[发明专利]一种基于RGBD相机的上肢外骨骼机器人避障方法

说明书

本发明涉及能够对穿戴者进行辅助运动外骨骼机器人技术领域，特别涉及一种外骨骼机器人运动控制方法，具体地说，是一种基于RGBD相机的上肢外骨骼机器人避障方法，包括以下步骤：步骤一：基于RGBD相机获取外骨骼工作空间内的障碍物信息形成三维点云信息图；步骤二：使用定位信息和标定信息将两侧的RGBD相机三维点云图融合成障碍物栅格地图；步骤三：基于障碍物栅格地图，采用改进型人工势场算法进行路径规划，控制外骨骼向目标位置靠近。

技术领域

本发明涉及能够对穿戴者进行辅助运动外骨骼机器人技术领域，特别涉及一种外骨骼机器人运动控制方法，具体地说，是一种基于RGBD相机的上肢外骨骼机器人避障方法。

背景技术

外骨骼设备是一种可供人体穿戴并为穿戴者提供运动能力和额外的负重能力的设备，正因如此外骨骼通常拥有可穿戴的结构并且集成了多种传感器和控制设备。国内的外骨骼机器人常用于医疗领域，用于恢复患者的运动能力，但现有的上肢外骨骼机器人通常具有较少的自由度，无法帮助患者锻炼所有关节。

常规的外骨骼机器人通常集成了一些传感器用于捕捉穿戴者的运动状态，但都没有考虑到外骨骼机器人对于障碍物的规避，而在实际的应用场景中在外骨骼机器人工作空间内的障碍物通常会给机器人甚至穿戴者带来伤害。

因此，目前急需一种能够提供足够关节自由度运动且具有自主避障能力的上肢外骨骼机器人。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于点云信息的上肢外骨骼机器人避障方法，结合RGBD相机对环境中的障碍物进行检测，形成障碍物的栅格地图融合完成外骨骼的运动规划，针对人工势场算法的不足，在其基础上增添方向向量用于增强路径的记忆效应。

为实现本发明目的，本发明提供如下的技术方案：

一种基于点云信息的上肢外骨骼避障方法，包括以下步骤：

步骤一：基于RGBD相机获取外骨骼工作空间内的障碍物信息形成三维点云信息图；

步骤二：使用定位信息和标定信息将两侧的RGBD相机三维点云图融合成障碍物栅格地图；

步骤三：基于障碍物栅格地图，采用改进型人工势场算法进行路径规划，控制外骨骼向目标位置靠近。

在上述技术方案中，步骤一中基于RGBD相机对工作空间内障碍物信息形成三维点云信息图包括：获取相机的深度图像和RGB图像；对RGB图像使用高斯滤波器生成灰度图像；采用联合双边滤波器将灰度图像信息补全深度图像信息，使RGBD相机得到的深度图像信息转化为三维点云信息。

更进一步地，构建障碍物三维点云图包括：基于两侧RGBD相机的安装位置和视角姿态，得到相机的TF转化参数；使用TF转换参数将两侧RGBD相机三维点云图融合成障碍物三维点云信息图；将三维点云信息进行分割处理形成障碍物栅格地图。

更进一步地，所述步骤三中改进型人工势场算法包括：将上肢外骨骼机器人末端视为路径规划点，在目标位置附近建立虚拟引力势力场，在障碍物附近建立虚拟斥力势力场，规划点受到引力和斥力的共同作用，沿着引力和斥力的合力方向以设定步长运动。当引力与斥力共线时，路径规划陷入局部最小点导致规划算法失效，故在规划算法中添加方向向量用于增添路径的记忆效应，当路径陷入局部最小点时将前一步的合力方向随机调转45°，帮助路径规划算法脱离局部最小点；当规划路径仍然与障碍物发生碰撞时，则退回上一个规划点增加引力系数并削弱斥力系数来重新得到新的规划方向。

碰撞检测方法包括：将外骨骼各个部件的外观参数点云化，形成最小包围盒；对包围住外骨骼部件的最小包围盒以及障碍物栅格地图投影到xoy、yoz和xoz平面上，若在三个平面上包围盒与栅格地图都发生重叠则判断外骨骼与障碍物发生碰撞。