支架上设置有与第一丝杠平行的穿过所述第一配重螺母的第一导向杆，所述第一支架的一端设置有用于驱动所述第一丝杠旋转的第一伺服电机；所述第一伺服电机与所述处理器电连接。
35.进一步的，所述躯体上设置有视觉系统，所述视觉系统包含摄像头和图像处理器，所述图像处理器与所述控制器电连接；所述图像处理器将摄像头获取的周围环境图像处理成外部指令，并发送给所述控制器，所述控制器将外部指令发送给处理器，所述处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使自行走机器人装置前进、后退或转弯。
36.更进一步的，所述躯体上设置有头部，所述视觉系统位于所述头部前侧。
37.更进一步的，所述躯体上还设置有语音交互系统，所述语音交互系统包含语音接收器、语音播放器和语音处理器，所述语音接收器、语音播放器均与所述语音处理器电连接，所述语音处理器与所述控制器电连接；所述语音接收器用于获取语音命令并将语音命令转化成外部指令发送给所述控制器，所述控制器将外部指令发送给处理器，所述处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使自行走机器人装置前进、后退或转弯。
38.与现有技术相比，本发明自行走机器人装置的控制方法的有益效果为：自行走机器人装置给处理器发送指令，处理器控制左驱动电机和右驱动电机转动，实现自行走机器人装置的前进、后退或转弯。本发明自行走机器人装置的有益效果为：通过控制沿前后方向设置的丝杠螺母机构中螺母的前进后退改变躯体的重心，姿态传感器获取重心变化的数据给处理器，处理器控制左驱动电机和右驱动电机，实现自行走机器人装置的前进、后退或转弯。
附图说明
39.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
40.图1为自行走机器人装置简化示意图；
41.图2为引入比例、微分反馈后的平衡控制系统示意图；
42.图3为本发明自行走机器人装置一种实施例的主视图；
43.图4为本发明自行走机器人装置一种实施例的左视图；
44.图5为本发明自行走机器人装置另一种实施例的左视图；
45.图6为本发明自行走机器人装置其躯体为人形的一种实施例；
46.在以上图中：1躯体；2左行走轮；3右行走轮；4前后重心调节机构；401第一支架；402第一丝杠；403第一配重螺母；404第一伺服电机；5视觉系统；6语音交互系统；7头部。
具体实施方式
47.下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将
会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
48.(一)一种自行走机器人装置的控制方法，所述自行走机器人装置包括躯体，设置在躯体下部的左行走轮、右行走轮，以及对应的左驱动电机、右驱动电机，设置在躯体上的姿态传感器、处理器和控制器，所述控制方法包括以下步骤：
49.步骤1，启动自行走机器人装置，处理器获取姿态传感器采集的姿态数据，控制左驱动电机、右驱动电机，使左行走轮和右行走轮进行相应转动，从而使自行走机器人装置保持静止平衡；
50.其中，姿态传感器使用mpu6050姿态检测芯片，该芯片是整合了3轴加速度计和3轴陀螺仪的6轴运动跟踪组件。姿态数据为自行走机器人装置的倾角。加速度计直接采集加速度，陀螺仪采集角速度，通过加速度计和陀螺仪协同测量得到自行走机器人装置的倾角。
51.自行走机器人装置的平衡控制：使用pd控制器构成的平衡控制系统。
52.把自行走机器人装置简化成高度为l，质量为m的简单倒立摆，将它放置在可以左右移动的行走轮上，如图1所示。假设外力的干扰引起自行走机器人装置产生角加速度x(t)。沿着垂直于自行走机器人装置底盘方向进行受力分析，可以得到自行走机器人装置倾角θ与行走轮运动加速度a(t)以及外力干扰加速度x(t)之间的运动方程。
53.则简化的自行走机器人装置运动方程：
[0054][0055]
在角度θ很小时，上式简化为：
[0056][0057]
自行走机器人装置静止时：a(t)＝0有
[0058][0059]
自行走机器人装置静止时，系统输入输出的传递函数为：
[0060][0061]
此时两个系统极点为：一个极点位于s平面的右半平面，因此自行走机器人装置不稳定。
[0062]
引入比例、微分反馈后的系统如图2所示。
[0063]
此时系统传递函数为：
[0064][0065]
此时两个系统极点为：当k1＞g，k2＞0时，两个极点都位于s平面的左半平面，自行走机器人装置可以稳定。
[0066]
则构造用于自行走机器人装置平衡控制的非线性pd控制算法如下所示：
[0067][0068]
式中，这里，k
pbal
(θ)为非线性比例环节参数，为非线性微分环节参数。
[0069]
步骤2，控制器确认自行走机器人装置保持静止平衡后，根据外部指令向处理器发送行走命令；
[0070]
步骤3，处理器接收行走命令后，再次获取姿态传感器采集的姿态数据；
[0071]
当行走命令为前进时，处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使左行走轮和右行走轮保持相同的转速前进；
[0072]
当行走命令为后退时，处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使左行走轮和右行走轮保持相同的转速后退；
[0073]
当行走命令为左转时，处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使右行走轮与左行走轮的转速差为正，进行向左转弯；
[0074]
当行走命令为右转时，处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使右行走轮与左行走轮的转速差为负，进行向右转弯；
[0075]
当行走命令为停止时，处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使左行走轮和右行走轮进行相应转动，从而使自行走机器人装置重新保持静止平衡。
[0076]
进一步的，所述自行走机器人装置还包括语音交互系统，所述步骤2包含子步骤如下：
[0077]
子步骤201，控制器确认自行走机器人装置保持静止平衡；
[0078]
子步骤202，语音交互系统接收语音指令并处理为指令电信号，将指令电信号作为外部指令发送给控制器；
[0079]
子步骤203，控制器根据外部指令向处理器发送行走命令。
[0080]
进一步的，在运动状态语音交互系统持续接收语音指令。
[0081]
进一步的，所述自行走机器人装置还包括视觉系统，所述控制方法还包括步骤4，视觉系统采集行走路线的周围环境图像，识别行走路线上的障碍物，产生避障路线，根据避障路线生成外部指令并发送给控制器，控制器根据外部指令向处理器发送行走命令，返回步骤3。
[0082]
(二)一种自行走机器人装置的控制方法，所述自行走机器人装置包括躯体，设置在躯体下部的左行走轮、右行走轮，以及对应的左驱动电机、右驱动电机，设置在躯体上的姿态传感器、前后重心调节机构、处理器和控制器，所述控制方法包括以下步骤：
[0083]
步骤1，启动自行走机器人装置，处理器获取姿态传感器采集的姿态数据，控制左驱动电机、右驱动电机，使左行走轮和右行走轮进行相应转动，从而使自行走机器人装置保持静止平衡；
[0084]
其中，姿态传感器使用mpu6050姿态检测芯片，该芯片是整合了3轴加速度计和3轴陀螺仪的6轴运动跟踪组件。姿态数据为自行走机器人装置的倾角。加速度计直接采集加速度，陀螺仪采集角速度，通过加速度计和陀螺仪协同测量得到自行走机器人装置的倾角。
[0085]
自行走机器人装置的平衡控制：使用pd控制器构成的平衡控制系统。
[0086]
把自行走机器人装置简化成高度为l，质量为m的简单倒立摆，将它放置在可以左右移动的行走轮上，如图1所示。假设外力的干扰引起自行走机器人装置产生角加速度x(t)。沿着垂直于自行走机器人装置底盘方向进行受力分析，可以得到自行走机器人装置倾角θ与行走轮运动加速度a(t)以及外力干扰加速度x(t)之间的运动方程。
[0087]
则简化的自行走机器人装置运动方程：
[0088][0089]
在角度θ很小时，上式简化为：
[0090][0091]
自行走机器人装置静止时：a(t)＝0有
[0092][0093]
自行走机器人装置静止时，系统输入输出的传递函数为：
[0094][0095]
此时两个系统极点为：一个极点位于s平面的右半平面，因此自行走机器人装置不稳定。
[0096]
引入比例、微分反馈后的系统如图2所示。
[0097]
此时系统传递函数为：
[0098]
[0099]
此时两个系统极点为：当k1＞g，k2＞0时，两个极点都位于s平面的左半平面，自行走机器人装置可以稳定。
[0100]
则构造用于自行走机器人装置平衡控制的非线性pd控制算法如下所示：
[0101][0102]
式中，这里，k
pbal
(θ)为非线性比例环节参数，为非线性微分环节参数。
[0103]
步骤2，控制器确认自行走机器人装置保持静止平衡后，根据外部指令控制前后重心调节机构改变自行走机器人装置的重心；
[0104]
步骤3，处理器获取前后重心调节机构的重心位置后，再次获取姿态传感器采集的姿态数据；
[0105]
当前后重心调节机构向前调节重心时，处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使左行走轮和右行走轮保持相同的转速前进；
[0106]
当前后重心调节机构向后调节重心时，处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使左行走轮和右行走轮保持相同的转速后退；
[0107]
前后重心调节机构不同的重心位置对应右行走轮与左行走轮不同的转速大小。前后重心调节机构的重心越偏离初始位置，则右行走轮与左行走轮的转速越大，自行走机器人装置的移动速度越大。
[0108]
当左右重心调节机构向左调节重心时，处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使右行走轮与左行走轮的转速差为正，进行向左转弯；
[0109]
当左右重心调节机构向右调节重心时，处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使右行走轮与左行走轮的转速差为负，进行向右转弯；
[0110]
左右重心调节机构不同的重心位置对应右行走轮与左行走轮间不同的转速差。左右重心调节机构的重心越偏离初始位置，则右行走轮与左行走轮之间的转速差绝对值越大，自行走机器人装置的转弯半径越小。
[0111]
当前后重心调节机构和左右重心调节机构恢复至初始位置时，处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使左行走轮和右行走轮进行相应转动，从而使自行走机器人装置重新保持静止平衡。
[0112]
进一步的，所述自行走机器人装置还包括语音交互系统，所述步骤2包含子步骤如下：
[0113]
子步骤201，控制器确认自行走机器人装置保持静止平衡；
[0114]
子步骤202，语音交互系统接收语音指令并处理为指令电信号，将指令电信号作为外部指令发送给控制器；
[0115]
子步骤203，控制器根据外部指令控制前后重心调节机构改变自行走机器人装置
的重心。
[0116]
进一步的，在运动状态语音交互系统持续接收语音指令。
[0117]
进一步的，所述自行走机器人装置还包括视觉系统，所述控制方法还包括步骤4，视觉系统采集行走路线的周围环境图像，识别行走路线上的障碍物，产生避障路线，根据避障路线生成外部指令并发送给控制器，控制器根据外部指令控制前后重心调节机构改变自行走机器人装置的重心，返回步骤3。
[0118]
(三)参考图3和图4，一种自行走机器人装置，自行走机器人装置包括躯体1，设置在躯体1下部的左行走轮2、右行走轮3，以及对应的左驱动电机、右驱动电机，设置在躯体1上的姿态传感器、前后重心调节机构4、处理器和控制器，控制器与处理器电连接，处理器分别与左驱动电机和右驱动电机电连接；
[0119]
具体的，前后重心调节机构4包含包含第一支架401、第一丝杠402和第一配重螺母403；第一支架401与躯体1固定连接，第一支架401上沿前后方向设置第一丝杠402，第一丝杠402上设置第一配重螺母403，第一支架401上设置有与第一丝杠402平行的穿过第一配重螺母403的第一导向杆，第一支架401的一端设置有用于驱动第一丝杠402旋转的第一伺服电机404；第一伺服电机404与处理器电连接。
[0120]
以上实施例中，第一支架401、第一丝杠402和第一配重螺母403构成了丝杠螺母机构，丝杠螺母机构沿前后方向布置。控制器发送控制指令给第一伺服电机，第一伺服电机404转动控制螺母的前后移动即可控制重心在前后方向移动，从而导致躯体前倾或后仰，姿态传感器获取重心前后移动的变化量并发送给处理器，处理器控制左行走轮和右行走轮转动以保持平衡。
[0121]
进一步的，参考图5，躯体上设置有视觉系统5，所述视觉系统5包含摄像头和图像处理器，所述图像处理器与所述控制器电连接；所述图像处理器将摄像头获取的周围环境图像处理成外部指令，并发送给所述控制器，所述控制器将外部指令发送给处理器，所述处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使自行走机器人装置前进、后退或转弯。参考图6，躯体1上设置有头部7，所述视觉系统位于所述头部前侧。
[0122]
以上实施例中，躯体1上设置视觉系统5，可以方便的获取周围环境，例如障碍物、底面坑洼等信息，视觉系统5并将此图像信息处理，判断是加速越过或是绕行，处理成外部指令发送给控制器，并发送给处理器。
[0123]
进一步的，参考图5，所述躯体上还设置有语音交互系统6，所述语音交互系统6包含语音接收器、语音播放器和语音处理器，所述语音接收器、语音播放器均与所述语音处理器电连接，所述语音处理器与所述控制器电连接；所述语音接收器用于获取语音命令并将语音命令转化成外部指令发送给所述控制器，所述控制器将外部指令发送给处理器，所述处理器控制左驱动电机、右驱动电机，使自行走机器人装置前进、后退或转弯。
[0124]
本实施例中，躯体1上还设置有语音交互系统6，可以实现人机交流，通过语音控制自行走机器人装置，使自行走机器人装置更加智能化。
[0125]
综上，自行走机器人具有躯体1、头部7、视觉系统5、语音交互系统6，其外形可设计成类似人体结构，可以拉近人与机器人的距离，增加亲密感。
[0126]
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。
因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。