[0001] 本申请属于机器人技术领域，尤其涉及一种机器人控制方法、装置、计算机可读存储介质及机器人。

[0002] 搬运任务在日常生活和工业场景非常常见，使用机器人执行搬运任务可以极大的提高机器人的使用价值。在现有技术中，已有较为成熟的机器人控制方法，但这些机器人控制方法主要针对的是机器人无负载的简单场景。而在机器人执行搬运任务的场景中，机器人所搬运的重物(即负载)会对机器人的平衡产生极大影响，若直接采用现有技术中的这些机器人控制方法，将难以维持机器人行走的稳定性。

[0062] 为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

[0063] 应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

[0064] 还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

[0065] 还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

[0066] 如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当……时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

[0067] 另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0068] 搬运任务在日常生活和工业场景非常常见，使用机器人执行搬运任务可以极大的提高机器人的使用价值。在现有技术中，已有较为成熟的机器人控制方法，但这些机器人控制方法主要针对的是机器人无负载的简单场景。而在机器人执行搬运任务的场景中，机器人所搬运的重物(即负载)会对机器人的平衡产生极大影响，若直接采用现有技术中的这些机器人控制方法，将难以维持机器人行走的稳定性。

[0069] 有鉴于此，本申请实施例提供了一种机器人控制方法、装置、计算机可读存储介质及机器人，以解决现有的机器人控制方法存在的在执行搬运任务时稳定性较差的问题。

[0070] 本申请实施例在机器人搬运负载的过程中，将机器人和负载作为一个整体来进行质心轨迹的规划，并在此基础上对机器人进行运动控制，充分考虑了负载对机器人的平衡产生的影响，有效提高了机器人行走的稳定性。

[0071] 本申请实施例的执行主体可以为机器人，包括但不限于工业机器人、家庭服务机器人、商业服务机器人以及其它各种类型的机器人。

[0072] 请参阅图1，本申请实施例中一种机器人控制方法的一个实施例可以包括：

[0073] 步骤S101、在机器人搬运负载的过程中，对机器人进行足部轨迹规划，得到机器人的足部轨迹规划结果。

[0074] 在本申请实施例中，可以基于周边环境中的障碍物分布，根据实际情况采用现有技术中的任意一种足部轨迹规划算法对机器人的左右双足进行足部轨迹规划，基于对周边环境中的障碍物的避障需求，规划得到无碰撞的足部轨迹规划结果，包括左足轨迹规划结果和右足轨迹规划结果。

[0075] 步骤S102、根据足部轨迹规划结果确定机器人的零力矩点参考轨迹。

[0076] 零力矩点(Zero Moment Point，ZMP)是指在地面上存在的一个点，该点使得与地面平行轴方向的由惯性力与重力所产生的净力矩为零。

[0077] 在本申请实施例中，在得到机器人的足部轨迹规划结果之后，可以根据左足轨迹规划结果和右足轨迹规划结果，确定双足的中心点轨迹，并将该轨迹作为机器人的零力矩点参考轨迹。

[0078] 步骤S103、根据零力矩点参考轨迹确定等效质心轨迹。

[0079] 其中，等效质心为将机器人和负载作为一个整体的质心。

[0080] 在本申请实施例中，可以基于现有技术中的任意一种机器人模型来建立对应的动力学状态方程，本申请实施例对此不作具体限定。为了便于叙述，此处以线性倒立摆模型(Linear Inverted Pendulum Model，LIPM)为例进行详细说明。线性倒立摆模型将机器人简化为一个在水平面上的倒立摆，其中所有质量集中在质心(Center of Mass，CoM)，并且假设支撑面是水平的，没有任何摩擦。在线性倒立摆模型中，机器人的踝关节被视为原点，而质心则在倒立摆的顶部，通过控制腿部的运动来改变倒立摆的长度，以保持机器人的平衡和稳定行走。

[0081] 线性倒立摆模型对应的动力学状态方程如下式所示：

[0082] Xk+1＝AXk+Buk

[0083] Yk＝CXk

[0084] 其中，k为时间步的序号，0≤k≤N，N为预设的时间步数，Xk为在第k个时间步与等效质心有关的状态量， xcom,k为等效质心在第k个时间步的位置， 为等效质心在第k个时间步的速度， 为等效质心在第k个时间步的加速
度， 为等效质心在第k个时间步的加加速度，A和B为预设的参数矩阵，C＝[1,
0,‑h/g]，h为机器人的高度，g为重力加速度，Yk为第k个时间步的零力矩点。

[0085] 根据机器人的动力学状态方程和零力矩点参考轨迹，可以确定进行零力矩点跟踪的目标函数。首先，可以根据机器人的动力学状态方程和零力矩点参考轨迹，可以确定零力矩点跟踪误差项和能量项。然后，可以根据跟踪误差项、能量项、与跟踪误差项对应的第一权重和与能量项对应的第二权重，确定目标函数。具体地，可以根据第一权重对跟踪误差项进行加权，得到跟踪误差加权项，并根据第二权重对能量项进行加权，得到能量加权项，最后可以将跟踪误差加权项与能量加权项之和，确定为目标函数，如下式所示：

[0086]

[0087] 其中，Rk为零力矩点参考轨迹在第k个时间步的轨迹点，(Rk‑Yk)2为跟踪误差项，α为与跟踪误差项对应的第一权重，其具体取值均可以根据实际情况进行灵活设置，本申请2
实施例对此不作具体限定，α(Rk‑Yk)为跟踪误差加权项， 为能量项，β为与能量项对应的第二权重，其具体取值均可以根据实际情况进行灵活设置，本申请实施例对此不作具体限定， 为能量加权项，J为目标函数。

[0088] 机器人的零力矩点应位于机器人双足位置的多边形凸包内，据此可以确定与目标函数对应的约束条件，如下式所示：

[0089] CXk≤Lu

[0090] CXk≥Ll

[0091] 其中，Lu和Ll为与机器人双足位置的多边形凸包对应的上限约束和下限约束。

[0092] 基于约束条件，以目标函数最小化为优化目标，对机器人进行模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)，可以求解得到等效质心轨迹。

[0093] 步骤S104、根据等效质心轨迹确定机器人的质心轨迹。

[0094] 在本申请实施例中，可以获取机器人的质量、负载的质量和负载的质心轨迹，根据机器人的质量和负载的质量，基于预设的质心转换关系对等效质心轨迹和负载的质心轨迹进行质心转换，可以得到机器人的质心轨迹。

[0095] 质心转换关系为等效质心、负载的质心和机器人的质心之间的转换关系，如下式所示：

[0096] Mx*|Vx‑Vp|＝Mp*|Ve‑Vp|

[0097] Ve‑Vp＝K(Vx‑Ve)

[0098] 其中，Mx为机器人的质量，Mp为负载的质量，K为预设的转换系数，Vx为机器人的质心，Vp为负载的质心，Ve为等效质心。

[0099] 步骤S105、根据机器人的质心轨迹进行逆运动学求解，得到机器人的腿部关节位姿。

[0100] 在本申请实施例中，可以基于现有技术中的任意一种逆运动学求解方法来确定机器人的腿部关节位姿，包括但不限于：基于解析法的逆运动学求解、基于数值迭代法的逆运动学求解、基于优化算法的逆运动学求解、基于雅克比矩阵的逆运动学求解、基于神经网络的逆运动学求解等，本申请实施例对此不作具体限定。

[0101] 步骤S106、根据机器人的腿部关节位姿控制机器人进行运动。

[0102] 在通过逆运动学求解得到机器人的腿部关节位姿之后，则可以根据该腿部关节位姿控制机器人进行运动，由于该腿部关节位姿得求解过程已经充分考虑了负载对机器人的平衡产生的影响，照此进行运动控制可以有效提高机器人行走的稳定性。

[0103] 上述内容针对的是机器人搬运负载行走的过程，而在此之前，机器人可以将双臂移动至负载附近，并在夹取负载的方向进行柔顺控制，比如维持一个恒力，在抬起负载的过程中同时进行质心调整，使得质心始终保持在双脚的范围内。

[0104] 在机器人抬起负载的过程中，可以首先确定等效质心的实际位置、期望位置、实际速度和期望速度，并根据等效质心的实际位置、期望位置、实际速度和期望速度，确定等效质心的调整量。

[0105] 具体地，可以根据等效质心的实际位置和期望位置，确定等效质心的位置偏差量，并根据等效质心的实际速度和期望速度，确定等效质心的速度偏差量，在得到位置偏差量和速度偏差量之后，可以根据位置偏差量、速度偏差量、与位置偏差量对应的比例系数和与速度偏差量对应的微分系数，确定等效质心的调整量，如下式所示：

[0106] delta＝kp(xd‑x)+kd(dxd‑dx)

[0107] 其中，xd为等效质心的期望位置，x为等效质心的实际位置，(xd‑x)为等效质心的位置偏差量，kp为与位置偏差量对应的比例系数，其具体取值可以根据实际情况进行灵活设置，本申请实施例对此不作具体限定，dxd为等效质心的期望速度，dx为等效质心的实际速度，(dxd‑dx)为等效质心的速度偏差量，kd为与速度偏差量对应的微分系数，其具体取值可以根据实际情况进行灵活设置，本申请实施例对此不作具体限定，delta为等效质心的调整量。

[0108] 在确定等效质心的调整量之后，即可根据该调整量来对进行质心调整，使得质心始终保持在双脚的范围内，从而提高了机器人的稳定性。

[0109] 在机器人搬运负载行走至目标地点之后，机器人可以执行放下负载的动作，此时可以控制机器人的双臂向下移动，并进行环境作用力的检测，在检测到的环境作用力大于预设的作用力阈值的情况下，不再向下移动，开始进行质心调整。作用力阈值的具体取值均可以根据实际情况进行灵活设置，例如，可以将其设置为20牛顿(N)或其它取值，本申请实施例对此不作具体限定。

[0110] 放下负载过程中时的质心调整过程与抬起负载时的质心调整过程类似，具体可以参照前述内容，此处不再赘述。在完成质心调整后，机器人可以关闭夹取负载的方向的力控制器，之后双臂离开负载，从而完成搬运任务。

[0111] 综上所述，本申请实施例在机器人搬运负载的过程中，对机器人进行足部轨迹规划，得到机器人的足部轨迹规划结果；根据足部轨迹规划结果确定机器人的零力矩点参考轨迹；根据零力矩点参考轨迹确定等效质心轨迹；其中，等效质心为将机器人和负载作为一个整体的质心；根据等效质心轨迹确定机器人的质心轨迹；根据机器人的质心轨迹进行逆运动学求解，得到机器人的腿部关节位姿；根据机器人的腿部关节位姿控制机器人进行运动。通过本申请实施例，在机器人搬运负载的过程中，将机器人和负载作为一个整体来进行质心轨迹的规划，并在此基础上对机器人进行运动控制，充分考虑了负载对机器人的平衡产生的影响，有效提高了机器人行走的稳定性。

[0112] 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，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

[0113] 对应于上文实施例所述的一种机器人控制方法，图2示出了本申请实施例提供的一种机器人控制装置的一个实施例结构图。

[0114] 本实施例中，一种机器人控制装置可以包括：

[0115] 轨迹规划模块201，用于在机器人搬运负载的过程中，对所述机器人进行足部轨迹规划，得到所述机器人的足部轨迹规划结果；

[0116] 参考轨迹确定模块202，用于根据所述足部轨迹规划结果确定所述机器人的零力矩点参考轨迹；

[0117] 等效质心轨迹确定模块203，用于根据所述零力矩点参考轨迹确定等效质心轨迹；其中，所述等效质心为将所述机器人和所述负载作为一个整体的质心；

[0118] 质心轨迹确定模块204，用于根据所述等效质心轨迹确定所述机器人的质心轨迹；

[0119] 逆运动学求解模块205，用于根据所述机器人的质心轨迹进行逆运动学求解，得到所述机器人的腿部关节位姿；

[0120] 运动控制模块206，用于根据所述机器人的腿部关节位姿控制所述机器人进行运动。

[0121] 在本申请实施例的一种具体实现方式中，所述等效质心轨迹确定模块可以包括：

[0122] 目标函数确定子模块，用于根据所述机器人的动力学状态方程和所述零力矩点参考轨迹，确定进行零力矩点跟踪的目标函数；

[0123] 约束条件确定子模块，用于确定与所述目标函数对应的约束条件；

[0124] 模型预测控制子模块，用于基于所述约束条件，以所述目标函数最小化为优化目标，对所述机器人进行模型预测控制，得到所述等效质心轨迹。

[0125] 在本申请实施例的一种具体实现方式中，所述目标函数确定子模块可以包括：

[0126] 误差项和能量项确定单元，用于根据所述机器人的动力学状态方程和所述零力矩点参考轨迹，确定零力矩点跟踪误差项和能量项；

[0127] 目标函数确定单元，用于根据所述跟踪误差项、所述能量项、与所述跟踪误差项对应的第一权重和与所述能量项对应的第二权重，确定所述目标函数。

[0128] 在本申请实施例的一种具体实现方式中，所述目标函数确定单元可以具体用于：根据所述第一权重对所述跟踪误差项进行加权，得到跟踪误差加权项；根据所述第二权重对所述能量项进行加权，得到能量加权项；将所述跟踪误差加权项与所述能量加权项之和，确定为所述目标函数。

[0129] 在本申请实施例的一种具体实现方式中，所述质心轨迹确定模块可以具体用于：获取所述机器人的质量、所述负载的质量和所述负载的质心轨迹；根据所述机器人的质量和所述负载的质量，基于预设的质心转换关系对所述等效质心轨迹和所述负载的质心轨迹进行质心转换，得到所述机器人的质心轨迹；其中，所述质心转换关系为所述等效质心、所述负载的质心和所述机器人的质心之间的转换关系。

[0130] 在本申请实施例的一种具体实现方式中，所述机器人控制装置还可以包括：

[0131] 数据确定模块，用于在所述机器人抬起或放下所述负载的过程中，确定所述等效质心的实际位置、期望位置、实际速度和期望速度；

[0132] 调整量确定模块，用于根据所述等效质心的实际位置、期望位置、实际速度和期望速度，确定所述等效质心的调整量；

[0133] 调整量控制模块，用于根据所述等效质心的调整量控制所述机器人进行运动。

[0134] 在本申请实施例的一种具体实现方式中，所述调整量确定模块可以具体用于：根据所述等效质心的实际位置和期望位置，确定所述等效质心的位置偏差量；根据所述等效质心的实际速度和期望速度，确定所述等效质心的速度偏差量；根据所述位置偏差量、所述速度偏差量、与所述位置偏差量对应的比例系数和与所述速度偏差量对应的微分系数，确定所述等效质心的调整量。

[0135] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置，模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

[0136] 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。

[0137] 图3示出了本申请实施例提供的一种机器人的示意框图，为了便于说明，仅示出了与本申请实施例相关的部分。

[0138] 如图3所示，该实施例的机器人3包括：处理器30、存储器31以及存储在所述存储器31中并可在所述处理器30上运行的计算机程序32。所述处理器30执行所述计算机程序32时实现上述各个机器人控制方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S101至步骤S106。或者，所述处理器30执行所述计算机程序32时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图2所示模块201至模块206的功能。

[0139] 示例性的，所述计算机程序32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31中，并由所述处理器30执行，以完成本申请。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32在所述机器人3中的执行过程。

[0140] 本领域技术人员可以理解，图3仅仅是机器人3的示例，并不构成对机器人3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3还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

[0141] 所述处理器30可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其它通用处理器、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)或者其它可编程逻辑器件、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。

[0142] 所述存储器31可以是所述机器人3的内部存储单元，例如机器人3的硬盘或内存。所述存储器31也可以是所述机器人3的外部存储设备，例如所述机器人3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31还可以既包括所述机器人3的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器31用于存储所述计算机程序以及所述机器人3所需的其它程序和数据。所述存储器31还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

[0143] 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，并不用于限制本申请的保护范围。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。

[0144] 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。

[0145] 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申请的范围。

[0146] 在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/机器人和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/机器人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。

[0147] 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。

[0148] 另外，在本申请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。

[0149] 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存储介质中。基于这样的理解，本申请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来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。所述计算机可读存储介质可以包括：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，所述计算机可读存储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，计算机可读存储介质不包括电载波信号和电信信号。

[0150] 以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。