CN109591014A - 一种双臂协作机器人的双臂协调搬运方法 - Google Patents

一种双臂协作机器人的双臂协调搬运方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种双臂协作机器人的双臂协调搬运方法，该方法包括：根据待搬运物体的大小、第一初始位姿和第一目标位姿，获取协作机器人双臂的第二初始位姿和第二目标位姿，通过基于采样的运动规划方法，获取主臂从所述第二初始位姿到第二目标位姿的第一路点；获取从臂从第二初始位姿到第二目标位姿的第二路点；主臂按照所述第一路点、从臂按照第二路点，将待搬运物体从第一初始位姿搬运到第一目标位姿。本发明实施例实现了双臂的各种运动规划，在此基础上对双臂进行运动学约束，成功的在双臂协作机器人实物上实现了双臂协调搬运，使双臂操作能够运用到更多的场合，并能安全、准确的完成任务。

Description

一种双臂协作机器人的双臂协调搬运方法
技术领域
本发明实施例涉及机器人技术领域，尤其涉及一种双臂协作机器人的双臂协调搬运方法。
背景技术
机器人被广泛应用于汽车零部件、3C电子、金属机械、五金卫浴、食品饮料、服务行业、科研试验、医疗制药等行业。而近年来，对让机器人在人类环境中对物体的操作得到了广泛的关注，随着机器人应用范围的不断扩大，各种新的操作任务和工作环境对机器人的操作能力提出了更高的要求。比如，让机器人与人类协同完成工业任务，顺应市场需求诞生了轻便灵巧的“协作机器人”。
协作型机器人又名人机协同作业机器人，它的发明旨在引导或辅助人类实现特定作业任务，从而降低人类劳动负担。
目前，随着协作机器人变得越来越轻便和灵活，它们也开始更多的应用于服务机器人行业。但对于单臂协作机器人来说，需要搬运大型物体或不易用一只手臂持有的物体的任务特别困难。
与单臂协作机器人相比，双臂协作机器人拥有非常多的自由度和复杂的结构，提高了机器人的灵活性和通用性，它并不是简单的把两个单臂机器人组合在一起，而是将其作为一个独立的机器人系统，双臂之间可以存在着高度的协调关系。双臂协作机器人拥有更广泛的应用场合，比如可以尝试家庭、零售和工业环境中工作。
因此，亟需一种双臂协作机器人的双臂协调搬运方法。
发明内容
针对上述问题，本发明实施例提供一种双臂协作机器人的双臂协调搬运方法。
第一方面，本发明实施例提供一种双臂协作机器人的双臂协调搬运方法，包括：
根据待搬运物体的大小、所述待搬运物体的第一初始位姿和所述待搬运物体的第一目标位姿，获取协作机器人双臂的第二初始位姿和第二目标位姿，其中，所述协作机器人双臂中的一个臂为主臂，另一个臂为从臂；
通过基于采样的运动规划方法，获取所述主臂从所述第二初始位姿到所述第二目标位姿的第一路点；
获取所述从臂从所述第二初始位姿到所述第二目标位姿的第二路点；
所述主臂按照所述第一路点、所述从臂按照所述第二路点，将所述待搬运物体从所述第一初始位姿搬运到所述第一目标位姿。
第二方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：
至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；其中，
所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；
所述通信接口用于该测试设备与显示装置的通信设备之间的信息传输；
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行第一方面提供的一种双臂协作机器人的双臂协调搬运方法。
第三方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行第一方面提供的一种双臂协作机器人的双臂协调搬运方法。
本发明实施例提供的一种双臂协作机器人的双臂协调搬运方法，实现了双臂的各种运动规划，在此基础上对双臂进行运动学约束，成功的在双臂协作机器人实物上实现了双臂协调搬运，使双臂操作能够运用到更多的场合，并能安全、准确的完成任务。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种双臂协作机器人的双臂协调搬运方法的流程图；
图2为本发明实施例中使用的双臂协调搬运方法中双臂与待搬运物体间形成的闭环运动链；
图3是本发明在实施例中使用双臂将物体从初始点搬运到目标点的示意图；
图4表示本发明在实施例中根据约束条件计算出从臂末端执行器空间位置的结果在matlab下的仿真图；
图5示例了一种电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例一种双臂协作机器人的双臂协调搬运方法的流程图，如图1所示，该方法包括：
S1，根据待搬运物体的大小、所述待搬运物体的第一初始位姿和所述待搬运物体的第一目标位姿，获取协作机器人双臂的第二初始位姿和第二目标位姿，其中，所述协作机器人双臂中的一个臂为主臂，另一个臂为从臂；
S2，通过基于采样的运动规划方法，获取所述主臂从所述第二初始位姿到所述第二目标位姿的第一路点；
S3，获取所述从臂从所述第二初始位姿到所述第二目标位姿的第二路点；
S4，所述主臂按照所述第一路点、所述从臂按照所述第二路点，将所述待搬运物体从所述第一初始位姿搬运到所述第一目标位姿。
本发明实施例中所采用的双臂协作机器人有1个2自由度的头部、一个躯干、一个底盘和两个7自由度的机械臂，机械臂是由模块化关节构成的轻量化手臂，可重构模块，并且控制系统也能单独工作，模块将电机、减速器、码盘、控制电路、驱动器集成在一起。该协作机器人通过CAN总线通信，完成各个关节的运动控制。
本发明实施例中在ROS下对该协作机器人进行建模，使用MoveIt为双臂机器人编写了一套操作原语。原语是操作系统或计算机网络用语范畴。是由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一个过程。
首先根据待搬运物体的大小尺寸，待搬运物体的第一初始位姿表示物体的初始位置和姿态，待搬运物体的第一目标位姿表示物体需要搬运到的目标位置和姿态，得到协作机器人双臂的第二初始位姿和第二目标位姿，第二初始位姿表示待搬运物体在第一初始位姿时，机器人双臂夹取物体的第二初始位姿，第二目标位姿表示待搬运物体在第一目标位姿时，机器人双臂夹取物体时的第二目标位姿。
通过基于采样的运动规划方法，得到主臂从第二初始位姿到第二目标位姿的第一路点，第一路点表示在主臂从第二初始位姿运动到第二目标位姿的过程中，所形成的运动轨迹上的点。
然后获取从臂从第二初始位姿到第二目标位姿的第二路点，第二路点表示从臂运动过程中所形成的运动轨迹上的点。
主臂按照第一路点运动、从臂按照第二路点运动，将待搬运物体从第一初始位姿搬运到第一目标位姿。
本发明实施例提供的一种双臂协作机器人的双臂协调搬运方法，实现了双臂的各种运动规划，在此基础上对双臂进行运动学约束，成功的在双臂协作机器人实物上实现了双臂协调搬运，使双臂操作能够运用到更多的场合，并能安全、准确的完成任务。
还需要说明的是，MoveIt包含运动规划、操作控制、运动学、控制与导航算法等，本发明规划场景为双臂创建工作环境，并定义了一套操作原语，使双臂能进行多种运动，如关节运动、点到点运动、笛卡尔运动规以及抓取和放置等。表1为本发明实施例中对双臂协作机器人设计的操作原语和对应的功能，如表1所示：
表1
表1中参数含义如下：
group表示需要给定规划组(即选择哪条机械臂)；
object表示目标物体的位姿；
pose表示机械臂需要运动到的目标位姿；
joints表示机械臂的关节角；
mode表示末端执行器的状态(打开/闭合)；
target表示需要将抓取的物体放置到的位置；
configuration表示抓取和放置的参数(包括抓取时末端姿态，离物体的距离)；
参数里下角标的l和r表示分别表示左臂和右臂。
在上述实施例的基础上，优选地，所述根据待搬运物体的大小、所述待搬运物体的第一初始位姿和所述待搬运物体的第一目标位姿，之前还包括：
根据所述协作机器人双臂协调搬运满足的预设条件，将所述协作机器人的左臂设置为主臂，将所述协作机器人的右臂设置为从臂，所述预设条件为所述协作机器人双臂末端和所述待搬运物体在运动过程中保持相对静止。
根据双臂协调搬运需要满足的预设条件，双臂末端和待搬运物体之间会形成一个闭环运动链，双臂应该保持一定的运动关系，所以将左臂设置为主臂，将右臂设置为从臂，在主臂和从臂之间设置位姿约束，使双臂在运动的时候，从臂跟随主臂运动。这样设置的好处在于，设置主臂和从臂，可以把双臂逆解和运动规划简化为单臂的，已知主臂的末端轨迹就可以根据约束条件求出从臂的，从而简化了计算过程。
图2为本发明实施例中使用的双臂协调搬运方法中双臂与待搬运物体间形成的闭环运动链，如图2所示，双臂协调运动规划可以看作是单臂运动规划的扩展，对于单臂来说，单臂末端执行器的位姿Tee可用一个4×4的矩阵来表示：
其中，R表示机械臂末端的3×3姿态矩阵，P表示机械臂末端在空间中的位置。
而对于双臂来说，为了解决末端的约束问题，需要指定一条笛卡尔空间中的轨迹，以对两条手臂进行解耦，分解成两个单臂系统。
如果双臂需共同搬运某一物体，则双臂间的协调关系要求末端执行器和物体不发生相对运动，两臂之间也不发生相对运动。
两个机械臂的协调操作可以将左臂设为主臂，右臂设为从臂，在图2中，主臂和从臂的基坐标系分别为L0和R0，它们的末端执行器的坐标系分别为Lee和Ree，obj表示与物体固接的坐标系(在物体质心)，两臂末端执行器之间的约束关系用变换矩阵表示为：
式(2)中，表示所述主臂的末端执行器相对于基坐标系的变换矩阵，表示所述从臂的末端执行器相对于所述基坐标系的变换矩阵，表示所述待搬运物体相对于所述主臂的末端执行器的变换矩阵，和是通过主臂和从臂的正运动学方程求解出来的末端执行器的位姿矩阵。
表示所述待搬运物体相对于所述从臂的末端执行器的变换矩阵。
在运动过程中固定不变，表示从臂基坐标系相对于主臂基坐标系中的变换矩阵。由于两条机械臂基坐标系都是固定不动的，所以也是个常数矩阵。
公式(2)可以通过消去物体来化简，公式(2)两边同时乘以参数和的逆，即可得到公式(3)：
公式(3)中，是个常数矩阵，公式(3)表示当主臂末端位姿矩阵已知，需要求解从臂末端位姿矩阵的非线性方程组。
图3是本发明在实施例中使用双臂将物体从初始点搬运到目标点的示意图，在双臂搬运的任务中，物体的第一初始位姿(实线部分)和物体的第一目标位姿(虚线部分)是已知的，本发明实施例中使用双臂将物体从初始点搬运到目标点的示意图：
所以可以确定双臂末端的第二初始位姿矩阵(实线部分)和第二目标位姿矩阵(虚线部分)：
如果希望双臂协调将物体从初始位置搬运到目标位置，那么就要在双臂初始构形和目标构形已知的条件下，让双臂在运动过程中始终保持主臂和从臂之间的约束关系。
双臂的初始构形就是图中实线圆圈所表示的构形，双臂的目标构形就是图中虚线圆圈所表示的构形。
用基于采样的运动规划方法规划出主臂末端从第二初始位姿到第二目标位姿的路点，根据约束条件计算出从臂末端从第二初始位姿到第二目标位姿的路点。
已知的主臂末端执行器空间位置和待搬运物体空间位置的情况下，图4表示本发明在实施例中根据约束条件计算出从臂末端执行器空间位置的结果在matlab下的仿真图。
如图4所示，本发明使用开源运动规划库OMPL(The Open Motion PlanningLibrary)规划出主臂末端的路点信息，并根据约束条件计算得到得到从臂末端的路点信息，将主臂和从臂末端的路点位置数据保存，并在matlab下进行仿真测试，测试结果如图，左边的点为主臂末端位置信息，右边的点为从臂末端位置信息。从图中可以看出双臂末端路点始终保持无相对运动的状态。
计算出每一个路点对应双臂的逆解，让双臂沿着路点运动，即可实现双臂协调搬运。
由于本发明中使用的机器人两条手臂都是7自由度手臂，即两条手臂都有1个冗余自由度，运动学逆解不存在封闭解。所以，从两个机械臂的7个关节中各选择1个关节，并假设它是在求解之前设置的，称为自由关节qfree，需要求解的关节称为活动关节qactive。
所以现在本发明在实施例中的已知量有：
未知量有：
根据已知量(6)，利用机械臂逆运动学的解析解法可求出未知量(7)。
图5示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图5所示，该服务器可以包括：处理器(processor)510、通信接口(Communications Interface)520、存储器(memory)530和总线540，其中，处理器510，通信接口520，存储器530通过总线540完成相互间的通信。通信接口540可以用于服务器与智能电视之间的信息传输。处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，以执行如下方法：
根据待搬运物体的大小、所述待搬运物体的第一初始位姿和所述待搬运物体的第一目标位姿，获取协作机器人双臂的第二初始位姿和第二目标位姿，其中，所述协作机器人双臂中的一个臂为主臂，另一个臂为从臂；
通过基于采样的运动规划方法，获取所述主臂从所述第二初始位姿到所述第二目标位姿的第一路点；
获取所述从臂从所述第二初始位姿到所述第二目标位姿的第二路点；
所述主臂按照所述第一路点、所述从臂按照所述第二路点，将所述待搬运物体从所述第一初始位姿搬运到所述第一目标位姿。
此外，上述的存储器530中的逻辑指令可以通过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，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：
根据待搬运物体的大小、所述待搬运物体的第一初始位姿和所述待搬运物体的第一目标位姿，获取协作机器人双臂的第二初始位姿和第二目标位姿，其中，所述协作机器人双臂中的一个臂为主臂，另一个臂为从臂；
通过基于采样的运动规划方法，获取所述主臂从所述第二初始位姿到所述第二目标位姿的第一路点；
获取所述从臂从所述第二初始位姿到所述第二目标位姿的第二路点；
所述主臂按照所述第一路点、所述从臂按照所述第二路点，将所述待搬运物体从所述第一初始位姿搬运到所述第一目标位姿。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种双臂协作机器人的双臂协调搬运方法，其特征在于，包括：
根据待搬运物体的大小、所述待搬运物体的第一初始位姿和所述待搬运物体的第一目标位姿，获取协作机器人双臂的第二初始位姿和第二目标位姿，其中，所述协作机器人双臂中的一个臂为主臂，另一个臂为从臂；
通过基于采样的运动规划方法，获取所述主臂从所述第二初始位姿到所述第二目标位姿的第一路点；
获取所述从臂从所述第二初始位姿到所述第二目标位姿的第二路点；
所述主臂按照所述第一路点、所述从臂按照所述第二路点，将所述待搬运物体从所述第一初始位姿搬运到所述第一目标位姿。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据待搬运物体的大小、所述待搬运物体的第一初始位姿和所述待搬运物体的第一目标位姿，之前还包括：
根据所述协作机器人双臂协调搬运满足的预设条件，将所述协作机器人的左臂设置为主臂，将所述协作机器人的右臂设置为从臂，所述预设条件为所述协作机器人双臂末端和所述待搬运物体在运动过程中保持相对静止。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述预设条件具体为：
其中，表示所述主臂的末端执行器相对于基坐标系的变换矩阵，表示所述从臂的末端执行器相对于所述基坐标系的变换矩阵，表示所述待搬运物体相对于所述主臂的末端执行器的变换矩阵，表示所述待搬运物体相对于所述从臂的末端执行器的变换矩阵，表示从臂基坐标系相对于主臂基坐标系中的变换矩阵。
4.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述获取所述从臂从所述第二初始位姿到所述第二目标位姿的第二路点，具体包括：
根据所述第一路点和所述预设条件，获取所述第二路点。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述主臂按照所述第一路点、所述从臂按照所述第二路点，将所述待搬运物体从所述第一初始位姿搬运到所述第一目标位姿，具体包括：
计算出第一路点的逆解，让所述主臂沿着所述第一路点运动；
计算出第二路点的逆解，让所述从臂沿着所述第二路点运动。
6.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；其中，
所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；
所述通信接口用于该测试设备与显示装置的通信设备之间的信息传输；
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1-5中任一项所述的方法。
7.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至5任一所述的方法。
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