CN110625610A - 确定机器人的末端执行器的运动轨迹的方法与装置、系统 - Google Patents

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CN110625610A CN201910552905.2A CN201910552905A CN110625610A CN 110625610 A CN110625610 A CN 110625610A CN 201910552905 A CN201910552905 A CN 201910552905A CN 110625610 A CN110625610 A CN 110625610A
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Abstract

本申请提供了确定机器人的末端执行器的运动轨迹的方法，包括：在检测到机器人的末端执行器发生碰撞时，获取末端执行器所遭受的碰撞力；以及基于所获取的碰撞力以及所记录的末端执行器的第一运动轨迹，确定末端执行器的第二运动轨迹。利用该方法，可以实现在碰撞瞬间对机器人及其工作环境的高效保护。

Description

确定机器人的末端执行器的运动轨迹的方法与装置、系统
技术领域
本申请通常涉及机器人领域，更具体地，涉及确定机器人的末端执行器的运动轨迹的方法及装置和系统。
背景技术
随着机器人技术的发展，越来越多的行业已经引入了工业机器人，比如六轴工业机器人。在工业机器人领域中，为了实现高工作效率，机器人的移动速度通常都比较快， 机器人与其工作环境(比如，其它机器人、操作人员、物体、所处理的工件)之间很容 易发生碰撞。一旦发生碰撞，比如机器人之间的碰撞或者机器人与处理对象(例如，所 处理的工件)之间的碰撞，可能会导致机器人损坏或处理对象的损坏。高效的机器人碰 撞处理方案将会最大程度地保护机器人及其工作环境，由此减少由于碰撞而导致的停机 或部件更换造成的成本损失。
到目前为止，所提供的机器人碰撞处理方案是基于电流或转矩的碰撞检测方案，并且在检测到发生碰撞后停止机器人所进行的工作。这些应对方案并没有根本性地解决由于碰撞而造成的潜在损失。
发明内容
鉴于上述，本申请提供了确定机器人的末端执行器的运动轨迹的方法及装置。利用该方法及装置，通过在检测到末端执行器发生碰撞后，基于末端执行器所遭受的碰撞 力和所记录的末端执行器在碰撞发生之前的运动轨迹来确定末端执行器在碰撞之后的 运动轨迹，并基于所确定的运动轨迹来控制末端执行器进行移动，可以实现对机器人的 高效保护。
根据本申请的一个方面，提供了确定机器人的末端执行器的运动轨迹的方法，包括：在检测到机器人的末端执行器发生碰撞时，获取所述末端执行器所遭受的碰撞力； 以及基于所获取的碰撞力以及所记录的所述末端执行器的第一运动轨迹，确定所述末端 执行器的第二运动轨迹，其中，所述第一运动轨迹是所述末端执行器发生碰撞前的运动 轨迹，以及所述第二运动轨迹是所述末端执行器发生碰撞后的运动轨迹。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述末端执行器被建模为阻抗控制模型，以及基于所获取的碰撞力以及所记录的所述末端执行器的第一运动轨迹，确定所述末端执行器的第二运动轨迹可以包括：基于所获取的碰撞力以及所记录的所述末端执行器的第一运动轨迹，利用所述阻抗控制模型来确定所述末端执行器的第二运动轨迹。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述运动轨迹中的每个轨迹点具有包括该轨迹点的位置向量、速度向量和加速度向量的运动轨迹信息，以及所述阻抗控制模型为其中，fcollision是所述末端执行器在受到碰撞时所遭受的碰撞力，X 是由所述碰撞力产生的所述末端执行器的位移向量，和分别是由所述碰撞力产生的 所述末端执行器的速度向量和加速度向量，M是所述末端执行器的转动惯量矩阵，B是 所述末端执行器的阻尼矩阵，以及K是所述末端执行器的刚度矩阵。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述方法还可以包括：配置在所述阻抗控制模型下所述末端执行器的转动惯量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述第一运动轨迹由离散轨迹点(P1，P2，.......， PM)组成，基于所获取的碰撞力以及所记录的所述末端执行器的第一运动轨迹，确定所 述末端执行器的第二运动轨迹可以包括：获取所记录的第一运动轨迹上的各个离散轨迹 点(P1，P2，.......，PM)的运动轨迹信息；基于所获取的碰撞力，利用所述阻抗控制模 型来确定由所述碰撞力产生的所述末端执行器的位移向量、速度向量和加速度向量；以 及基于所获取的第一运动轨迹上的各个离散轨迹点(P1，P2，.......，PM)的运动轨迹信息以及所确定的由所述碰撞力产生的所述末端执行器的位移向量、速度向量和加速度向量，确定所述第二运动轨迹的各个离散轨迹点(P1’，P2’，.......，PN’)的运动轨迹信息。
可选地，在上述方面的一个示例中，确定所述第二运动轨迹的各个离散轨迹点(P1’， P2’，.......，PN’)的运动轨迹信息可以包括：对所述第一运动轨迹的离散轨迹点(P1， P2，.......，PM)进行倒序排列，以得到所述第一运动轨迹的倒序离散轨迹点排列(PM，PM-1，.......，P1)；基于所述第一运动轨迹的倒序离散轨迹点排列中的各个离散轨迹点 的运动轨迹信息以及所确定的由所述碰撞力产生的所述末端执行器的位移向量、速度向 量和加速度向量，逐个确定所述第二运动轨迹的各个对应离散轨迹点的运动轨迹信息， 直到确定出所述第二运动轨迹的结束轨迹点(PN’)的运动轨迹信息，其中，所述第二 运动轨迹的结束轨迹点(PN’)与所述第二运动轨迹的起始轨迹点之间的轨迹距离最接 近由所述碰撞力产生的所述末端执行器的位移距离，其中，所述第二运动轨迹的各个离 散轨迹点的位置向量被确定为与所述第二运动轨迹的倒序离散轨迹点排列中对应的离 散轨迹点的位置向量相同，所述第二运动轨迹的各个离散轨迹点的速度向量和加速度向 量的方向被确定为与所述第二运动轨迹的倒序离散轨迹点排列中对应的离散轨迹点的 速度向量和加速度向量的方向相反，以及所述第二运动轨迹的结束轨迹点的速度向量和 加速度向量被设置为零，其中，所述第二运动轨迹的除了结束轨迹点之外的各个其它轨 迹点Pi’(i＝1，......，N-1)的速度值和加速度值是按照下述公式确定的：
其中，Vlimit为速度阈值，
其中，Alimit为加速度阈值。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述方法还可以包括：控制所述末端执行器来基于所确定出的第二运动轨迹进行移动。
可选地，在上述方面的一个示例中，在所述第二运动轨迹由离散轨迹点组成的情况下，控制所述末端执行器来基于所确定出的第二运动轨迹进行移动可以包括：控制所 述末端执行器按照所确定出的第二运动轨迹上的各个离散轨迹点的运动轨迹信息来进 行移动。
根据本申请的另一方面，提供了确定机器人的末端执行器的运动轨迹的装置，包括：力获取单元，用于在检测到机器人的末端执行器发生碰撞时，获取所述末端执行器 所遭受的碰撞力；以及运动轨迹确定单元，用于基于所获取的碰撞力以及所记录的所述 末端执行器的第一运动轨迹，确定所述末端执行器的第二运动轨迹，其中，所述第一运 动轨迹是所述末端执行器发生碰撞前的运动轨迹，以及所述第二运动轨迹是所述末端执 行器发生碰撞后的运动轨迹。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述末端执行器被建模为阻抗控制模型，以及所述运动轨迹确定单元用于：基于所获取的碰撞力以及所记录的所述末端执行器的第一运动轨迹，利用所述阻抗控制模型来确定所述末端执行器的第二运动轨迹。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述运动轨迹中的每个轨迹点具有包括该轨迹点的位置向量、速度向量和加速度向量的运动轨迹信息，以及所述阻抗控制模型为其中，fcollision是所述末端执行器在受到碰撞时所遭受的碰撞力，X 是由所述碰撞力产生的所述末端执行器的位移向量，和分别是由所述碰撞力产生的 所述末端执行器的速度向量和加速度向量，M是所述末端执行器的转动惯量矩阵，B是 所述末端执行器的阻尼矩阵，以及K是所述末端执行器的刚度矩阵。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述装置还可以包括配置单元，用于配置在所述阻抗控制模型下所述末端执行器的转动惯量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述第一运动轨迹由离散轨迹点(P1，P2，.......， PM)组成，所述运动轨迹确定单元可以包括：获取模块，用于获取所记录的第一运动轨 迹上的各个离散轨迹点(P1，P2，.......，PM)的运动轨迹信息；第一确定模块，用于基 于所获取的碰撞力，利用所述阻抗控制模型来确定由所述碰撞力产生的所述末端执行器 的位移向量、速度向量和加速度向量；以及第二确定模块，用于基于所获取的第一运动轨迹上的各个离散轨迹点(P1，P2，.......，PM)的运动轨迹信息以及所确定的由所述碰 撞力产生的所述末端执行器的位移向量、速度向量和加速度向量，确定所述第二运动轨 迹的各个离散轨迹点(P1’，P2’，.......，PN’)的运动轨迹信息。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述第二确定模块用于：对所述第一运动轨迹的离散轨迹点(P1，P2，.......，PM)进行倒序排列，以得到所述第一运动轨迹的倒序 离散轨迹点排列(PM，PM-1，.......，P1)；基于所述第一运动轨迹的倒序离散轨迹点排 列中的各个离散轨迹点的运动轨迹信息以及所确定的由所述碰撞力产生的所述末端执 行器的位移向量、速度向量和加速度向量，逐个确定所述第二运动轨迹的各个对应离散 轨迹点的运动轨迹信息，直到确定出所述第二运动轨迹的结束轨迹点(PN’)的运动轨 迹信息，其中，所述第二运动轨迹的结束轨迹点(PN’)与所述第二运动轨迹的起始轨 迹点之间的轨迹距离最接近由所述碰撞力产生的所述末端执行器的位移距离，其中，所 述第二运动轨迹的各个离散轨迹点的位置向量被确定为与所述第二运动轨迹的倒序离 散轨迹点排列中对应的离散轨迹点的位置向量相同，所述第二运动轨迹的各个离散轨迹 点的速度向量和加速度向量的方向被确定为与所述第二运动轨迹的倒序离散轨迹点排 列中对应的离散轨迹点的速度向量和加速度向量的方向相反，以及所述第二运动轨迹的 结束轨迹点的速度向量和加速度向量被设置为零，其中，所述第二运动轨迹的除了结束 轨迹点之外的各个其它轨迹点Pi’(i＝1，......，N-1)的速度值和加速度值是按照下述公式 确定的：
其中，Vlimit为速度阈值，
其中，Alimit为加速度阈值。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述装置还可以包括：控制单元，用于控制 所述末端执行器来基于所确定出的第二运动轨迹进行移动。
根据本申请的另一方面，提供了一种计算设备，包括：处理器；与所述处理器耦 合的存储器，用于存储指令，当所述指令被所述一个或多个处理器执行时，使得所述处 理器执行如上所述的用于确定机器人的末端执行器的运动轨迹的方法。
根据本申请的另一方面，提供了一种非暂时性机器可读存储介质，其存储有可执行指令，所述指令当被执行时使得所述机器执行如上所述的用于确定机器人的末端执行器的运动轨迹的方法。
根据本申请的另一方面，提供了一种用于确定机器人的末端执行器的运动轨迹的系统，包括：碰撞力检测装置，用于在检测到机器人的末端执行器发生碰撞时，检测所 述末端执行器所遭受的碰撞力，以及如上所述的用于确定机器人的末端执行器的运动轨 迹的装置。
利用本申请的方法、装置及系统，通过在机器人的末端执行器发生碰撞后，基于所检测的碰撞力和所记录的末端执行器发生碰撞前的运动轨迹来确定末端执行器发生 碰撞后的运动轨迹，可以大大提高对机器人及其工作环境的保护。
利用本申请的方法、装置及系统，通过在确定末端执行器的碰撞后的运动轨迹时引入阻抗控制机制，可以最大程度地避免在碰撞后发生机器人与工作环境之间的二次碰撞，从而避免对机器人本身及其工作环境的二次损害。
利用本申请的方法、装置及系统，通过对阻抗控制模型中的转动惯量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵进行配置，可以保证机器人在碰撞后的移动行为可控。
利用本申请的方法、装置及系统，通过将碰撞后的末端执行器的运动轨迹(即， 第二运动轨迹)的轨迹点的位置设置为与原先的运动轨迹(即，第一运动轨迹)的轨迹 点的位置相同，在机器人完成第二运动轨迹的移动(即，沿着第二运动轨迹的运动停止) 后，无需再次进行额外的轨迹规划，而直接基于原先无碰撞的轨迹快速地恢复运动。
附图说明
通过参照下面的附图，可以实现对于本公开内容的本质和优点的进一步理解。在附图中，类似组件或特征可以具有相同的附图标记。
图1示出了根据本申请的用于确定机器人的末端执行器的运动轨迹的系统的方框图；
图2示出了图1中的用于确定机器人的末端执行器的运动轨迹的装置的方框图；
图3示出了图2中的运动轨迹确定单元的一个具体实现的示例的方框图；
图4示出了根据本申请的末端执行器的运动轨迹的一个示例的示意图；
图5示出了根据本申请的用于确定机器人的末端执行器的运动轨迹的方法的流程图；
图6示出了图5中的基于所获取的碰撞力以及所记录的末端执行器的第一运动轨迹确定末端执行器的第二运动轨迹的过程的一个实现示例的流程图；和
图7示出了根据本申请的用于确定机器人的末端执行器的运动轨迹的计算设备的方框图。
附图标记
10 运动轨迹确定系统
100 碰撞力检测装置
200 运动轨迹确定装置
210 力获取单元
220 运动轨迹确定单元
230 记录单元
240 配置单元
250 控制单元
221 获取模块
223 第一确定模块
225 第二确定模块
S510 获取末端执行器上的碰撞力
S530 基于所述碰撞力以及所记录的末端执行器的第一运动轨迹，确定末端执行器 的第二运动轨迹
S550 控制末端执行器来基于第二运动轨迹进行移动
S531 获取第一运动轨迹上的各个离散轨迹点的运动轨迹信息
S533 确定由所述碰撞力产生的末端执行器的位移向量、速度向量和加速度向量
S535 确定第二运动轨迹上的离散轨迹点的运动轨迹信息
700 计算设备
710 一个或多个处理器
720 存储器
具体实施方式
现在将参考示例实施方式讨论本文描述的主题。应该理解，讨论这些实施方式只是为了使得本领域技术人员能够更好地理解从而实现本文描述的主题，并非是对权利要求书中所阐述的保护范围、适用性或者示例的限制。可以在不脱离本公开内容的保护范 围的情况下，对所讨论的元素的功能和排列进行改变。各个示例可以根据需要，省略、 替代或者添加各种过程或组件。例如，所描述的方法可以按照与所描述的顺序不同的顺 序来执行，以及各个步骤可以被添加、省略或者组合。另外，相对一些示例所描述的特 征在其它例子中也可以进行组合。
如本文中使用的，术语“包括”及其变型表示开放的术语，含义是“包括但不限于”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一实施例”表示 “至少一个实施例”。术语“另一个实施例”表示“至少一个其他实施例”。术语“第一”、 “第二”等可以指代不同的或相同的对象。下面可以包括其他的定义，无论是明确的还 是隐含的。除非上下文中明确地指明，否则一个术语的定义在整个说明书中是一致的。
如本文中使用的，术语“阻抗控制模型”表示机器人所受外力与机器人的位置、 速度和加速度之间的动态数学模型，这里，阻抗表征机器人在受到外力作用时所表现出 的阻力趋势。
在机器人发生碰撞时，通常是机器人的末端执行器与工作环境中的其他机器人、操作员、物体或处理工件发生碰撞。因此，在机器人发生碰撞时，针对机器人的末端执 行器的进一步运动轨迹的处理是关键问题。在本申请中，提供用于在机器人发生碰撞后 确定机器人的末端执行器接下来的运动轨迹的方案，从而通过控制机器人碰撞后的路径 将由于碰撞造成的运动路径的偏移最小化并使得机器人尽快恢复到正常的工作路径中。
图1示出了根据本申请的用于确定机器人的末端执行器的运动轨迹的系统(下文中简称为运动轨迹确定系统10)的方框图。
如图1所示，运动轨迹确定系统10包括碰撞力检测装置100，用于在检测到机器 人的末端执行器发生碰撞后，即，在检测到末端执行器与该机器人的工作环境中的其它 机器人、操作人员、物体或处理对象(比如，处理工件)发生碰撞后，检测末端执行器 所遭受的碰撞力。这里，所检测到的碰撞力是矢量，具有方向和大小。所述碰撞力检测 装置100可以是任何类型的力检测装置，比如力传感器等。
运动轨迹确定系统10还包括用于确定机器人的末端执行器的运动轨迹的装置200(下文中简称为“运动轨迹确定装置200”)，从而通过机器人控制器使得机器人按照所 确定的运动轨迹进行运动。该运动轨迹确定系统10可以是机器人控制器的一部分，或 者单独的系统。运动轨迹确定装置200与碰撞力检测装置100通过有线或无线的方式耦 合或者说连接、通讯，用于基于碰撞力检测装置100所检测到的末端执行器所遭受的碰 撞力以及所记录的末端执行器在发生碰撞前的运动轨迹来确定末端执行器发生碰撞后 的运动轨迹。
图2示出了根据本申请的运动轨迹确定装置200的一个示例的方框图。如图2所示，运动轨迹确定装置200包括力获取单元210，用于从碰撞力检测装置100获取所检 测到的末端执行器所遭受的碰撞力。力获取单元210可以通过主动获取或被动接收的方 式来与碰撞力检测装置100通信以获取末端执行器所遭受的碰撞力。力获取单元210与 碰撞力检测装置100之间的通信可以是有线通信，也可以是无线通信。
运动轨迹确定装置200还包括运动轨迹确定单元220，用于基于所获取的碰撞力以及所记录的末端执行器的第一运动轨迹，确定末端执行器的第二运动轨迹。这里，第一 运动轨迹是末端执行器发生碰撞前的运动轨迹，以及第二运动轨迹是末端执行器发生碰 撞后的运动轨迹，即，发生碰撞后所规划的末端执行器的运动轨迹，该第二运动轨迹是 所控制的希望碰撞后进行的运动轨迹，而不是无控制的自发运动轨迹。其中，第一和第 二运动轨迹中的每个轨迹点具有包括该轨迹点的位置向量、速度向量和加速度向量的运 动轨迹信息。
可选地，在一个示例中，运动轨迹确定装置200还可以包括记录单元230，用于记录末端执行器的第一运动轨迹。例如，记录单元230记录第一运动轨迹的运动轨迹信息。
此外，在本申请的一个示例中，在进行末端执行器的第二运动轨迹的运动轨迹确定过程中，末端执行器被建模为阻抗控制模型，相应地，阻抗控制模型为其中，fcollision是末端执行器在受到碰撞时所遭受的碰撞力，X是由 所检测到的碰撞力能够产生的末端执行器的位移向量，例如，X＝[x，y，z]T，x，y和z 分别表示位置点的X轴、Y轴和Z轴坐标，T表示转置，和分别是由碰撞力产生的 末端执行器的速度向量和加速度向量，M是末端执行器的转动惯量矩阵，B是末端执行 器的阻尼矩阵，以及K是末端执行器的刚度矩阵。这里，要说明的是，M、B和K是预 先配置的参数量，可以根据实际情况或者根据经验进行设定。在这种情况下，运动轨迹 确定装置200还可以包括配置单元240，用于配置末端执行器在阻抗控制模型下的转动 惯量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。
在末端执行器被建模为阻抗控制模型的情况下，运动轨迹确定单元220基于所获取的碰撞力以及所记录的末端执行器的第一运动轨迹，利用阻抗控制模型来确定末端执行器的第二运动轨迹。
此外，可选地，第一运动轨迹和第二运动轨迹可以是离散轨迹点集合，例如，如 图4中所示，第一运动轨迹是由离散运动轨迹点P1，P2，.......，PM构成的运动轨迹， 其中，P1是起始轨迹点，以及PM是结束轨迹点。第二运动轨迹是通过离散运动轨迹点 P1’，P2’，.......，PN’构成的运动轨迹，其中，P1’是起始轨迹点，以及PN’是结束轨迹点。 在这种情况下，如图3中所示，运动轨迹确定单元220可以包括获取模块221、第一确 定模块223和第二确定模块225。
获取模块221用于从记录单元230获取所记录的第一运动轨迹上的各个离散轨迹点的运动轨迹信息，即，位置向量、速度向量和加速度向量。接着，第一确定模块223 基于力获取单元210所获取的碰撞力，利用所述阻抗控制模型来确定由所述碰撞力产生 的末端执行器的位移向量、速度向量和加速度向量，即，基于阻抗控制模型计算出的与 所述碰撞力对应的末端执行器自碰撞位置起的位移向量、碰撞位置处的速度向量和加速 度向量。具体地，对运动学方程进行求解，以得到由碰撞力fcollision能 够产生的末端执行器的位移向量、速度向量和加速度向量。
然后，第二确定模块225基于所获取的第一运动轨迹上的各个离散轨迹点P1，P2，.......，PM的运动轨迹信息以及所确定的由所述碰撞力产生的末端执行器的位移向量、速度向量和加速度向量，确定所述第二运动轨迹的各个离散轨迹点P1’，P2’，.......，PN’的运动轨迹信息。
在本申请的一个示例中，在确定所述第二运动轨迹的各个离散轨迹点P1’，P2’，.......，PN’的运动轨迹信息时，首先，第二确定模块225对第一运动轨迹的离散轨 迹点P1，P2，.......，PM进行倒序排列，以得到所述第一运动轨迹的倒序离散轨迹点排 列PM，PM-1，.......，P1。然后，第二确定模块225基于第一运动轨迹的倒序离散轨迹点 排列PM，PM-1，.......，P1中的各个离散轨迹点的运动轨迹信息以及所确定的由所述碰 撞力产生的末端执行器的位移向量、速度向量和加速度向量，逐个确定第二运动轨迹的 各个对应离散轨迹点的运动轨迹信息，直到确定出第二运动轨迹的结束轨迹点PN’的运 动轨迹信息，其中，第二运动轨迹的结束轨迹点PN’与第二运动轨迹的起始轨迹点P1’ (即，第一运动轨迹的结束轨迹点PM)之间的轨迹距离最接近由所述碰撞力产生的末 端执行器的位移距离|X|。这里，倒序离散轨迹点排列PM，PM-1，.......，P1中的离散轨 迹点与第二运动轨迹中的离散轨迹点的对应关系为：PM与P1’对应，PM-1与P2’对应，...... 等。
在本申请中，第二运动轨迹的结束轨迹点是通过计算当前轨迹点与第二运动轨迹的起始轨迹点P1’(即，第一运动轨迹的结束轨迹点PM)之间的轨迹距离，然后进一步 计算所计算出的轨迹距离与由所述碰撞力产生的末端执行器的位移距离|X|之间的差值， 并且确定该差值是否小于预定阈值δ来确定的，该预定阈值δ可以是设定的一个极小值。
此外，在本申请中，第二运动轨迹中的当前轨迹点Pi’与第二运动轨迹的起始轨迹点P1’(即，第一运动轨迹的结束轨迹点PM)之间的轨迹距离是通过对轨迹点P1’，P2’，.......，Pi’中的所有两两相邻轨迹点之间的向量距离进行求和来得到的。针对第二运动轨迹，两两相邻轨迹点之间的向量距离是利用公式来计算出， 其中，是轨迹点Pi’的位置向量。
下面以一个示例来说明第二运动轨迹的结束轨迹点的确定过程。首先，从当前轨迹点为P1’时开始计算，此时轨迹距离为0，不满足上述差值小于预定阈值δ的确定条件。 接着，将当前轨迹点移动到轨迹点P2’，然后如上计算P1’和P2’之间的向量距离来作 为轨迹点P2’和P1’之间的轨迹距离，然后将所计算出的轨迹距离与由碰撞力产生的末端 执行器的位移距离|X|进行比较。如果差值小于预定阈值δ，则轨迹点P2’为第二运动轨 迹的结束轨迹点。否则，将当前轨迹点移动到轨迹点P3’，然后如上计算轨迹点P2’和P3’ 之间的向量距离接着，将向量距离和之和作为轨迹点P3’和P1’之间的轨迹 距离。如果差值小于预定阈值δ，则轨迹点P3’为第二运动轨迹的结束轨迹点。否则， 将当前轨迹点移动到轨迹点P4’，如上类似计算和比较确定，直到确定出第二运动轨迹 的结束轨迹点为止。
此外，在第二确定模块225逐个确定第二运动轨迹的各个对应离散轨迹点的运动轨迹信息时，第二确定模块225将第二运动轨迹的各个离散轨迹点的位置向量确定为与 第一运动轨迹的倒序离散轨迹点排列中对应的离散轨迹点的位置向量相同，并且将第二 运动轨迹的各个离散轨迹点的速度向量和加速度向量的方向确定为与第一运动轨迹的 倒序离散轨迹点排列中对应的离散轨迹点的速度向量和加速度向量的方向相反。这样， 在机器人完成第二运动轨迹的移动(即，沿着第二运动轨迹的运动停止)后，无需再次 进行额外的轨迹规划，而可以直接基于原先无碰撞的轨迹快速地恢复运动。此外，第二 确定模块225将第二运动轨迹的结束轨迹点的速度向量和加速度向量设置为零。
而且，第二运动轨迹中的除了结束轨迹点之外的各个其它轨迹点Pi’(i＝1，......，N-1) 的速度值和加速度值是按照下述公式确定的：
其中，Vlimit为速度阈值，
其中，Alimit为加速度阈值。
这里，Vlimit和Alimit是在机器人出厂时的出厂设置值。一旦设置，通常不会变化。
下面参照图4以一个示例来说明上述第二运动轨迹的运动轨迹信息的确定过程。如图4所示，在末端执行器发生碰撞之前，末端执行器的运动轨迹(即，第一运动轨迹) 是由离散轨迹点P1，P2，.......，PM组成的运动轨迹。在末端执行器移动时，会同时记 录末端执行器的各个轨迹点的运动轨迹信息(即，位置向量、速度向量和加速度向量)。
在检测到末端执行器在点PM处发生碰撞后，碰撞力检测装置100检测此时末端执行器所遭受的碰撞力fcollision。然后，运动轨迹确定装置200中的第一确定模块223对运 动学方程进行求解，以获得由所检测到的碰撞力fcollision产生的末端执 行器的位移向量X、速度向量和加速度向量
然后，运动轨迹确定装置200中的第二确定模块225基于各个离散轨迹点P1，P2，.......，PM的运动轨迹信息以及所求解出的位移向量X、速度向量和加速度向量逐个确定第二运动轨迹中的各个轨迹点的运动轨迹信息。
具体地，首先，第二确定模块225将第二运动轨迹中的起始轨迹点P1’的位置向量确定为与第一运动轨迹的结束轨迹点PM的位置向量相同，并且将起始轨迹点P1’的速度 向量和加速度向量的方向确定为与第一运动轨迹的结束轨迹点PM的速度向量和加速度 向量的方向相反。此外，起始轨迹点P1’的速度值和加速度值是按照下述公式确定的：
其中，Vlimit为速度阈值，
其中，Alimit为加速度阈值。
在如上得到第二运动轨迹的起始轨迹点P1’后，接着确定第二运动轨迹的第二轨迹 点。此时，第二确定模块225将第二运动轨迹中的第二轨迹点P2’的位置向量确定为与第一运动轨迹的轨迹点PM-1的位置向量相同，并且将第二轨迹点P2’的速度向量和加速 度向量的方向确定为与第一运动轨迹的轨迹点PM-1的速度向量和加速度向量的方向相 反。此外，第二轨迹点P2’的速度值和加速度值是按照下述公式确定的：
其中，Vlimit为速度阈值，
其中，Alimit为加速度阈值。
接着，按照与第二轨迹点P2’类似的方式，依次得到第二运动轨迹中的后续轨迹点Pi’，直到第二运动轨迹的结束轨迹点PN’。针对第二运动轨迹的轨迹点Pi’，第二确定模 块225将轨迹点Pi’的位置向量被确定为与第一运动轨迹的轨迹点PM-i+1的位置向量相 同，将轨迹点Pi’的速度向量和加速度向量的方向确定为与第一运动轨迹的轨迹点PM-i+1的速度向量和加速度向量的方向相反，以及轨迹点Pi’(i＝1，......，N-1)的速度值和加速 度值按照下述公式确定的：
其中，Vlimit为速度阈值，
其中，Alimit为加速度阈值。
此外，运动轨迹确定装置200还可以包括控制单元250，用于在如上获得末端执行器的第二运动轨迹后，控制末端执行器来基于所确定出的第二运动轨迹进行移动。此外，可选地，在所述第二运动轨迹由离散轨迹点组成的情况下，控制单元250可以用于：在 确定出第二运动轨迹的离散轨迹点的运动轨迹信息后，控制末端执行器按照所确定出的 第二运动轨迹的离散轨迹点的运动轨迹信息来进行移动。
上面参照图1到图4对根据本申请的用于确定机器人的末端执行器的运动轨迹的装置和系统进行描述，下面结合图5到图6描述根据本申请的用于确定机器人的末端执 行器的运动轨迹的方法。
图5示出了根据本申请的用于确定机器人的末端执行器的运动轨迹的方法的流程图。如图5所示，首先，在块510，在检测到机器人的末端执行器发生碰撞并且经由碰 撞力检测装置100检测到末端执行器所遭受的碰撞力后，运动轨迹确定装置200中的力 获取单元210从碰撞力检测装置100获取所检测到的末端执行器所遭受的碰撞力。块510 中的操作类似于参照图2描述的力获取单元210的操作。
然后，在块530，运动轨迹确定装置200中的运动轨迹确定单元220基于所检测到的末端执行器的碰撞力和所记录的末端执行器的第一运动轨迹，确定末端执行器的第二运动轨迹。块530中的操作类似于参照图2描述的运动轨迹确定单元220的操作。
图6示出了图5中的用于确定末端执行器的第二运动轨迹的过程的一个实现示例的流程图。
如图6中所示，在块531，获取所记录的第一运动轨迹上的各个离散轨迹点的运动轨迹信息。块531的操作类似于参照图3中描述的获取模块221的操作。
在块533，基于所获取的碰撞力，利用阻抗控制模型来确定由所述碰撞力产生的所述末端执行器的运动轨迹信息，即，位移向量、速度向量和加速度向量。块533的操作 类似于参照图3中描述的第一确定模块223的操作。
在块535，基于所获取的第一运动轨迹上的各个离散轨迹点P1，P2，.......，PM的运动轨迹信息以及所确定的与所述碰撞力对应的所述末端执行器的运动轨迹信息，确定所述第二运动轨迹的各个离散轨迹点P1’，P2’，.......，PN’的运动轨迹信息。块535的 操作类似于参照图3描述的第二确定模块225的操作。
此外，可选地，在如上确定出末端执行器的第二运动轨迹后，在块S550，控制所 述末端执行器来基于所确定出的第二运动轨迹进行移动。此外，在另一示例中，在所述 第二运动轨迹由离散轨迹点组成的情况下，控制所述末端执行器来基于所确定出的第二 运动轨迹进行移动可以包括：在确定出第二运动轨迹的离散轨迹点的运动轨迹信息后， 控制所述末端执行器按照所确定出的第二运动轨迹的离散轨迹点的运动轨迹信息来进 行移动。
如上参照图1到图6，对根据本申请的用于确定机器人的末端执行器的运动轨迹的方法、装置和系统的实施例进行了描述。上面的运动轨迹确定装置可以采用硬件实现， 也可以采用软件或者硬件和软件的组合来实现。
在本申请中，运动轨迹确定装置200可以利用计算设备实现。图7示出了根据本 申请的实施例的用于确定机器人的末端执行器的运动轨迹的计算设备700的方框图。根 据一个实施例，计算设备700可以包括一个或多个处理器710，处理器710执行在计算 机可读存储介质(即，存储器720)中存储或编码的一个或多个计算机可读指令(即， 上述以软件形式实现的元素)。
在一个实施例中，在存储器720中存储计算机可执行指令，其当执行时使得一个或多个处理器710：在检测到机器人的末端执行器发生碰撞时，获取所述末端执行器所 遭受的碰撞力；以及基于所获取的碰撞力以及所记录的所述末端执行器的第一运动轨 迹，确定所述末端执行器的第二运动轨迹，其中，所述第一运动轨迹是所述末端执行器 发生碰撞前的运动轨迹，以及所述第二运动轨迹是所述末端执行器发生碰撞后的运动轨 迹。
应该理解，在存储器720中存储的计算机可执行指令当执行时使得一个或多个处理器710进行本申请的各个实施例中以上结合图1-6描述的各种操作和功能。
根据一个实施例，提供了一种比如非暂时性机器可读存储介质的程序产品。该非暂时性机器可读存储介质可以具有指令(即，上述以软件形式实现的元素)，该指令当 被机器执行时，使得机器执行本申请的各个实施例中以上结合图1-6描述的各种操作和 功能。具体地，可以提供配置有可读存储介质的系统或者装置，在该可读存储介质上存 储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算 机或处理器读出并执行存储在该可读存储介质中的指令。
在这种情况下，从可读存储介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此机器可读代码和存储机器可读代码的可读存储介质构成了本发明的一部分。
可读存储介质的实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘(如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD-RW)、磁带、非易失性存储卡和ROM。可 选择地，可以经由通信网络从服务器计算机上或云端下载程序代码。
需要说明的是，上述各流程和各系统结构图中不是所有的步骤和单元都是必须的， 可以根据实际的需要忽略某些步骤或单元。各步骤的执行顺序不是固定的，可以根据需 要进行调整。上述各实施例中描述的装置结构可以是物理结构，也可以是逻辑结构，即，有些单元可能由同一物理实体实现，或者，有些单元可能分别由多个物理实体实现，或 者，可以由多个独立设备中的某些部件共同实现。
以上各实施例中，硬件单元或模块可以通过机械方式或电气方式实现。例如，一个硬件单元、模块或处理器可以包括永久性专用的电路或逻辑(如专门的处理器，FPGA 或ASIC)来完成相应操作。硬件单元或处理器还可以包括可编程逻辑或电路(如通用 处理器或其它可编程处理器)，可以由软件进行临时的设置以完成相应操作。具体的实 现方式(机械方式、或专用的永久性电路、或者临时设置的电路)可以基于成本和时间 上的考虑来确定。
上面结合附图阐述的具体实施方式描述了示例性实施例，但并不表示可以实现的或者落入权利要求书的保护范围的所有实施例。在整个本说明书中使用的术语“示例性”意味着“用作示例、实例或例示”，并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。 出于提供对所描述技术的理解的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有 这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中，为了避免对所描述的实施例的概 念造成难以理解，公知的结构和装置以框图形式示出。
本公开内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用 本公开内容。对于本领域普通技术人员来说，对本公开内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本公开内容的保护范围的情况下，将本文所定义的一般性原 理应用于其它变型。因此，本公开内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合 本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

Claims (19)

1.确定机器人的末端执行器的运动轨迹的方法(S500)，包括：
在检测到机器人的末端执行器发生碰撞时，获取(S510)所述末端执行器所遭受的碰撞力；以及
基于所获取的碰撞力以及所记录的所述末端执行器的第一运动轨迹，确定(S530)所述末端执行器的第二运动轨迹，
其中，所述第一运动轨迹是所述末端执行器发生碰撞前的运动轨迹，以及所述第二运动轨迹是所述末端执行器发生碰撞后的运动轨迹。
2.如权利要求1所述的方法(S500)，其中，所述末端执行器被建模为阻抗控制模型，以及基于所获取的碰撞力以及所记录的所述末端执行器的第一运动轨迹，确定(S530)所述末端执行器的第二运动轨迹包括：
基于所获取的碰撞力以及所记录的所述末端执行器的第一运动轨迹，利用所述阻抗控制模型来确定所述末端执行器的第二运动轨迹。
3.根据权利要求2所述的方法(S500)，其中，所述运动轨迹中的每个轨迹点具有包括该轨迹点的位置向量、速度向量和加速度向量的运动轨迹信息，以及所述阻抗控制模型为其中，fcollision是所述末端执行器在受到碰撞时所遭受的碰撞力，X是由所述碰撞力产生的所述末端执行器的位移向量，和分别是由所述碰撞力产生的所述末端执行器的速度向量和加速度向量，M是所述末端执行器的转动惯量矩阵，B是所述末端执行器的阻尼矩阵，以及K是所述末端执行器的刚度矩阵。
4.如权利要求3所述的方法(S500)，还包括：
配置在所述阻抗控制模型下所述末端执行器的转动惯量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。
5.如权利要求3所述的方法(S500)，其中，所述第一运动轨迹由离散轨迹点(P1，P2，.......，PM)组成，基于所获取的碰撞力以及所记录的所述末端执行器的第一运动轨迹，确定(S530)所述末端执行器的第二运动轨迹包括：
获取(S531)所记录的第一运动轨迹上的各个离散轨迹点(P1，P2，.......，PM)的运动轨迹信息；
基于所获取的碰撞力，利用所述阻抗控制模型来确定(S533)由所述碰撞力产生的所述末端执行器的位移向量、速度向量和加速度向量；以及
基于所获取的第一运动轨迹上的各个离散轨迹点(P1，P2，.......，PM)的运动轨迹信息以及所确定的由所述碰撞力产生的所述末端执行器的位移向量、速度向量和加速度向量，确定(S535)所述第二运动轨迹的各个离散轨迹点(P1’，P2’，.......，PN’)的运动轨迹信息。
6.如权利要求5所述的方法(S500)，其中，确定(S535)所述第二运动轨迹的各个离散轨迹点(P1’，P2’，.......，PN’)的运动轨迹信息包括：
对所述第一运动轨迹的离散轨迹点(P1，P2，.......，PM)进行倒序排列，以得到所述第一运动轨迹的倒序离散轨迹点排列(PM，PM-1，.......，P1)；
基于所述第一运动轨迹的倒序离散轨迹点排列中的各个离散轨迹点的运动轨迹信息以及所确定的由所述碰撞力产生的所述末端执行器的位移向量、速度向量和加速度向量，逐个确定所述第二运动轨迹的各个对应离散轨迹点的运动轨迹信息，直到确定出所述第二运动轨迹的结束轨迹点(PN’)，其中，所述第二运动轨迹的结束轨迹点(PN’)与所述第二运动轨迹的起始轨迹点之间的轨迹距离最接近由所述碰撞力产生的所述末端执行器的位移距离，
其中，所述第二运动轨迹的各个离散轨迹点的位置向量被确定为与所述第一运动轨迹的倒序离散轨迹点排列中对应的离散轨迹点的位置向量相同，所述第二运动轨迹的各个离散轨迹点的速度向量和加速度向量的方向被确定为与所述第一运动轨迹的倒序离散轨迹点排列中对应的离散轨迹点的速度向量和加速度向量的方向相反，以及所述第二运动轨迹的结束轨迹点的速度向量和加速度向量被设置为零，
其中，所述第二运动轨迹的除了结束轨迹点之外的各个其它轨迹点Pi’(i＝1，......，N-1)的速度值和加速度值是按照下述公式确定的：
其中，Vlimit为速度阈值，
其中，Alimit为加速度阈值。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法(S500)，还包括：
控制(S550)所述末端执行器来基于所确定出的第二运动轨迹进行移动。
8.如权利要求7所述的方法(S500)，在所述第二运动轨迹由离散轨迹点组成的情况下，控制(S550)所述末端执行器来基于所确定出的第二运动轨迹进行移动包括：
控制所述末端执行器按照所确定出的所述第二运动轨迹上的离散轨迹点的运动轨迹信息来进行移动。
9.确定机器人的末端执行器的运动轨迹的装置(200)，包括：
力获取单元(210)，用于在检测到机器人的末端执行器发生碰撞时，获取所述末端执行器所遭受的碰撞力；以及
运动轨迹确定单元(220)，用于基于所获取的碰撞力以及所记录的所述末端执行器的第一运动轨迹，确定所述末端执行器的第二运动轨迹，
其中，所述第一运动轨迹是所述末端执行器发生碰撞前的运动轨迹，以及所述第二运动轨迹是所述末端执行器发生碰撞后的运动轨迹。
10.如权利要求9所述的装置(200)，还包括：
记录单元(230)，用于记录所述末端执行器的第一运动轨迹。
11.如权利要求9或10所述的装置(200)，其中，所述末端执行器被建模为阻抗控制模型，以及所述运动轨迹确定单元(220)用于：
基于所获取的碰撞力以及所记录的所述末端执行器的第一运动轨迹，利用所述阻抗控制模型来确定所述末端执行器的第二运动轨迹。
12.根据权利要求11所述的装置(200)，其中，所述运动轨迹中的每个轨迹点具有包括该轨迹点的位置向量、速度向量和加速度向量的运动轨迹信息，以及所述阻抗控制模型为其中，fcollision是所述末端执行器在受到碰撞时所遭受的碰撞力，X是由所述碰撞力产生的所述末端执行器的位移向量，和分别是由所述碰撞力产生的所述末端执行器的速度向量和加速度向量，M是所述末端执行器的转动惯量矩阵，B是所述末端执行器的阻尼矩阵，以及K是所述末端执行器的刚度矩阵。
13.如权利要求12所述的装置(200)，还包括：
配置单元(240)，用于配置在所述阻抗控制模型下所述末端执行器的转动惯量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。
14.如权利要求12所述的装置(200)，其中，所述第一运动轨迹由离散轨迹点(P1，P2，.......，PM)组成，所述运动轨迹确定单元(220)包括：
获取模块(221)，用于获取所记录的第一运动轨迹上的各个离散轨迹点(P1，P2，.......，PM)的运动轨迹信息；
第一确定模块(223)，用于基于所获取的碰撞力，利用所述阻抗控制模型来确定由所述碰撞力产生的所述末端执行器的位移向量、速度向量和加速度向量；以及
第二确定模块(225)，用于基于所获取的第一运动轨迹上的各个离散轨迹点(P1，P2，.......，PM)的运动轨迹信息以及所确定的由所述碰撞力产生的所述末端执行器的位移向量、速度向量和加速度向量，确定所述第二运动轨迹的各个离散轨迹点(P1’，P2’，.......，PN’)的运动轨迹信息。
15.如权利要求14所述的装置(200)，其中，所述第二确定模块(225)用于：
对所述第一运动轨迹的离散轨迹点(P1，P2，.......，PM)进行倒序排列，以得到所述第一运动轨迹的倒序离散轨迹点排列(PM，PM-1，.......，P1)；
基于所述第一运动轨迹的倒序离散轨迹点排列中的各个离散轨迹点的运动轨迹信息以及所确定的由所述碰撞力产生的所述末端执行器的位移向量、速度向量和加速度向量，逐个确定所述第二运动轨迹的各个对应离散轨迹点的运动轨迹信息，直到确定出所述第二运动轨迹的结束轨迹点(PN’)，其中，所述第二运动轨迹的结束轨迹点(PN’)与所述第二运动轨迹的起始轨迹点之间的轨迹距离最接近由所述碰撞力产生的所述末端执行器的位移距离，
其中，所述第二运动轨迹的各个离散轨迹点的位置向量被确定为与所述第一运动轨迹的倒序离散轨迹点排列中对应的离散轨迹点的位置向量相同，所述第二运动轨迹的各个离散轨迹点的速度向量和加速度向量的方向被确定为与所述第一运动轨迹的倒序离散轨迹点排列中对应的离散轨迹点的速度向量和加速度向量的方向相反，以及所述第二运动轨迹的结束轨迹点的速度向量和加速度向量被设置为零，
其中，所述第二运动轨迹中的除了结束轨迹点之外的各个其它轨迹点Pi’(i＝1，......，N-1)的速度值和加速度值是按照下述公式确定的：
其中，Vlimit为速度阈值，
其中，Alimit为加速度阈值。
16.如权利要求9-15中任一项所述的装置(200)，还包括：
控制单元(250)，用于控制所述末端执行器来基于所确定出的第二运动轨迹进行移动。
17.计算设备(700)，包括：
一个或多个处理器(710)；以及
与所述一个或多个处理器(710)耦合的存储器(720)，用于存储指令，当所述指令被所述一个或多个处理器(710)执行时，使得所述处理器执行如权利要求1到8中任一所述的方法。
18.非暂时性机器可读存储介质，其存储有可执行指令，所述指令当被执行时使得所述机器执行如权利要求1到8中任一所述的方法。
19.一种用于确定机器人的末端执行器的运动轨迹的系统(10)，包括：
碰撞力检测装置(100)，用于在检测到机器人的末端执行器发生碰撞时，检测所述末端执行器所遭受的碰撞力，以及
如权利要求9到16中任一所述的用于确定机器人的末端执行器的运动轨迹的装置(200)。
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