CN107942748B

CN107942748B - 一种机械臂空间动态避障感应手环及控制系统

Info

Publication number: CN107942748B
Application number: CN201711216583.1A
Authority: CN
Inventors: 安康; 方厚招; 朱志明; 方祖华; 王丽慧
Original assignee: Shanghai Normal University
Current assignee: Shanghai Normal University
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2037-11-28
Also published as: CN107942748A

Abstract

本发明涉及一种机械臂空间动态避障感应手环及控制系统，所述感应手环包括多面体手环本体和设置于所述多面体手环本体上测距传感器，所述测距传感器设有多个，分布于所述多面体手环本体的内侧壁上，且各所述测距传感器的探测面互不重叠；所述控制系统包括：感应手环；控制模块，用于根据所述感应手环上各测距传感器采集的距离数据，计算获得障碍物空间位姿数据；数据处理模块，用于存储所述障碍物空间位姿数据，分析获得障碍物位置数据，显示所述障碍物位置数据并输出。与现有技术相比，本发明在不接触障碍物的情况下能够判断障碍物位置，实现避障功能，满足多自由度机械手臂在运动空间中避开障碍物的需求。

Description

一种机械臂空间动态避障感应手环及控制系统

技术领域

本发明涉及一种机械臂避障方法，尤其是涉及一种机械臂空间动态避障感应手环及控制系统。

背景技术

在复杂的环境作业过程中，机械手臂周围可能会出现各种形态的障碍物。这就需要机械手臂能够具有准确地探知周围障碍物的位置以及形状并且避开障碍物的能力。多自由度的机械手臂可以实现避开障碍物、提高工作范围内的灵活性。而障碍物的位置形状的信息是机械臂能够实现自主运行的控制的重要数据，目前采用电机阻抗力度感知障碍物的位置，通过机械手臂接触障碍物，然后障碍物给机械手臂反作用力探知障碍物的存在。又或者通过色差摄像头，发现周围环境的与障碍物的色差变化感知障碍物的形状。虽然这些方法能够简单获取障碍物存在的信息，满足机械手臂避开障碍物的需求，但为了能够使多自由度手臂自主运行、提前预知并避开障碍物、完成复杂动作、运动平稳以及减少机械手臂周围的盲区，就需要设计出其他的方式对障碍物位置和形状的感知。由于需要考虑整个多自由度的机械手臂的灵活性，所以避障系统一般会受整个机械手臂的重量、体积、能耗的限制。随着如今计算机控制和传感器技术种类的快速发展，各种在智能机器人避障技术上的应用不断改善。其中应用最多的是测距传感器的技术获得障碍物的位置和形状信息。

目前，测距传感器已被广泛应用于生活中汽车的倒车雷达和汽车自动驾驶、小型无人飞机的高度测量等各种行业。常见的就是在机械手臂上放置单个测距传感器点对式直线或者是在一个特定方向上测量障碍物的距离，这种应用具有幻影干扰不能准确对障碍物进行准确识别的弱点。使用视觉成像的摄像头感应有可能解决识别准确度问题，然而该方案对体积、重量、成本要求相对高，无法应用于现实生活生产中。因此，需要研发一种新的障碍物检测方式。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种机械臂空间动态避障感应手环及控制系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种机械臂空间动态避障感应手环，包括多面体手环本体和设置于所述多面体手环本体上测距传感器，所述测距传感器设有多个，分布于所述多面体手环本体的内侧壁上，且各所述测距传感器的探测面互不重叠。

进一步地，所述多面体手环本体的内侧壁设置用于安装所述测距传感器的卡槽。

进一步地，该感应手环还包括设置于多面体手环本体内、用于与机械臂实现连接的法兰。

进一步地，所述测距传感器包括超声波测距传感器。

本发明还提供一种机械臂空间动态避障控制系统，包括：

感应手环；

控制模块，用于根据所述感应手环上各测距传感器采集的距离数据，计算获得障碍物空间位姿数据；

数据处理模块，用于存储所述障碍物空间位姿数据，分析获得障碍物位置数据，显示所述障碍物位置数据并输出。

进一步地，所述控制模块包括相连接的数据接收单元和障碍位姿求解器，所述障碍位姿求解器计算获得障碍物空间位姿数据的具体过程为：

1)建立固定于机械臂基座上的基坐标系和以所述感应手环中心为坐标原点的手环坐标系；

2)获得所述基坐标系和手环坐标系之间的变换矩阵；

3)获取感应手环上各测距传感器采集的距离数据，根据所述距离数据获得障碍物在手环坐标系中的空间位姿；

4)基于所述变换矩阵将所述障碍物在手环坐标系中的空间位姿转换为障碍物在基坐标系中的空间位姿。

进一步地，所述变换矩阵为复合旋转、平移、自旋转和自平移的变换矩阵。

进一步地，所述步骤3)中，根据各所述测距传感器的距离数据获得障碍物的多个点数据，通过两点连线获得障碍物在手环坐标系中的空间位姿。

进一步地，所述数据处理模块包括：

数据存储单元，用于存储所述障碍物空间位姿数据；

数据分析计算单元，用于根据所述障碍物空间位姿数据，分析获得障碍物位置数据；

数据显示单元，用于根据所述障碍物位置数据进行图像仿真并显示。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明通过对手环的设计，可以使测距传感器能够测量沿手环半径方向的距离参数，保证测距传感器模块的探测面不会发生重叠而导致N个传感器之间探测相互之间紊乱的问题。

第二，本发明手环采用多个测距传感器测量技术设计，在空间立体上通过多个按照几何关系设置的测距传感器同时探知障碍物的位置和形状，具有体积小，重量轻，成本低的同时外，还有能够提高检测精度和检测范围的特点，就非常符合工作复杂的自由度机械手臂的需求。所以，对采用多个测距传感器在障碍物探测得的位置形状的模糊信息的设计研究非常应用价值和前景。

第三，本发明控制方法简单，无需大量复杂的计算，具有较好的实时性，不需要接触即可准确探测周围障碍物的位置，实现避开障碍物，提高工作范围内的灵活性。

第四，本发明可以有效地提高探测障碍物位置的准确度，能够通过估算手臂本体空间姿态，消除多自由度手臂把自身的手臂视为障碍物的误判，提高机械臂的安全性能，使用寿命等。

第五，本发明具有测量范围广，结构新颖，体积小，重量轻可装卸等优点，适用于现实生活生产中。

第六，本发明鲁棒性好，避障成功率高。

附图说明

图1为机械臂空间动态避障感应手环构架图；

图2为机械臂空间动态避障感应手环整体图；

图3为机械臂空间动态避障控制系统的原理图；

图4为单个传感器感应到障碍物处理方式图；

图5为两个传感器感应到障碍物处理方式图；

图6为多个传感器感应到障碍物处理方式图；

图7为测距传感器探测到空间中障碍物面的描述图；

图8为机械臂基坐标系与手环坐标系的变换；

图9为手环坐标系的自旋转；

图10为避障手环上测距传感器各路感应模拟图；

图11为第一次采集仿真示意图；

图12为第二次采集仿真示意图；

图13为第三次采集仿真示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提供一种机械臂空间动态避障感应手环，如图1和图2所示，包括多面体手环本体和设置于多面体手环本体上测距传感器，测距传感器设有多个，分布于多面体手环本体的内侧壁上，测距传感器能够测量沿手环半径方向的距离参数，且各测距传感器的探测面互不重叠，从而避免多个传感器之间探测相互之间紊乱的问题。测距传感器的数量、类型以通信方式都不限定。

在某些实施例中，多面体手环本体的内侧壁设置用于安装测距传感器的卡槽。

在某些实施例中，该感应手环还包括设置于多面体手环本体内、用于与机械臂实现连接的法兰。法兰的内部直径根据自由度机械手臂的手臂末端直径确定。

在某些实施例中，各测距传感器均匀分布于所述多面体手环本体的每一面上。本实施例中，多面体手环本体为八面体手环本体。

本发明还提供一种机械臂空间动态避障控制系统，如图3所示，包括：感应手环1，包括测距传感器；控制模块2，用于根据感应手环上各测距传感器采集的距离数据，计算获得障碍物空间位姿数据；数据处理模块3，用于存储障碍物空间位姿数据，分析获得障碍物位置数据，显示障碍物位置数据并输出。该控制系统中，测距传感器采集探测到障碍物的距离数据发送到控制模块，进行空间坐标转换求解其在手环坐标系中的位姿以及在机械臂基坐标中的位姿；空间数据处理结果通过串口等方式发送到数据处理模块，进行存储以及进行数据分析和计算，分析得出障碍物的位置数据在显示模块中显示，输出数据结果到机械臂中。

控制模块3包括相连接的数据接收单元201和障碍位姿求解器202，该障碍位姿求解器202计算采用的障碍位姿算法获得障碍物空间位姿数据，首先建立固定于机械臂基座上的基坐标系和以感应手环中心为坐标原点的手环坐标系，并获得基坐标系和手环坐标系之间的变换矩阵；然后根据各测距传感器的距离数据获得障碍物的多个点数据，通过两点连线获得障碍物在手环坐标系中的空间位姿；最后基于变换矩阵将障碍物在手环坐标系中的空间位姿转换为障碍物在基坐标系中的空间位姿。具体步骤如下：

(1)建立固定在机械臂基座上的基坐标系R和以机械臂避障手环中心为坐标原点的手环坐标系H。假设控制模块中的数据接收模块接收到测距传感器发送的空间障碍物某一点^HP坐标的齐次矩阵为：

(2)计算和推导空间中以上两个坐标系的正逆变换关系。如图8和图9所示，先规定手环坐标系中各个方向轴

与基座坐标系中的各个方向轴

的旋转角度变量：

q_x＝α

q_y＝β

q_z＝γ

手环坐标系原点O_noa相对基座坐标系在各方向轴上的移动分量：

d_x＝l₁

d_y＝l₂

d_z＝l₃

相对基座坐标系纯平移的变换公式：

绕基座坐标系轴纯旋转的变换表示：

手环坐标系H相对于基座坐标系R的复合变换：

^RTrans＝Rot(x,q_x)*Rot(y,q_y)*Rot(z,q_z)*^RTrans(d_x d_y d_z)

手环坐标系H为参考的自旋转和平移变换:

^HTrans＝Rot(n,q_n)*Rot(o,q_o)*Rot(a,q_a)*^HTrans(d_n d_o d_a)

机械手臂手环相对于基座坐标系R和手环自身坐标系H多种复合变换:

Trans＝^RTrans*^HTrans

(3)若得到障碍物上的一点P的信息数据为P_noa，通过障碍位姿算法的变换可以得到此点基座坐标系中的坐标P_xyz：

P_xyz＝Trans*P_noa

(4)障碍位姿求解器根据距离信息描述手环中的各个传感器感测到的空间中的点。当单个测距传感器感应到障碍物时，则为一条直线，如图4所示，将其直线方程转换到基坐标系中，此时采用两点形式的空间直线：

当两个或多个传感器探测到障碍物时，如图5和图6所示，则将感应到多个障碍物的点连成线，并将其直线方程转换到基坐标中，此时我们采用标准式的空间直线(点斜式)：

其中

所在直线的基本方向向量。

基于上述过程探测到空间中障碍物面近似描述为如图7所示。

(5)最终将空间中障碍物相对于手环坐标系的空间位姿，转换相对于基座坐标系中的空间姿态。

数据处理模块3包括：数据存储单元301，用于存储障碍物空间位姿数据；数据分析计算单元302，用于根据障碍物空间位姿数据，分析获得障碍物位置数据；数据显示单元303，用于根据障碍物位置数据进行图像仿真并显示。

实施例

本实施例实现一种机械臂空间动态避障控制系统，应用于六自由度机械臂，所设计的感应手环中，测距传感器包括超声波测距传感器，设置有12个，通信方式采用串口通信。该控制系统的控制过程具体为：

第一步，安装感应手环，该手环符合手臂末端的运动特点。

第二步，测距传感器工作。本实施例中，超声波测距传感器在工作时，会以一种扇形表面的波形向外扩张，其扇形的角度就称之为声波的波束角，机械臂在工作旋转移动过程中与障碍物的转过角度在波束角的方位内，其与障碍物的偏转姿态角度大于超声波的感应范围即就需要以下关系式转化：

其中D为超声波测量的距离(m)；d为实际的距离(m)；

为机械手臂手环的姿态旋转角度大于传感器的波束角的角度(度)。

第三步，建立固定在机械臂基座上的基坐标系R和以机械臂避障手环中心为坐标原点的手环坐标系H。

本实施例中，12个超声波测距传感器各检测到的点在手环坐标系中坐标如表1所示。

表1

表中d₁....d₁₂分别表示各方向上的传感器检测到的距离。

单点检查到的障碍物的公式为(手环坐标系中的三个轴n,o,a)：

其中，n为手环坐标系中的轴。d_k为n轴起12个超声波传感器中第k个传感器检测到的物体距离。

两点检测到障碍物的表达式为(两点式)：

第四步，控制模块中的数据接收单元接收到测距传感器发送的空间障碍物某一点^HP坐标的齐次矩阵，进行计算和推到空间中两个坐标系的正逆变换关系，构造手环坐标系在机械臂基坐标系的空间位置姿态。

第五步，将手环中的各个传感器感测到的空间中的点连成线，并通过采用两点形式的空间直线或标准式的空间直线将其直线方程转换到基坐标系中。

第六步，经过以上步骤在控制模块中的障碍位姿求解器的一系列处理计算出机械臂避障手环相对于障碍物的位置信息，然后通过设置串口的波特率等相关参数设置后发送到数据分析计算单元进行仿真，如图10所示，为避障手环感应器各路感应模拟图。

第七步，数据分析计算单元接收到位置信息后，对采集到的信息进行图像仿真，如图11、图12和图13是随时间变化依次采集的数据所生成的图像。从图中可以清晰的看出前方和后方分别有障碍物存在，且随着时间的变化，相对于机械臂，前方的障碍物静止不动，后方的障碍物在沿着远离机械臂的方向运动。

本发明的测距传感器不限于超声波测距传感器，还可以采用其他测距传感器。控制器模块处理的数据不限于发送数据给上位机，也可以发送给机器人本体的控制器，机器人根据收到的数据进行处理并执行避障任务。本发明通信方面不限于采用串口，也可以采用其他的通信方式。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种机械臂空间动态避障控制系统，其特征在于，包括：

感应手环，该感应手环包括多面体手环本体、设置于所述多面体手环本体上测距传感器和设置于多面体手环本体内、用于与机械臂实现连接的法兰，所述测距传感器设有多个，分布于所述多面体手环本体的内侧壁上，所述测距传感器测量沿手环半径方向的距离参数，且各所述测距传感器的探测面互不重叠；

数据处理模块，用于存储所述障碍物空间位姿数据，分析获得障碍物位置数据，显示所述障碍物位置数据并输出；

所述控制模块包括相连接的数据接收单元和障碍位姿求解器，该障碍位姿求解器计算获得障碍物空间位姿数据的具体过程为：

2)获得所述基坐标系和手环坐标系之间的变换矩阵，该变换矩阵为复合旋转、平移、自旋转和自平移的变换矩阵；

3)获取感应手环上各测距传感器采集的距离数据，根据各所述测距传感器的距离数据获得障碍物的多个点数据，通过两点连线获得障碍物在手环坐标系中的空间位姿；

4)基于所述变换矩阵将所述障碍物在手环坐标系中的空间位姿转换为障碍物在基坐标系中的空间位姿；

所述数据处理模块包括：

数据存储单元，用于存储所述障碍物空间位姿数据；

数据显示单元，用于根据所述障碍物位置数据进行图像仿真并显示；

所述根据各所述测距传感器的距离数据获得障碍物的多个点数据，通过两点连线获得障碍物在手环坐标系中的空间位姿具体为：

多个测距传感器中单点检查到的障碍物的公式为：

其中，n、o为手环坐标系中的轴，作为公式变量点，d_k为第k个测距传感器检测到的障碍物距离；

多个测距传感器中至少两点检测到障碍物的表达式为：

2.根据权利要求1所述的机械臂空间动态避障控制系统，其特征在于，所述多面体手环本体的内侧壁设置用于安装所述测距传感器的卡槽。

3.根据权利要求1所述的机械臂空间动态避障控制系统，其特征在于，所述测距传感器包括超声波测距传感器。