[发明专利]一种面向人机共融的机器人主动避让人类的方法

权利要求书

1.一种面向人机共融的机器人主动避让人类的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、使用Kinect检测到人并实时计算对方的人体骨骼的位置，使用不敏粒子滤波器(Unscented Particle Filter，UPF)算法来估计对方骨骼关键点的位置，再建立人体模型；

S2、使用人的骨骼关键点和机器人的设计手册参数来构建各部分圆柱体边界，建立机器人模型；

S3、先检测圆柱体之间是否即将碰撞，再采用基于规则系统来分析人的运动，得出被人阻挡的路线，以便机器人避开；

S4、使用动态路线图算法来进行实时规划新路径，使机器人按路线主动避让。

2.根据权利要求1所述的一种面向人机共融的机器人主动避让人类的方法，其特征在于，步骤S1中所述使用Kinect实时检测进入机器人工作区域的人体骨骼位置，利用Kinectfor Windows SDK 2.0提供的接口总共提取人体骨骼的十五个关节，分别为：头(1)、肩部中心(2)、右肩(3)、右肘(4)、右手腕(5)、左肩(6)、左肘(7)、左手腕(8)、臀部中心(9)、右臀(10)、右膝(11)、右脚(12)、左臀(13)、左膝(14)、左脚(15)；采用不敏粒子滤波器(UPF)对人体骨骼的粗细进行估计，通过粒子滤波器算法寻找一组在人体骨骼的状态空间中传播的随机样本来表示概率密度函数，用样本均值代替积分运算，进而获得状态的方差，实现人体跟踪；再将人体骨骼的每个关节使用圆柱来建立人体模型，圆柱的大小表示对方不同关节的大小，通过连杆将各个圆柱连接。

3.根据权利要求1所述的一种面向人机共融的机器人主动避让人类的方法，其特征在于，步骤S2的建立机器人模型，首先根据机器人本身的控制器惯例定义机器人的各个连杆坐标系及机器人的工具位置,及工具的运动方向；以机器人基座为基坐标，基坐标到机器人工具坐标连续均匀变换的运动方程如下：

其中T_i^i-1是从i-1坐标到i坐标的平移矩阵，i表示第i个连杆坐标系，ν表示机器人的速度，N是关节或关节坐标的数量，第j个关节节点的位置用如下等式来计算：

机器人每个关节的大小从机器人生产商提供的设计手册中的设备参数获得，由此确定机器人模型中每个关节的圆柱半径；边界圆柱的长度是节点j-1和j的位置之间的距离；在确定圆柱的半径和长度之后构建每个关节的圆柱体，连接每个关节的圆柱体建立机器人模型。

4.根据权利要求1所述的一种面向人机共融的机器人主动避让人类的方法，其特征在于，步骤S3中检测是否即将碰撞的方式为：两个圆柱体之间的相对位置是否相交；相交分为三类，分别为两个圆柱体的底面相交、两个圆柱体仅在侧面相交、圆柱体的一个底面与另一个圆柱体的一侧相交。

规则系统以如果A那么B的形式表示，其中A是先行条件，B是后果，规则系统主要包括如下情况：

一、当人正在以ν₁的速度接近机器人，则机器人避开人；二、当人以ν₂的速度接近机器人或者人是静止的，由不敏粒子滤波器和Kinect组成的避碰系统将会根据追踪到的人当前的速度和位置，使用专家系统来预测人类的运动轨迹并使用动态路线图算法规划一条新路径防止与人相碰，其中ν₁大于ν₂。

5.根据权利要求1所述的一种面向人机共融的机器人主动避让人类的方法，其特征在于，步骤S4中所述动态路线图算法包括预处理阶段和规划阶段，用于规划机器人的避让路线；动态路线图算法通过预处理阶段生成预处理的路线图，使用人工势能场的预计算来提高路线规划的在线效率；在机器人的每轮计划避让之前确定路线图中被阻止的路线，并通过预处理阶段和规划阶段生成动态地图。

6.根据权利要求1或5所述的一种面向人机共融的机器人主动避让人类的方法，其特征在于，所述预处理阶段具体步骤为：

第一步：在机器人的q维配置空间即在机器人工作空间的配置空间中构建无向路线图，其中q是机器人关节的数量；

第二步：在路线图中查找机器人与人可能发生碰撞的冲突点和查找对人的行为预测的路线边界的边；首先，使用统一的等时间间隔采样法创建路线图的节点；其次，对于每个节点，根据伪范数空间，识别两个节点之间的圆柱部分是否有无碰撞的可能并且两个节点之间的距离作为路线图的一部分，这部分路线图的节点还连接k个邻居节点；定义A是机器人表面上所有参考点的集合,a(p)是参考点a在配置空间p的位置，a(q)是参考点a在配置空间q的位置，当机器人处于配置空间q中,下式是在工作区中两个配置即配置空间p和q之间机器人偏移任何参照点的最大位移：

w代表机器人的工作空间；

在创建路线图之后，将查找和删除路线图中的冲突点及边，动态路线图算法(DynamicRoadmap)用于创建工作区网格和配置空间路线图之间区域的映射。

所述规划阶段包括以下步骤:删除被人阻挡的路线,将目标配置即机器人的当前配置连接到路线图并搜索动态路线图使机器人按路线主动避让。