机器人及其移动速度控制方法、装置及存储介质与流程

1.本技术涉及机器人领域，尤其涉及一种机器人及其移动速度控制方法、装置及存储介质。


背景技术：

2.在机器人移动过程中，通常会采用自主导航方案，根据机器人检测到的障碍物的位置，为机器人规划路径，避免机器人与障碍物发生碰撞，实现机器人的自主保护。
3.但是，当机器人自主导航系统失效，比如机器人规划的路径出错，或者机器人的自主导航算法出现运行故障，可能会导致机器人与障碍物发生碰撞，不利于保障机器人与环境的安全交互。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术实施例提供了一种机器人及其移动速度控制方法、装置及存储介质，以解决现有技术中在机器人自主导航失效时，可能会导致机器人与障碍物发生碰撞，不利于保障机器人与环境的安全交互的问题。
5.本技术实施例的第一方面提供了一种机器人的移动速度控制方法，所述方法包括：
6.确定用于防止所述机器人发生碰撞的参考作用力；
7.根据所述参考作用力确定所述机器人由参考作用力产生的参考速度，根据所述参考作用力和所述机器人的控制力，确定所述机器人的期望加速度；
8.根据所述机器人的参考速度和所述机器人的期望加速度，确定所述机器人的期望速度，根据所述期望速度控制所述机器人移动。
9.结合第一方面，在第一方面的第一种可能实现方式中，确定用于防止所述机器人发生碰撞的参考作用力，包括：
10.获取所述机器人所在场景中的障碍物与所述机器人之间的距离信息；
11.根据所述障碍物与所述机器人之间的距离信息，确定用于防止所述机器人发生碰撞的参考作用力；
12.或者，在所述机器人的前方设置有防护罩，所述防护罩与所述机器人之间通过弹簧相连，通过防护罩检测的作用力确定所述参考作用力。
13.结合第一方面，在第一方面的第二种可能实现方式中，获取所述机器人所在场景中的障碍物与所述机器人之间的距离信息，包括：
14.通过距离传感器检测所述障碍物与所述机器人之间的距离信息；
15.或者，在所述机器人的前方设置有防护罩，所述防护罩与所述机器人之间通过弹簧相连，通过直线电位计检测所述防护罩与所述机器人之间的距离，作为所述障碍物与所述机器人之间的距离。
16.结合第一方面，在第一方面的第三种可能实现方式中，根据所述障碍物与所述机
器人之间的距离信息，确定用于防止所述机器人发生碰撞的参考作用力，包括：
17.根据参考作用力计算公式：
[0018][0019]
，确定用于防止所述机器人发生碰撞的参考作用力，其中，fs为参考作用力，ks为预定的弹簧阻尼参数，ld为预定的安全距离阈值，ls为测量距离。
[0020]
结合第一方面，在第一方面的第四种可能实现方式中，根据所述参考作用力和所述机器人的控制力，确定所述机器人的期望加速度，包括：
[0021]
根据所述机器人的参考作用力和控制力，构建所述机器人弹簧阻尼模型；
[0022]
根据所述机器人弹簧阻尼模型，确定所述机器人的期望加速度。
[0023]
结合第一方面，在第一方面的第五种可能实现方式中，根据所述参考作用力确定所述机器人由参考作用力产生的参考速度，包括：
[0024]
将所述机器人的参考作用力与机器人质量作商，获得所述机器人在不同时刻的参考加速度；
[0025]
将所述机器人的参考加速度与时间积分，获得所述机器人在不同时刻的参考速度。
[0026]
结合第一方面，在第一方面的第六种可能实现方式中，根据所述机器人的参考速度和所述机器人的期望加速度，确定所述机器人的期望速度，包括：
[0027]
根据公式：
[0028]
vd(k 1)＝vd(k) vr(k) a(k)t
[0029]
确定所述机器人的期望速度，其中，k表示步数，vd表示期望速度，vr表示参考速度，a表示机器人加速度，t表示一个步长时间。
[0030]
本技术实施例的第二方面提供了一种机器人的移动速度控制装置，所述装置包括：
[0031]
参考作用力确定单元，用于确定用于防止所述机器人发生碰撞的参考作用力；
[0032]
加速度确定单元，用于根据所述参考作用力确定所述机器人由参考作用力产生的参考速度，根据所述参考作用力和所述机器人的控制力，确定所述机器人的期望加速度；
[0033]
期望速度确定单元，用于根据所述机器人的参考速度和所述机器人的期望加速度，确定所述机器人的期望速度，根据所述期望速度控制所述机器人移动。
[0034]
本技术实施例的第三方面提供了机器人，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面任一项所述方法的步骤。
[0035]
本技术实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面任一项所述方法的步骤。
[0036]
本技术实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本技术实施例通过确定用于防止所述机器人发生碰撞时所需要的参考作用力的大小，基于所确定的参考作用力，获得机器人的参考速度以及机器人的期望加速度，将所述机器人的实际速度、加速度引起的速度变化进行融合，确定机器人的期望速度，根据该期望速度对机器人进行减速控制，使得机器
人能够柔顺平稳的减速，提升机器人在实际场景中运动时的可靠性，提升机器人的人机交互的安全性。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
图1是本技术实施例提供的一种机器人的移动速度控制方法的实现流程示意图；
[0039]
图2是本技术实施例提供的一种机器人模型示意图；
[0040]
图3是本技术实施例提供的一种机器人模型示意图；
[0041]
图4是本技术实施例提供的一种机器人构建的阻抗控制模型示意图；
[0042]
图5是本技术实施例提供的一种机器人的移动速度控制装置的示意图；
[0043]
图6是本技术实施例提供的机器人的示意图。
具体实施方式
[0044]
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
[0045]
为了说明本技术所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
[0046]
自主导航系统可以帮助机器人自动识别场景中的障碍物，并根据建立的场景地图进行路径规划，可以使得机器人能够智能的完成所需要执行的任务，包括如拖地、送餐等。但是，在个别情况下，自主导航系统可能会存在意外失效。在自主导航系统失效时，机器人可能会以较快的速度移动至障碍物，使得机器人与场景中的人或物体等障碍物发生碰撞，无法保障机器人与环境的安全交互，不利于提高机器人运行的可靠性。
[0047]
基于此，本技术实施例提出了一种机器人的移动速度控制方法，如图1所示，该机器人的移动速度控制方法包括：
[0048]
在s101中，确定用于防止机器人发生碰撞的参考作用力。
[0049]
在本技术实施例中所述的参考作用力，即为阻止机器人与障碍物发生碰撞时所产生的作用力。该作用力的方向一般与机器人的移动方向相反。为了使得机器人与障碍物不会碰撞，且保证机器人处于平稳的运行状态，不会由于速度变化过大而使得机器人出现倾倒等异常，需要获得作用力随着机器人移动速度发生变化的参考作用力。
[0050]
在可能的实现方式中，可以在机器人上设置距离传感器，通过距离传感器检测机器人的移动方向上，机器人与障碍物之间的距离。如果机器人与障碍物距离大于或等于预定的安全距离阈值，则可以不需要产生参考作用力，即参考作用力可以为0。
[0051]
当所述机器人与所述障碍物之间的距离小于预定的安全距离阈值，则可以根据公式：fs＝ks(l
d-ls)，确定所述机器人的参考作用力。其中，fs为参考作用力，ks为预定的弹簧阻尼参数，ld为预定的安全距离阈值，ls为测量距离。
[0052]
所述弹簧阻尼参数可以根据机器人与障碍物之间的距离等于预设的安全距离阈值时，所述机器人的移动速度来确定。当在该位置处，机器人的速度越快，则可以相应的提高所述弹簧阻尼参数。可以预先设定所述机器人的移动速度与弹簧阻尼参数的对应关系，根据机器人在预定的安全距离阈值处时，检测所述机器人的移动速度，根据所检测到的机器人移动速度，确定所述机器人的弹簧阻尼参数。所述弹簧阻尼参数可以基于统计结果确定。
[0053]
通过距离传感器进行机器人与障碍物之间的距离检测时，所述机器人的参考作用力可以表示：
[0054][0055]
其中，检测所述机器人与障碍物之间的距离时，可以通过超声测距传感器、红外测距传感器等距离传感器中的任意一个或者多个。所述距离传感器可以按照一定的间隔设置在所述机器人的前方。比如图2所示的机器人的距离传感器设置示意图中，在机器人201正前方设置有一个距离传感器202，在所述正前方的左右两侧，分别设置有一个距离传感器202，用于检测正前方，以及左前方和右前方的障碍物。
[0056]
在可能的实现方式中，本技术实施例中确定所述参考作用力时，可以如图3所示的机器人模型示意图所示，在机器人201的前方安装防护罩203，防护罩203与所述机器人201的本体之间通过弹簧204相连。在防护罩203与机器人201的本体之间，可以设置距离传感器，比如可以设置直线电位计，检测所述防护罩相对于所述机器人本体的距离的变化。基于所检测到的距离的变化，根据公式：
[0057]fs
＝ks(l
d-ls)
[0058]
确定机器人的参考作用力与该距离之间的对应关系。其中，fs为参考作用力，ks为预定的弹簧阻尼参数，ld为预定的安全距离阈值，ls为测量距离。
[0059]
在可能的实现方式中，所述参考作用力还可以通过压力传感器检测得到。比如，在图3所示的机器人模型示意图中，机器人的前方设置有防护罩，所述防护罩与所述机器人本体之间通过弹簧相连，在所述防护罩的前表面设置有压力传感器。当障碍物与所述防护罩相接触时，障碍物会对防护罩表面施加压力。随着弹簧形变量的增加，该压力值也逐渐增加，可将该压力值作为所述机器人的参考作用力，可记录该参考作用力与时间的对应关系。
[0060]
为了提高参考作用力的精度，对于不同质量大小的机器人，以及对于不同移动速度的机器人，所对应的参考作用力的大小和变化也不相同，可以通过统计确定不同质量的机器人在不同移动速度下所对应的参考作用力的变化关系。
[0061]
在确定了所述机器人的参考作用力后，在理想情况下，机器人可以按照所确定的参考作用力的变化关系，使得机器人柔顺的减速，且能够与障碍物不会发生碰撞。然而实际情况可能与理想情况会出现偏差，比如移动的地势、地面的摩擦系数差异等，会使得机器人减速过程与理想过程有所不同，基于此，本技术可以根据所确定的参考作用力计算理想的机器人移动速度，基于所确定的移动速度控制机器人移动。
[0062]
在s102中，根据所述参考作用力确定所述机器人由参考作用力产生的参考速度，根据所述参考作用力和所述机器人的控制力，确定所述机器人的期望加速度。
[0063]
在本技术实施例中，由于机器人的参考作用力的大小随着时间发生变化，因此，参
考作用力的变化也会导致机器人由于参考作用力产生的加速度也会发生变化。可以基于参考作用力确定机器人的参考加速度，即参考加速度为参考作用力所产生(不存在其它作用力的情况下所产生)的加速度，比如，可以根据参考作用力与机器人的质量的比值，确定参考加速度的大小。在确定机器人的参考速度时，可以将参考加速度对时间进行积分，即可得到机器人的参考速度。
[0064]
在确定所述机器人的期望加速度时，可以构建基于外界作用力的阻抗控制模型，如图4所示，该阻抗控制模型中的k为弹性系数，b为阻尼系数，m为机器人的质量，x为机器人运动方向的位移。
[0065]
根据阻抗控制模型可以得到：
[0066][0067]
其中，xc为机器人控制力作用产生的位移，xr为参考作用力产生的参考位移，fc为控制力，fr为参考作用力，k为弹性系数，b为阻尼系数，m为机器人的质量，为控制力作用产生的位移的二次求导，为控制力作用产生的位移的一次求导，为参考作用力产生的位移的二次求，为参考作用力产生的位移的一次求导。
[0068]
当阻尼系数和弹性系数为0时，期望加速度可以求解得到：a＝(f
c-fr)/m。
[0069]
在s103中，根据所述机器人的参考速度和所述机器人的期望加速度，确定所述机器人的期望速度，根据所述期望速度控制所述机器人移动。
[0070]
其中，机器人的期望速度可以表示为：
[0071]
vd(k 1)＝vd(k) vr(k) a(k)t
[0072]
其中，k表示步数，vd表示期望速度，vr表示参考速度，a表示机器人加速度，t表示一个步长时间。
[0073]
即第k步时的期望速度，可以基于第k-1步时的期望速度，以及第k-1步时的参考速度，获得第k-1步时的实际速度。根据第k-1步至第k步的步长时间，结合在第k步时的期望加速度，可计算第k步时的期望速度。
[0074]
当k＝0时，即机器人处于安全距离阈值的位置时，机器人未受到参考作用力的作用，机器人的期望速度与机器人实际速度一致，计算得到第1步时的期望速度与第0步的期望速度一致。在k＝1时，第2步时的期望速度，包括第1步时的期望速度、第1步时的参考速度以及第1步时的加速度产生的速度变化值融合得到。
[0075]
通过所确定的理想情况下的机器人的期望速度后，可以在机器人移动过程中，将机器人的实际移动速度与期望速度比较，根据二者的差异调整所述机器人的驱动力，使得机器人能够按照理想的速度变化，柔顺的对机器人进行减速，从而在保证机器人运行平稳可靠的前提下，保障机器人移动的安全。
[0076]
比如，当机器人的移动速度与期望速度相比，机器人的移动速度小于机器人的移动速度时，可以减小机器人的制动力，从而减小机器人速度减小的速度，使得机器人的移动速度与期望速度相符，或者尽量与机器人的期望速度相近似，从而使得机器人平稳柔顺的控制机器人减速。
[0077]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限
定。
[0078]
图5为本技术实施例提供的一种机器人的移动速度控制装置的示意图。如图5所示，该装置包括：
[0079]
参考作用力确定单元501，用于确定用于防止所述机器人发生碰撞的参考作用力；
[0080]
加速度确定单元502，用于根据所述参考作用力确定所述机器人由参考作用力产生的参考速度，根据所述参考作用力和所述机器人的控制力，确定所述机器人的期望加速度；
[0081]
期望速度确定单元503，用于根据所述机器人的参考速度和所述机器人的期望加速度，确定所述机器人的期望速度，根据所述期望速度控制所述机器人移动。
[0082]
图5所示的机器人移动速度控制装置，与图1所示的机器人的移动速度控制方法对应。
[0083]
图6是本技术一实施例提供的机器人的示意图。如图6所示，该实施例的机器人6包括：处理器60、存储器61以及存储在所述存储器61中并可在所述处理器60上运行的计算机程序62，例如机器人移动速度控制程序。所述处理器60执行所述计算机程序62时实现上述各个机器人移动速度控制方法实施例中的步骤。或者，所述处理器60执行所述计算机程序62时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
[0084]
示例性的，所述计算机程序62可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器61中，并由所述处理器60执行，以完成本技术。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序62在所述机器人6中的执行过程。
[0085]
所述机器人可包括，但不仅限于，处理器60、存储器61。本领域技术人员可以理解，图6仅仅是机器人6的示例，并不构成对机器人6的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述机器人还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
[0086]
所称处理器60可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0087]
所述存储器61可以是所述机器人6的内部存储单元，例如机器人6的硬盘或内存。所述存储器61也可以是所述机器人6的外部存储设备，例如所述机器人6上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)等。进一步地，所述存储器61还可以既包括所述机器人6的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器61用于存储所述计算机程序以及所述机器人所需的其他程序和数据。所述存储器61还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
[0088]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上
描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本技术的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0089]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0090]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
[0091]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0092]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0093]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0094]
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
[0095]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，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技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。