CN102339060A - 一种桌面型两轮机器人的舞步运动规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桌面型两轮机器人的舞步运动规划方法，属于智能机器人范畴。本发明采用有限状态自动机M＝{T，Q，δ，q₀，F}作为句法分析器，对机器人的基本舞步动作进行规划，其中T为运动指令集合，包括八种基本运动指令，Q为机器人朝向状态集合，包括八种朝向状态，δ为机器人状态转移函数集合，是由运动指令集合和机器人朝向状态集合组成的变化规则，并通过相应的舞步运动指令控制机器人完成舞步动作。

Description

一种桌面型两轮机器人的舞步运动规划方法

技术领域

本发明涉及一种桌面型两轮机器人的舞步运动规划，简称两轮机器人舞步规划，属于智能机器人范畴。 

背景技术

舞步机器人集成了多学科前沿技术，它的设计涉及了机电一体化技术、检测和传感技术、精密机械加工和精密机械传动技术、现代化控制技术和管理技术、计算机程序控制技术等多个方面。 

两轮机器人是一种倒立摆式移动机器人，这种机器人两轮共轴、独立驱动，车身重心倒置于车轮轴上方，通过运动控制保持平衡，可直立行走。目前，两轮机器人在完成自平衡控制的前提下可以完成多种动作，同时移动舞蹈机器人的研究也已广泛开展开来，但是两轮机器人完成舞步动作的相关研究还处于空白阶段。若将舞步运动的概念结合到两轮机器人上，使机器人能够完成指定的舞步动作，将会最大程度地体现出两轮机器人动态性能好、机动性强的特点。因此，无论从观赏性上还是从学术研究性上看，桌面型两轮机器人的舞步运动规划都具有较强的实际研究意义。 

发明内容

为了使桌面型两轮机器人能够完成预定的舞步动作，本发明提出一种桌面型两轮机器人的舞步运动规划方法，两轮机器人由两个车轮、直流伺服电机、DSP主控制器、遥控器、姿态传感器、测速编码器和电源模块组成。 

本发明采用有限状态自动机M＝{T，Q，δ，q₀，F}作为句法分析器，对机器人的基本舞步动作进行规划，其中T为运动指令集合，包括八种基本运动指令，Q为机器人朝向状态集合，包括八种朝向状态，δ为机器人状态转移函数集合，是由运动指令集合和机器人朝向状态集合组成的变化规则。当两轮机器人做舞步动作时，通过运动指令和机器人朝向状态之间的映射关系来描述机器人的运动规划。 

具体步骤如下： 

(1)机器人初始化： 

配置DSP主控制器寄存器状态，包括执行控制任务所需的IO端口、A/D通道的设置；初始化全局和局部变量；初始化电机控制量。 

(2)打开机器人的开关后，开中断等待读取遥控器发送的遥控指令并检测状态； 

(3)机器人根据遥控指令读取预存在机器人内部的舞步指令，根据检测状态计算控制量、发送控制量，控制机器人进行跳舞。 

其中舞步指令由下述步骤产生： 

1).把舞步按节拍划分为由基本动作组成的序列； 

2).通过M＝{T，Q，δ，q₀，q_e}对基本动作进行规划，M＝{T，Q，δ，q₀，q_e}被称为有限状态自动机，得到每个基本动作对应的运动指令t，机器人状态q和机器人状态转移函数 

t∈T，q∈Q， 

起始状态q₀，q₀∈Q，终止状态q_e，q_e∈Q。 

描述两轮机器人舞步运动规划的有限状态自动机中： 

T为运动指令集合，T＝{f，r_aα，r_cα，l_aα，l_cα，s_aα，s_cα，b}，如图2所示， 

其中， 

f：前进， 

r_aα：右轮绕左轮逆时针转动α°， 

r_cα：右轮绕左轮顺时针转动α°， 

l_aα：左轮绕右轮逆时针转动α°， 

l_cα：左轮绕右轮顺时针转动α°， 

s_aα：无半径逆时针自转α°， 

s_cα：无半径顺时针自转α°， 

b：机器人后退， 

α：旋转角度， 

以上所述旋转方向均表示俯视视角中的旋转方向； 

Q为机器人朝向状态集合，Q＝{F，B，L，R，FL，FR，BL，BR}，如图3所示， 

其中， 

F表示向前， 

B表示向后， 

L表示向左， 

R表示向右， 

FL表示左前方向， 

FR表示右前方向， 

BL表示左后方向， 

BR表示右后方向； 

机器人朝向状态是相对朝向状态，不是绝对朝向状态； 

δ为机器人状态转移函数集合，机器人的状态转移映射关系为δ(q_i，t)＝q_i+1， 

其中， 

q_i表示机器人执行运动指令前的朝向状态，q_i∈Q， 

t表示机器人将要执行的运动指令，t∈T， 

q_i+1表示机器人执行运动指令后的朝向状态，q_i+1∈Q， 

机器人的所有朝向状态遵循以下映射关系： 

δ(q_i，f)＝q_i① 

δ(q_i，r_aα)＝q_i+α② 

δ(q_i，l_aα)＝q_i+α③ 

δ(q_i，s_aα)＝q_i+α④ 

δ(q_i，r_cα)＝q_i-α⑤ 

δ(q_i，l_cα)＝q_i-α⑥ 

δ(q_i，s_cα)＝q_i-α⑦ 

δ(q_i，b)＝q_i⑧ 

上述关系式中的等号右侧，q_i+α表示机器人在朝向状态q_i的基础上逆时针旋转α度；q_i-α表示机器人在朝向状态q_i的基础上顺时针旋转α度； 

q₀表示机器人执行基本舞步前的朝向状态，初始朝向状态下默认机器人朝向状态为向前，即q₀＝F； 

q_e表示机器人执行基本舞步后的朝向状态； 

3).通过2)中得到的基本动作对应的运动指令t，机器人朝向状态q和机器人状态转移函数 

绘制舞步对应的机器人状态转移图，如图4所示。 

4).提取机器人状态转移图对应的运动指令集，并将该运动指令集存到机器人中。一种桌面型两轮机器人的舞步运动规划方法，所述的舞步是华尔兹舞步。 

本发明的有益效果为： 

第一，本发明中首先提出了两轮舞步机器人的概念，并给出其舞步动作的运动规划； 

第二，本发明中使用有限状态自动机的形式描述机器人的运动规划问题，将起始、终结、状态、转移等形式语言要素有效地组合起来，以图形与流程的方式实现句法分析的工作； 

第三，本发明中的机器人运动规划采用模块化思想，将分解的最基本动作按照转换规则组合起来，结构清晰简单，调用方便简洁。 

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。 

附图说明

图1机器人等角轴侧结构图； 

图2机器人的八种基本动作分解图； 

图3机器人车身朝向状态示意图； 

图4机器人舞步的状态转移图； 

图5人的连续左转舞步示意图； 

图6机器人连续左转运动轨迹示意图； 

图7机器人连续左转舞步规划示意图； 

图8机器人连续左转舞步的状态转移图； 

图9机器人运动控制方法流程图； 

图中：1-车轮，2-底座，3-直流伺服电机，4-测速编码器，5-姿态传感器，6-前板，7-DSP主控制器，8-后板，9-电池组，10-头部。 

具体实施方式

1、以机器人初始朝向状态F为例，即机器人车身初始朝向为向前，则其经过一个节拍后的所有可能的终端朝向状态映射关系如下：(如图3所示) 

δ(F，r_a45)＝FL， 

δ(F，r_a90)＝L， 

δ(F，r_a135)＝BL， 

δ(F，r_a180)＝B， 

δ(F，r_a225)＝BR， 

δ(F，r_a270)＝B， 

δ(F，r_a315)＝FR， 

δ(F，r_a360)＝F 

2、连续左转90°舞步规划描述 

下面以典型的华尔兹舞步——连续左转90°为例，给出相应的有限状态自动机描述方式。人完成华尔兹连续左转舞步如图5所示，两轮机器人的连续左转模拟运动轨迹如图6所示。 

如图5以男士步伐为例，连续左转90°舞步由前进左转90度和后退左转90度组成，共可以分解为六个基本动作，其中初始朝向状态为向前： 

(1)，迈左脚前进； 

(2)，再迈右脚，同时身体向左侧身，开始左转； 

(3)，收回左脚，两腿并拢，身体朝左，完成前进左转90°； 

(4)，退右脚后退； 

(5)，再退左脚，同时身体向左侧身，开始左转； 

(6)，收回右脚，两腿并拢，身体朝后，完成后退左转90°。 

如图6所示，可以得到对应于上述六个基本动作的机器人的基本动作： 

(1)，左右轮匀速前进； 

(2)，右轮绕左轮左转(前进)45°； 

(3)，左轮绕右轮左转(后退)45°，完成前进左转90°； 

(4)，左右轮匀速后退； 

(5)，左轮绕右轮左转(后退)45°； 

(6)，右轮绕左轮左转(前进)45°，完成后退左转90°。 

根据以上六个基本动作，应用基于有限状态自动机的舞步规划方法分别得到这六个 

基本动作对应的运动指令为：f、r_a45、l_a45、b、l_a45、r_a45，机器人朝向状态q分别为：F、F、FL、L、L、BL，机器人状态转移函数 

分别为： 

①δ(F，f)＝F 

②δ(F，r_a45)＝FL 

③δ(FL，l_a45)＝L， 

④δ(L，b)＝L 

⑤δ(L，l_a45)＝BL 

⑥δ(BL，r_a45)＝B 

由上式绘制连续左转舞步规划示意图，如图7所示。对照连续左转舞步规划示意图绘制机器人连续左转90°舞步对应的状态转移图，如图8所示。提取机器人连续左转90°舞步对 应的运动命令：f、r_a45、l_a45、b、l_a45、r_a45，将其存于机器人。 

3、其他常规华尔兹舞步规划描述 

与连续左转90°舞步相同，可以得到其他一些常规华尔兹舞步的状态转移函数表达： 

(方步)前进： 

①δ(F，l_c45)＝FR 

②δ(FR，f)＝FR 

③δ(FR，r_a45)＝F 

(方步)后退： 

①δ(F，r_c45)＝FR 

②δ(FR，b)＝FR 

③δ(FR，l_a45)＝F 

踌躇换步： 

①δ(F，f)＝F 

②δ(F，l_c45)＝FR 

③δ(FR，r_c45)＝R 

④δ(F，b)＝F 

⑤δ(F，r_c45)＝FR 

⑥δ(FR，l_c45)＝R 

连续右转90°： 

①δ(F，b)＝F 

②δ(F，r_c45)＝FR 

③δ(FR，l_c45)＝R 

④δ(R，f)＝R 

⑤δ(R，l_c45)＝BR 

⑥δ(BR，r_c45)＝B 

左旋转180°： 

①δ(F，f)＝F 

②δ(F，r_a135)＝BL 

③δ(BL，l_a45)＝B 

双左旋转步： 

①δ(F，f)＝F 

②δ(F，r_a180)＝B 

③δ(B，l_a180)＝F 

右旋转180°： 

①δ(F，b)＝F 

②δ(F，r_c135)＝BR 

③δ(BR，l_c45)＝B 

外侧右转步： 

①δ(F，f)＝F 

②δ(F，l_c45)＝FR 

③δ(FR，r_a90)＝FL 

纺织步： 

①δ(F，f)＝F 

②δ(F，l_c45)＝FR 

③δ(FR，r_a90)＝FL 

④δ(FL，f)＝FL 

⑤δ(FL，l_c45)＝F 

⑥δ(F，r_a180)＝B 

⑦δ(B，b)＝B 

⑧δ(B，l_a90)＝R 

⑨δ(R，r_a90)＝F 

扫步： 

①δ(F，b)＝F 

②δ(F，r_c45)＝FR 

③δ(FR，l_a135)＝L 

需要说明的是，两轮机器人要模拟的动作基本上是人的上半身移动动作，因为机器人显然无法完全模拟人的华尔兹动作，比如锁步、倾斜等细节动作是无法用两轮机器人的变现出来的。 

4、动作的实现： 

机器人运动控制方法流程如图9所示，首先，对机器人进行初始化：配置DSP主控制器寄存器状态，包括执行控制任务所需的IO端口、A/D通道的设置，初始化全局和局部变量，初始化电机控制量。接下来，开中断等待读取遥控器发送的遥控指令并检测状态；最后，机器人根据遥控指令读取预存在机器人内部的舞步指令，根据检测状态计算控制量、发送控制量，控制机器人进行跳舞。其中计算控制量的具体方法如下： 

设一个控制机器人两轮移动的参数——左右轮差动系数Dif，0≤Dif≤1。它作为左右轮电机控制量的比例值，即当左轮电机控制量的比例值为Dif时，右轮电机控制量的比例值为(1-Dif)。机器人平衡站立时，其差动系Dif为0.5，位移为0，即两轮速度相等，都为零。下式中，U_l和U_r分别表示左轮和右轮的电机控制量，U_b表示机器人的平衡控制量，U_a表示机器人的行进控制量。其中，平衡控制量U_b由姿态传感器测得的倾角值和倾角速度值配合非线性PD算法公式得出，而行进控制量U_a由机器人左右轮上编码器测得的车轮位移、速度和加速度值配合PID算法公式得出。左右轮电机控制量分别为： 

U_l＝2*Dif*(U_b+U_a) 

U_r＝2*(1-Dif)*(U_b+U_a) 

机器人两轮的电机控制量分别是由平衡控制量和行进控制量配以差动系数组合而成的。在电机上连接两路信号，一路信号为电机控制量的大小，另一路信号为电机控制量的方向， 即控制电机正传或反转。当该信号为高电平时，电机正转，则机器人车轮向前进；当该信号为低电平时，电机反转，则机器人车轮向后退。 

前进：当机器人沿直线向前进时，设置差动系数Dif＝0.5。此时，Dif＝(1-Dif)＝0.5，即左右轮电机的控制量大小相同，两车轮得到同样的转速，同时电机转向信号为高电平，电机正转，机器人沿直线向前进。 

后退：当机器人沿直线向后退时，设置差动系数Dif＝0.5。此时，Dif＝(1-Dif)＝0.5，即左右轮电机的控制量大小相同，两车轮得到同样的转速，同时电机转向信号为低电平，电机反转，机器人沿直线向后退。 

左转：机器人的车身左转分为两种情况：r_aα和l_aα，即左轮不动右轮前进和左轮后退右轮不动。当机器人左轮不动右轮前进r_aα实现左转时，设置差动系数Dif＝0，则左轮电机控制量U_l＝0，左轮静止，转向信号为高电平，右轮电机正转，右轮前进，实现车身左转；当机器人左轮后退右轮不动l_aα实现左转时，设置差动系数Dif＝1，则右轮电机控制量U_r＝0，右轮静止，转向信号为低电平，左轮电机反转，左轮后退，实现车身左转。 

右转：机器人的车身右转分为两种情况：r_cα和l_cα，即左轮不动右轮后退和左轮前进右轮不动。当机器人左轮不动右轮后退r_cα实现右转时，设置差动系数Dif＝0，则左轮电机控制量U_l＝0，左轮静止，转向信号为低电平，右轮电机反转，右轮后退，实现车身右转；当机器人左轮前进右轮不动l_cα实现右转时，设置差动系数Dif＝1，则右轮电机控制量U_r＝0，右轮静止，转向信号为高电平，左轮电机正转，左轮前进，实现车身右转。 

自旋左转：机器人自旋左转s_aα即为逆时针自转，设置自旋转电机控制量U_S，机器人自旋左转时左轮电机控制量U_l＝1.1U_b-U_s，右轮电机控制量U_r＝1.1U_b+U_s，则U_l＜U_r，则即右轮电机控制量大于左轮电机控制量，机器人自然开始自旋左转运动。 

自旋右转：机器人自旋右转s_cα即为顺时针自转，设置自旋转电机控制量U_S，机器人自旋右转时右轮电机控制量U_r＝1.1U_b-U_s，左轮电机控制量U_l＝11U_b+U_s，则U_r＜U_l，则即左轮电机控制量大于右轮电机控制量，机器人自然开始自旋右转运动。 

●只要某个动作的启动标志变为1，则自动切换机器人做这个动作。 

●每次初始化的时候，需要将车轮记忆位移清零，避免残留积分效应。 

Claims (3)

1.一种桌面型两轮机器人的舞步运动规划方法，其特征在于：

(1)机器人初始化；

(2)读取遥控指令，检测状态；

(3)机器人根据遥控指令读取预存在机器人内部的舞步指令进行跳舞。

2.根据权利要求1所述的一种桌面型两轮机器人的舞步运动规划方法，其特征在于：舞步指令由下述步骤产生：

(1)把舞步按节拍划分为由基本动作组成的序列；

(2)通过M＝(T，Q，δ，q₀，q_e}对基本动作进行规划，M＝(T，Q，δ，q₀，q_e}被称为有限状态自动机，得到每个基本动作对应的运动指令t，机器人状态q和机器人状态转移函数t∈T，q∈Q，

起始状态q₀，q₀∈Q，终止状态q_e，q_e∈Q，其中：

T为运动指令集合，T＝{f，r_aα，r_cα，l_aα，l_cα，s_aα，s_cα，b}

其中，

f：前进，

r_aα：右轮绕左轮逆时针转动α°，

r_cα：右轮绕左轮顺时针转动α°，

l_aα：左轮绕右轮逆时针转动α°，

l_cα：左轮绕右轮顺时针转动α°，

s_aα：无半径逆时针自转α°，

s_cα：无半径顺时针自转α°，

b：机器人后退，

α：旋转角度，

以上所述旋转方向均表示俯视视角中的旋转方向；

Q为机器人朝向状态集合，Q＝{F，B，L，R，FL，FR，BL，BR}

其中，

F表示向前，

B表示向后，

L表示向左，

R表示向右，

FL表示左前方向，

FR表示右前方向，

BL表示左后方向，

BR表示右后方向；

δ为机器人状态转移函数集合，机器人的状态转移映射关系为δ(q_i，t)＝q_i+1，

其中，

q_i表示机器人执行运动指令前的朝向状态，q_i∈Q，

t表示机器人将要执行的运动指令，t∈T，

q_i+1表示机器人执行运动指令后的朝向状态，q_i+1∈Q，

机器人的所有朝向状态遵循以下映射关系：

δ(q_i，f)＝q_i①

δ(q_i，r_aα)＝q_i+α②

δ(q_i，l_aα)＝q_i+α③

δ(q_i，s_aα)＝q_i+α④

δ(q_i，r_cα)＝q_i-α⑤

δ(q_i，l_cα)＝q_i-α⑥

δ(q_i，s_cα)＝q_i-α⑦

δ(q_i，b)＝q_i⑧

上述关系式中的等号右侧，q_i+α表示机器人在朝向状态q_i的基础上逆时针旋转α度；q_i-α表示机器人在朝向状态q_i的基础上顺时针旋转α度；

q₀表示机器人执行基本舞步前的朝向状态，初始朝向状态下默认机器人朝向状态为向前，即q₀＝F；

q_e表示机器人执行基本舞步后的朝向状态；

(3)通过(2)中得到的基本动作对应的运动指令t，机器人朝向状态q和机器人状态转移函数

绘制舞步对应的机器人状态转移图。

(4)提取机器人状态转移图对应的运动指令集，并将该运动指令集存到机器人中。

3.根据权利要求2所述的一种桌面型两轮机器人的舞步运动规划方法，其特征在于：所述的舞步是华尔兹舞步。

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