一种基于视觉和移动的仿人机器人投射及稳定控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于视觉和移动的仿人机器人抛投物体及稳定性控制方法，属于 机器人控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 仿人机器人由于其特有的双足移动方式，相比轮式和履带式等其他形式的机器 人，在复杂环境中具有更强的移动能力。仿人机器人的运一优点，使其在危险环境，救援救 灾等特殊环境下具有强大的优势。在危险环境，救援救灾的环境下，清理障碍物是一个重要 的任务，仿人机器人可W通过双手，W抛投的方式快速清理障碍物。另一方面，仿人机器人 由于其双足在地面上的支撑面积较小，且重屯、较高，使得仿人机器人的稳定性大大降低。特 别是在抛投重量较大的物体时，容易造成仿人机器人的摔倒或者倾覆的发生。因此，提升仿 人机器人抛投物体的能力是一个亟待解决的问题。
[0003] 申请号为201210143001. 2的中国发明专利提出了一种仿人机器人手臂作业动态 稳定控制的方法，提出了通过手臂的运动来使仿人机器人保持平衡的算法，然而没有考虑 机器人通过双足运动保持平衡的情况。
[0004] 非专利文献《Pla}dngcatchandjugglingwithahumanoidrobot》描述了一 个可W与人进行抛球互动的仿人机器人，具有通过视觉识别，实现抓取，接，抛小球的功能。 但该机器人无法移动，固定在地面上。并且抛射的小球质量很轻，对机器人的稳定性不造成 影响，不需要考虑机器人的稳定性问题。
[0005]非专利文献《Planning Complex Physical Tasks for Disaster Response with a Humanoid Robot》提出了一种用于仿人机器人的复杂任务的规划方法，可W通过视觉对 目标物体进行识别，并根据作业任务和环境信息，通过运动规划，实现对目标物体的抓取的 功能。该论文并没有考虑目标物体的重量对机器人稳定性造成的影响。
[0006]非专利文献《A humanoid robot cap油Ie of cairying heavy objects》提出了 一个具有抓取大重量负载的仿人机器人，该仿人机器人不具备视觉功能，无法自主完成抓 取任务。
[0007] 现有仿人机器人稳定控制和作业规划大多只考虑自身稳定控制，没有设及由于作 业目标物体的相互作用，而产生的稳定性问题。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种用于仿人机器人的抛投目标物体的方法，根据仿人机 器人自身具有视觉、移动W及操作能力，在实现抛投物体的作业任务的同时，保持仿人机器 人的稳定性。
[0009] 本发明通过如下的技术方案实现。
[0010] 一种仿人机器人抛投物体及稳定性控制方法，所述仿人机器人具有双目视觉识别 系统，所述方法包括W下步骤：
[0011] 步骤1，作业任务输入，即制定仿人机器人需要抛投目标物体，W及需要将目标物 体抛投的目标位置；
[0012] 步骤2,所述仿人机器人根据双目视觉识别系统，对目标物体进行识别，并规划路 径，将目标物体拾起；
[0013] 步骤3,根据基于碰撞模型的仿人机器人抛投方法，实现将目标物体抛投至目标位 置的作业任务，并在抛投过程中保持仿人机器人自身的稳定性。
[0014] 优选地，所述步骤2中仿人机器人将目标物体拾起的过程如下：
[0015] 根据作业目标，仿人机器人根据视觉识别系统识别自身的位置W及目标物体的位 置，并通过双脚移动至目标物体处，并将目标物体拾起；
[0016] 所述步骤2中仿人机器人识别目标物体的过程如下：
[0017] 所述仿人机器人在竖直充分稳定的情况下，对环境进行扫描，建立一个基准，包括 N个基准点组成的一个数据库；
[0018] 所述仿人机器人在运动的过程中，实时采集环境图像，并与基准点进行实时校对， 估算仿人机器人当前的状态，并与脚底的六维力传感器的信息进行校对；
[0019] 所述仿人机器人根据目标物体的图像特征，确定目标物体的位置，并根据自身的 位置信息，规划运动路径W及对目标物体抓取的动作。
[0020] 优选地，所述步骤3中在抛投过程中保持仿人机器人自身的稳定性进一步包括W 下步骤：
[0021] 根据仿人机器人所在位置W及目标位置计算目标物体在空中的飞行轨迹S(t);
[0022] 根据目标物体的飞行轨迹，计算目标物体所需的加速度a,从而计算出目标物体所 需要的推力ma;
[0023] 根据目标物体所需要的推力，计算出仿人机器人施加在目标物体上的推力F= m(a-g)，进而计算出机器人由于抛投目标物体所收到的冲击力，并将冲击力转换为作用在 仿人机器人重屯、位置的力F，W及力矩M;
[0024] 根据仿人机器人的碰撞模型，规划仿人机器人各个关节的运动，调整仿人机器人 的全身姿态，使仿人机器人保持稳定。
[00巧]优选地，所述仿人机器人的动力学公式：
[0026]M(如十(;;(6〇 +C(0,如二r
[0027] 其中0为仿人机器人的各个关节的角度值，^为仿人机器人的关节角速度值，沒 为仿人机器人的关节角加速度值。M(如为作用在仿人机器人各个关节的驱动力矩，G( 0 ) 为仿人机器人受到的重力，（;'(0，如为仿人机器人收到的科氏力，T为仿人机器人受到的外 力。
[0028] 优选地，当所述仿人机器人静止不动时，外力T为仿人机器人受到的地面的支撑 力F。，当所述仿人机器人进行抛投目标物体作业时，T变为地面的作用力，W及作用在重屯、 位置处的冲击力F。，W及转动力矩M的合力，即：
[0029] T = Fc+Fn+M
[0030] 为使机器人保持稳定的姿态，需要保持机器人的关节角度0在一定的范围内， 当机器人所受外力发生变化时，根据机器人动力学方程，需要改变机器人的关节驱动力M(扣，从而保证机器人的各个关节角度0保持在一定的范围内。
[0031] 优选地，当所述仿人机器人受到的冲击力过大，关节驱动力无法保证仿人机器人 的关节角度保持在一定的范围内，通过仿人机器人下肢迈步的方式，调节仿人机器人身体 姿态，从而使仿人机器人保持稳定的姿态。
[0032] 通过W上技术方案，本发明设计了基于视觉，移动，操作和稳定性的仿人机器人抛 投物体的方法，可W增强机器人的操作能力，增加仿人机器人的应用场合。
【附图说明】
[0033] 图1是根据本发明的仿人机器人抛投物体整体过程流程图。
[0034] 图2是根据本发明的仿人机器人抛投物体的过程示意图。
【具体实施方式】
[0035] 如附图1所示，整体过程：
[0036] 1、作业任务输入，即制定仿人机器人需要抛投目标物体，W及需要将目标物体抛 投的目标位置。
[0037] 2、仿人机器人根据双目视觉识别系统，对目标物体进行识别，并规划路径，将目标 物体拾起。
[0038] 3、根据基于碰撞模型的仿人机器人抛投方法，实现将目标物体投至目标位置的作 业任务，并在该过程中保持仿人机器人自身的稳定性。
[0039] 基于碰撞模型的抛投动作设计
[0040] 仿人机器人根据作业任务和目标物体的详细参数，计算仿人机器人完成任务所需 要的手臂运动