CN111993426A - 机械臂Constrain Space的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械臂运动控制技术领域，具体涉及一种机械臂Constrain Space的控制方法，S1、确定机械臂的工作平面；S2、在工作平面内，根据障碍物的位置分布信息确定机械臂转动的安全区域；S3、在安全区域内设置机械臂的运动路径；S4、建立手臂的空间模型与机械臂的空间模型，并获取手臂与机械臂的映射关系；S5、获取手臂关节的三维坐标，根据手臂与机械臂之间的映射关系计算对应的机械臂关节的三维坐标；S6、由机械臂关节的三维坐标计算机械臂的关节值；S7、根据关节值控制机械臂沿着运动路径行进。本发明解决了现有技术中受限于算法缺乏灵活性等固有缺陷在两个自由度的情况下控制精度、灵活性低的技术问题。

Description

机械臂Constrain Space的控制方法

技术领域

本发明涉及机械臂运动控制技术领域，具体涉及一种机械臂Constrain Space的控制方法。

背景技术

目前，机器人在工业生产中的应用越来越广泛，并逐渐渗入到人们的日常生活中，比如扫地机器人。随着人们对性能要求的不断提高，机器人逐渐从基础自动化走向智能化，这极大地提高了算法、硬件、软件上的升级压力；同时，在机械臂在实际使用中，仍然需要使用者规划机械臂的运动姿态、运动路径。

比如说，文件CN106003027A公开了一种机械臂运动路径的设置方法，包括：根据障碍物的位置分布信息确定机械臂转动的圆环形安全区域；确定机械臂端部的起始位置和终点位置，根据起始位置和终点位置分别确定机械臂端部在圆环形安全区域内的转动起点和转动终点；计算机械臂端部从起始位置运动到转动起点的第一运动路径以及机械臂端部从转动终点运动到终点位置的第二运动路径；根据第一运动路径、第二运动路径和转动路径设置机械臂运动路径；其中，转动路径为机械臂端部从转动起点弧形转动到转动终点之间的路径。

即使对于简单的工序，在使用机械臂的过程中也需要大量的计算，上述方案提高了路径设置的效率，而且路径的中间点固定为两个，也便于算法实现。通过这样的方式确定的路径，基本都位于一个平面上，也即只有两个自由度，也即Constrain Space，其中一个自由度被固定。现有技术中对机械臂运动控制主要是采用人工智能方面的算法进行，受限于算法缺乏灵活性等固有缺陷，即使在两个自由度的情况下控制精度也不高，难以满足实际需要。

发明内容

本发明提供一种机械臂Constrain Space的控制方法，解决了现有技术中受限于算法缺乏灵活性等固有缺陷在两个自由度的情况下控制精度、灵活性低的技术问题。

本发明提供的基础方案为：机械臂Constrain Space的控制方法，包括步骤：

S1、确定机械臂的工作平面；

S2、在工作平面内，根据障碍物的位置分布信息确定机械臂转动的安全区域；

S3、在安全区域内设置机械臂的运动路径；

S4、建立手臂的空间模型与机械臂的空间模型，并获取手臂与机械臂的映射关系；

S5、获取手臂关节的三维坐标，根据手臂与机械臂之间的映射关系计算对应的机械臂关节的三维坐标；

S6、由机械臂关节的三维坐标计算机械臂的关节值；

S7、根据关节值控制机械臂沿着运动路径行进。

本发明的工作原理及优点在于：建立手臂的空间模型与机械臂的空间模型后，可以得到手臂与机械臂的映射关系；通过这种映射关系，在手臂关节的三维坐标基础上就可以计算出对应的机械臂关节的三维坐标，接着即可获取机械臂的关节值。通过关节值对机械臂的运动进行控制，提高了机械臂控制的灵活性；考虑到手臂与机械臂的映射关系，使得机械臂的控制具有良好的生物仿真性，提高了运动平面的控制精度。另外，运动路径在安全区域内设置，可避免机械臂在运动过程中不会发生碰撞，既提高了路径设置的灵活性，同时也便于算法实现。

本发明既提高了机械臂控制的灵活性，又提高了运动平面的控制精度，解决了现有技术中受限于算法缺乏灵活性等固有缺陷在两个自由度的情况下控制精度、灵活性低的技术问题。

进一步，S5中获取手臂关节的三维坐标具体包括：通过视觉传感器采集视觉范围内的彩色图像和深度图像；进行三维人体姿态识别并提取出人体骨架模型；根据人体骨架模型获取手臂关节的三维坐标。

有益效果在于：通过这样的方式，得到的手臂关节的三维坐标准确可靠并反映了生物仿真特性，也使得后续机械臂关节的三维坐标计算更加准确，从而有利于提高控制的精度和灵活性。

进一步，S6中采用空间向量法计算机械臂的关节值：将机械臂关节的三维坐标转换为空间向量；利用空间向量法计算机械臂的关节值。

有益效果在于：空间向量是空间中具有大小和方向的量，同时包含位置关系度量大小，通过这样的方式能够减少计算量，提高运算效率。

进一步，S7中根据关节值控制机械臂具体步骤为：采用上位机获取机械臂的关节值；通过ROS控制系统将机械臂的关节值发送给Arbotix-M控制板，由Arbotix-M控制板根据机械臂的关节值产生控制信号，并将控制信号发送到机械臂的舵机；通过舵机接收控制信号并驱动电机。

有益效果在于：由于上位机、ROS控制系统和Arbotix-M控制板在机器人领域应用广泛、可靠性高、技术成熟，采用这样的方式可以很好地实现控制效果。

进一步，S5中将手臂关节的三维坐标与机械臂关节的三维坐标转换到同一坐标系。

有益效果在于：通过这样的方式，将坐标转换到同一坐标系就不用再进行坐标变换的计算，从而有利于减少计算量，避免不必要的运算。

进一步，S3中在安全区域内设置机械臂的运动路径具体包括：

根据机械臂端部的起始位置和终点位置确定在安全区域内的转动起点和转动终点；

确定机械臂端部从起始位置运动到转动起点的第一运动路径；

确定机械臂端部从转动终点运动到终点位置的第二运动路径；

确定机械臂端部从转动起点弧形转动到转动终点之间的转动路径；

根据第一运动路径、第二运动路径和转动路径设置机械臂的运动路径。

有益效果在于：通过这样的方式，可以精确控制机械臂的运动轨迹，而且实现起来比较简单。

进一步，S2中确定的安全区域为圆环形。

有益效果在于：由于机械臂在水平面旋转一周的轨迹为圆形，将安全区域设置为圆环形，既符合机械臂的运动规律，又便于实现。

进一步，S2中根据障碍物的位置分布信息确定安全区域具体包括：

将机械臂基座在工作平面的投影的几何中心确定为圆环的圆心；

将圆心位于圆环的圆心，且与机械臂基座在工作平面的投影外切的外切圆的半径作为圆环内径；

将圆心位于圆环的圆心，且与障碍物在工作平面的投影内切的内切圆的半径作为圆环外径。

有益效果在于：通过这样的方式，采用了两个相切的条件，能够保证所得到的安全区域最大。

进一步，转动起点位于起始位置与圆环圆心的连线上，转动终点位于终点位置与圆环圆心的连线上。

有益效果在于：通过这样的方式，有圆环圆心作为参照点，便于实施。

进一步，转动起点和转动终点分别位于内环半径与外环半径的中点。

有益效果在于：这样设计简单快捷、容易实施。

附图说明

图1为本发明机械臂Constrain Space的控制方法实施例的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例1

本发明机械臂Constrain Space的控制方法实施例基本如附图1所示，包括步骤：

S1、确定机械臂的工作平面；

S2、在工作平面内，根据障碍物的位置分布信息确定机械臂转动的安全区域；

S3、在安全区域内设置机械臂的运动路径；

S4、建立手臂的空间模型与机械臂的空间模型，并获取手臂与机械臂的映射关系；

S5、获取手臂关节的三维坐标，根据手臂与机械臂之间的映射关系计算对应的机械臂关节的三维坐标；

S6、由机械臂关节的三维坐标计算机械臂的关节值；

S7、根据关节值控制机械臂沿着运动路径行进。

具体实施过程如下：

包括步骤：

S1、确定机械臂的工作平面。

在本实施例中，Constrain Space是一种运动学算法，是从运动自由度角度考虑控制的算法，也即机械臂在一个任意平面上运动，对其他自由度无需求。故而，需要确定机械臂的工作平面，也即机械臂的运动平面，这可根据实际的工作情况进行确定。

S2、在工作平面内，根据障碍物的位置分布信息确定机械臂转动的安全区域。

实际的工作环境中，在机械臂的工作平面也即运动平面内，可能会存在其他的设备或者机构，这些设备或者机构会成为阻挡机械臂平面运动的障碍物，故而需要根据障碍物的位置分布信息绕开障碍物。本实施例中，为了避开障碍物，确定机械臂转动的最大的安全区域。具体而言，考虑到机械臂在水平面旋转一周的轨迹为圆形，为了符合机械臂的运动规律，将安全区域设置为圆环形：第一步，将机械臂基座在工作平面进行投影，将投影的几何中心确定为圆环的圆心；第二步，将圆心位于圆环的圆心，且与机械臂基座在工作平面的投影外切的外切圆的半径作为圆环内径，这样可以确保圆环的内径尽可能最小；第三步，将圆心位于圆环的圆心，且与障碍物在工作平面的投影内切的内切圆的半径作为圆环外径，这样可以确保圆环的外径尽可能最大。通过这样的方式，采用两个相切的条件，能够保证所得到的安全区域面积最大。

S3、在安全区域内设置机械臂的运动路径。

为了可以精确控制机械臂的运动轨迹，本实施例中采用如下方式在安全区域内设置机械臂的运动路径：第一步，根据机械臂端部的起始位置和终点位置确定在安全区域内的转动起点和转动终点。为便于参照、实施，转动起点位于起始位置与圆环圆心的连线上，转动终点位于终点位置与圆环圆心的连线上，这样圆环圆心就可作为参照点。第二步，确定机械臂端部从起始位置运动到转动起点的第一运动路径，也即在工作平面从起始位置移动到转动起点的路径。第三步，确定机械臂端部从转动终点运动到终点位置的第二运动路径，也即在工作平面从转动终点移动至终点位置的路径。第四步，确定机械臂端部从转动起点弧形转动到转动终点之间的转动路径，也即从转动起点弧形转动到转动终点之间的路径。第五步，根据第一运动路径、第二运动路径和转动路径设置机械臂的运动路径，也即将第一运动路径、第二运动路径和转动路径连接起来即为机械臂的运动路径。

S4、建立手臂的空间模型与机械臂的空间模型，并获取手臂与机械臂的映射关系。

首先，选取肩关节的水平自由度和垂直自由度、大臂的旋转自由度、肘关节的旋转自由度、小臂关节的垂直自由度、手腕关节的旋转自由度以及手的自由度建立手臂的空间模型。然后，根据关节坐标系建立规则和右手定则建立机械臂的每个关节的坐标系，并在建立的关节坐标系的中描述机械臂的参数，根据这些参数建立D-H参数矩阵，从而构建出机械臂的空间模型。最后，根据机械臂的关节自由度，选取大臂的旋转自由度、肩部的水平自由度、肩部的垂直自由度和肘部的垂直自由度与机械臂自由度建立映射关系，实现操作者的手臂动作和机械臂之间实时、连续的对应映射。

S5、获取手臂关节的三维坐标，根据手臂与机械臂之间的映射关系计算对应的机械臂关节的三维坐标。

本实施例中，首先通过视觉传感器采集视觉范围内的彩色图像和深度图像；然后，进行三维人体姿态识别并提取出人体骨架模型；最后，根据人体骨架模型获取手臂关节的三维坐标。这样得到的手臂关节的三维坐标准确可靠并反映了生物仿真特性，也使得后续机械臂关节的三维坐标计算更加准确，从而有利于提高控制的精度和灵活性。得到手臂关节的三维坐标后，即可根据手臂与机械臂的映射关系计算出对应的机械臂关节的三维坐标。

S6、由机械臂关节的三维坐标计算机械臂的关节值。

本实施例中，采用空间向量法计算机械臂的关节值，也即，先将机械臂关节的三维坐标转换为空间向量，然后利用空间向量法计算机械臂的关节值。由于空间向量是空间中具有大小和方向的量，同时包含了位置关系度量大小，通过这样的方式能够减少计算量，提高运算效率。

S7、根据关节值控制机械臂沿着运动路径行进。

本实施例中，采用上位机获取机械臂的关节值，然后通过ROS控制系统将机械臂的关节值发送给Arbotix-M控制板，由Arbotix-M控制板根据机械臂的关节值产生控制信，并将控制信号发送到机械臂的舵机，最后通过舵机接收控制信号并驱动电机。

实施例2

与实施例1不同之处仅在于，得到手臂关节的三维坐标后，根据手臂与机械臂的映射关系计算对应的机械臂关节的三维坐标时，为了减少后续的计算量，计算时将手臂关节的三维坐标与机械臂关节的三维坐标转换到同一坐标系，从而避免不必要的坐标变换。

实施例3

与实施例2不同之处仅在于，在运动造成相机的聚焦突然模糊，或者动态目标由近到远而导致在画面中所占区域变小时，进行前置判断，确定相机的聚焦突然模糊或者动态目标在画面中所占区域变小是由于镜头的运动造成的还是由于所拍摄的物体的运动造成的。具体而言，预先设置参考物，判断是相机还是所拍摄的物体与参照物之间存在相对运动：若相机与参照物之间存在相对运动，说明相机的聚焦突然模糊或者动态目标在画面中所占区域变小是由于镜头的运动造成的，这时就调整相机的静止姿态，使其保持不动；反之，若所拍摄的物体与参照物之间存在相对运动，说明相机的聚焦突然模糊或者动态目标在画面中所占区域变小是由于所拍摄的物体的运动造成的，这时就调整相机的运动姿态，使其随着所拍摄物体一起运动，并同时保持着与所拍摄物体的相对位置不变。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.机械臂Constrain Space的控制方法，其特征在于，包括步骤：

S1、确定机械臂的工作平面；

S2、在工作平面内，根据障碍物的位置分布信息确定机械臂转动的安全区域；

S3、在安全区域内设置机械臂的运动路径；

S4、建立手臂的空间模型与机械臂的空间模型，并获取手臂与机械臂的映射关系；

S5、获取手臂关节的三维坐标，根据手臂与机械臂之间的映射关系计算对应的机械臂关节的三维坐标；

S6、由机械臂关节的三维坐标计算机械臂的关节值；

S7、根据关节值控制机械臂沿着运动路径行进。

2.如权利要求1所述的机械臂Constrain Space的控制方法，其特征在于，S5中获取手臂关节的三维坐标具体包括：通过视觉传感器采集视觉范围内的彩色图像和深度图像；进行三维人体姿态识别并提取出人体骨架模型；根据人体骨架模型获取手臂关节的三维坐标。

3.如权利要求2所述的机械臂Constrain Space的控制方法，其特征在于，S6中采用空间向量法计算机械臂的关节值：将机械臂关节的三维坐标转换为空间向量；利用空间向量法计算机械臂的关节值。

4.如权利要求3所述的机械臂Constrain Space的控制方法，其特征在于，S7中根据关节值控制机械臂具体步骤为：采用上位机获取机械臂的关节值；通过ROS控制系统将机械臂的关节值发送给Arbotix-M控制板，由Arbotix-M控制板根据机械臂的关节值产生控制信号，并将控制信号发送到机械臂的舵机；通过舵机接收控制信号并驱动电机。

5.如权利要求4所述的机械臂Constrain Space的控制方法，其特征在于，S5中将手臂关节的三维坐标与机械臂关节的三维坐标转换到同一坐标系。

6.如权利要求5所述的机械臂Constrain Space的控制方法，其特征在于，S3中在安全区域内设置机械臂的运动路径具体包括：

根据机械臂端部的起始位置和终点位置确定在安全区域内的转动起点和转动终点；

确定机械臂端部从起始位置运动到转动起点的第一运动路径；

确定机械臂端部从转动终点运动到终点位置的第二运动路径；

确定机械臂端部从转动起点弧形转动到转动终点之间的转动路径；

根据第一运动路径、第二运动路径和转动路径设置机械臂的运动路径。

7.如权利要求6所述的机械臂Constrain Space的控制方法，其特征在于，S2中确定的安全区域为圆环形。

8.如权利要求7所述的机械臂Constrain Space的控制方法，其特征在于，S2中根据障碍物的位置分布信息确定安全区域具体包括：

将机械臂基座在工作平面的投影的几何中心确定为圆环的圆心；

将圆心位于圆环的圆心，且与机械臂基座在工作平面的投影外切的外切圆的半径作为圆环内径；

将圆心位于圆环的圆心，且与障碍物在工作平面的投影内切的内切圆的半径作为圆环外径。

9.如权利要求8所述的机械臂Constrain Space的控制方法，其特征在于，转动起点位于起始位置与圆环圆心的连线上，转动终点位于终点位置与圆环圆心的连线上。

10.如权利要求9所述的机械臂Constrain Space的控制方法，其特征在于，转动起点和转动终点分别位于内环半径与外环半径的中点。

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