CN113211430A - 一种人机协同的机械臂规划方法和系统 - Google Patents

一种人机协同的机械臂规划方法和系统 Download PDF

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CN113211430A CN202110387406.XA CN202110387406A CN113211430A CN 113211430 A CN113211430 A CN 113211430A CN 202110387406 A CN202110387406 A CN 202110387406A CN 113211430 A CN113211430 A CN 113211430A
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杨成
刘传凯
高宇辉
杨晓晨
张弓
赵瑞
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Beijing Aerospace Control Center
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
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    • B25J9/1656—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators
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Abstract

本发明涉及一种人机协同的机械臂规划方法和系统，首先，将机械臂和机械臂的周围的碰撞场景的三维模型导入虚拟环境中，然后，在虚拟环境中，采用线性运动规划方式获取使机械臂从预设初始状态运动到预设目标状态的第一运动规划方案，并判断机械臂按照第一运动规划方案运动时，是否在周围的碰撞场景中发生碰撞，得到第一判断结果；最后，当第一判断结果为否时，将第一运动规划方案确定为最终的运动规划方案，当第一判断结果为是时，通过人机协同的方式在虚拟环境中获取并将使机械臂避免碰撞的运动规划方案确定为最终的运动规划方案，可以快捷地对机械臂的运动过程进行规划，避开空间中的障碍物即防止机械臂发生碰撞，为机械臂控制提供安全保障。

Description

一种人机协同的机械臂规划方法和系统
技术领域
本发明涉及机械臂技术领域，尤其涉及一种人机协同的机械臂规划方法和系统。
背景技术
机械臂是一种高精度、多输入、多输出、高度非线性、强耦合的复杂系统，机械臂可以看做是一种多刚体结构，包括多个关节、旋转轴和前端的载荷组成，每个关节具有一个自由度，可在该自由度下绕旋转轴进行旋转，通过关节的旋转，使机械臂形成不同的构型，使得前端载荷达到指定位置并满足一定角度朝向要求，以对目标物体进行作业。因其独特的操作灵活性，已在工业装配，安全防爆等领域得到广泛应用。
多自由度空间机械臂是应用于宇宙空间活动中的一种特殊的机械臂，一般由搭载的航天器本体和固定在航天器本体上的机械臂组成。机械臂一般具备多自由度，通过各关节的规划控制，使机械臂末端到达预定位置，在轨完成大型航天器的装配、空间设施或设备的维修以及空间目标抓捕等空间任务。
大型空间组合体航天器外形为不规则结构，其主体由多个舱段组合形成，舱段外面附着太阳帆板、载荷、天线等大型部件，空间机械臂在航天器外面运动，完成舱段转运、人员出舱、设备维修等工作，极易发生碰撞。因此，在机械臂规划时，必须考虑周围物体的影响，其工作区间不再是一个完整的三维空间，而要考虑周围物体的碰撞关系，目前，多自由度的机械臂规划一般采用逆运动学求解方法，在解算中难以考虑碰撞约束，目前的方法难以满足障碍空间中的机械臂的规划需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种人机协同的机械臂规划方法和系统。
本发明的一种人机协同的机械臂规划方法的技术方案如下：
S1、将机械臂和所述机械臂的周围的碰撞场景的三维模型导入虚拟环境中；
S2、在虚拟环境中，采用线性运动规划方式获取使机械臂从预设初始状态运动到预设目标状态的第一运动规划方案，并判断机械臂按照所述第一运动规划方案运动时，是否在周围的碰撞场景中发生碰撞，得到第一判断结果；
S3、当所述第一判断结果为否时，将所述第一运动规划方案确定为最终的运动规划方案，当第一判断结果为是时，通过人机协同的方式在虚拟环境中获取并将使机械臂避免碰撞的运动规划方案确定为最终的运动规划方案。
本发明的一种人机协同的机械臂规划方法的有益效果如下：
首先，将机械臂和机械臂的周围的碰撞场景的三维模型导入虚拟环境中，然后，在虚拟环境中，采用线性运动规划方式获取使机械臂从预设初始状态运动到预设目标状态的第一运动规划方案，并判断机械臂按照第一运动规划方案运动时，是否在周围的碰撞场景中发生碰撞，得到第一判断结果；最后，当第一判断结果为否时，将第一运动规划方案确定为最终的运动规划方案，当第一判断结果为是时，通过人机协同的方式在虚拟环境中获取并将使机械臂避免碰撞的运动规划方案确定为最终的运动规划方案，可以快捷地对机械臂的运动过程进行规划，避开空间中的障碍物即防止机械臂发生碰撞，为机械臂控制提供安全保障。
在上述方案的基础上，本发明的一种人机协同的机械臂规划方法还可以做如下改进。
进一步，通过人机协同的方式在虚拟环境中获取最终的运动规划方案的过程，包括：
S30、从所述第一运动规划方案中获取机械臂第一次发生碰撞时所对应的状态并在虚拟环境中显示，使规划人员通过VR设备并根据机械臂第一次发生碰撞时所对应的状态，从虚拟环境中获取使机械臂避免发生第一次碰撞的第一中间状态；
S31、采用线性运动规划方式获取机械臂从所述预设初始状态运动到第一中间状态的第二运动规划方案，并判断当机械臂按照第二运动规划方案运动时是否在周围的碰撞场景中发生碰撞，得到第二判断结果；
S32、当所述第二判断结果为否时，则将第一中间状态确定为机械臂从所述预设初始状态运动到所述预设目标状态时的待经过的中间状态，并将第二运动规划方案确定为使机械臂从所述预设初始状态运动到第一中间状态的待执行的区间运动规划方案；
当第一判断结果为是时，则使规划人员通过VR设备从虚拟环境中重新获取新的第一中间状态，并返回执行S31，直至得到待经过的中间状态以及待执行的区间运动规划方案；
S33、采用线性运动规划方式获取使机械臂从待经过的中间状态到预设目标状态的第三运动规划方案，以第三运动规划方案作为第一运动规划方案，以待经过的中间状态作为预设初始状态，返回执行S30，得到至少一个待经过的中间状态以及多个待执行的区间运动规划方案；
S34、按照机械臂的状态的先后变化顺序将多个待执行的区间运动规划方案合并，得到最终的运动规划方案。
采用上述进一步方案的有益效果是：当第一判断结果为是时，使规划人员通过VR设备并根据机械臂每次发生碰撞时所对应的状态，从虚拟环境中获取使机械臂避免发生碰撞的第一中间状态，以及结合通过判断机械臂是否发生碰撞，得到至少一个待经过的中间状态以及多个待执行的区间运动规划方案，按照机械臂的状态的先后变化顺序将多个待执行的区间运动规划方案合并，得到最终的运动规划方案，通过人机协同的方式极大提高对机械臂的运动过程进行规划的效率，且为机械臂控制提供安全保障。
进一步，还包括：
利用Unity3D软件构建机械臂和所述机械臂的周围的碰撞场景的三维模型。
进一步，所述三维模型中包括机械臂的几何外形和机械臂的每个关节的连接属性。
本发明的一种人机协同的机械臂规划系统的技术方案如下：
包括模型导入模块、第一判断模块和第一确定模块；
所述模型导入模块用于将机械臂和所述机械臂的周围的碰撞场景的三维模型导入虚拟环境中；
所述第一判断模块用于：在虚拟环境中，采用线性运动规划方式获取使机械臂从预设初始状态运动到预设目标状态的第一运动规划方案，并判断机械臂按照所述第一运动规划方案运动时，是否在周围的碰撞场景中发生碰撞，得到第一判断结果；
所述第一确定模块用于：当所述第一判断结果为否时，将所述第一运动规划方案确定为最终的运动规划方案，当第一判断结果为是时，通过人机协同的方式在虚拟环境中获取并将使机械臂避免碰撞的运动规划方案确定为最终的运动规划方案。
本发明的一种人机协同的机械臂规划系统的有益效果如下：
首先，将机械臂和机械臂的周围的碰撞场景的三维模型导入虚拟环境中，然后，在虚拟环境中，采用线性运动规划方式获取使机械臂从预设初始状态运动到预设目标状态的第一运动规划方案，并判断机械臂按照第一运动规划方案运动时，是否在周围的碰撞场景中发生碰撞，得到第一判断结果；最后，当第一判断结果为否时，将第一运动规划方案确定为最终的运动规划方案，当第一判断结果为是时，通过人机协同的方式在虚拟环境中获取并将使机械臂避免碰撞的运动规划方案确定为最终的运动规划方案，可以快捷地对机械臂的运动过程进行规划，避开空间中的障碍物即防止机械臂发生碰撞，为机械臂控制提供安全保障。
在上述方案的基础上，本发明的一种人机协同的机械臂规划系统还可以做如下改进。
进一步，所述第一确定模块包括第一获取模块、第二判断模块、第二确定模块、第二获取模块和合并模块；
所述第一获取模块用于：从所述第一运动规划方案中获取机械臂第一次发生碰撞时所对应的状态并在虚拟环境中显示，使规划人员通过VR设备并根据机械臂第一次发生碰撞时所对应的状态，从虚拟环境中获取使机械臂避免发生第一次碰撞的第一中间状态；
所述第二判断模块用于：采用线性运动规划方式获取机械臂从所述预设初始状态运动到第一中间状态的第二运动规划方案，并判断当机械臂按照第二运动规划方案运动时是否在周围的碰撞场景中发生碰撞，得到第二判断结果；
所述第二确定模块用于：当所述第二判断结果为否时，则将第一中间状态确定为机械臂从所述预设初始状态运动到所述预设目标状态时的待经过的中间状态，并将第二运动规划方案确定为使机械臂从所述预设初始状态运动到第一中间状态的待执行的区间运动规划方案；
当第一判断结果为是时，则使规划人员通过VR设备从虚拟环境中重新获取新的第一中间状态，并重新调用第二判断模块、第二确定模块，直至得到待经过的中间状态以及待执行的区间运动规划方案；
所述第二获取模块用于：采用线性运动规划方式获取使机械臂从待经过的中间状态到预设目标状态的第三运动规划方案，以第三运动规划方案作为第一运动规划方案，以待经过的中间状态作为预设初始状态，重新调用第一获取模块、第二判断模块、第二确定模块，得到至少一个待经过的中间状态以及多个待执行的区间运动规划方案；
所述合并模块用于：按照机械臂的状态的先后变化顺序将多个待执行的区间运动规划方案合并，得到最终的运动规划方案。
采用上述进一步方案的有益效果是：当第一判断结果为是时，使规划人员通过VR设备并根据机械臂每次发生碰撞时所对应的状态，从虚拟环境中获取使机械臂避免发生碰撞的第一中间状态，以及结合通过判断机械臂是否发生碰撞，得到至少一个待经过的中间状态以及多个待执行的区间运动规划方案，按照机械臂的状态的先后变化顺序将多个待执行的区间运动规划方案合并，得到最终的运动规划方案，通过人机协同的方式极大提高对机械臂的运动过程进行规划的效率，且为机械臂控制提供安全保障。
进一步，还包括模型建立模块，所述模型建立模块用于利用Unity3D软件构建机械臂和所述机械臂的周围的碰撞场景的三维模型。
进一步，所述三维模型中包括机械臂的几何外形和机械臂的每个关节的连接属性。
本发明的一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述任一实施例中所述的一种人机协同的机械臂规划方法。
本发明的一种机械臂，包括处理器和上述的存储介质，所述处理器执行所述存储介质中的指令。
附图说明
图1为本发明实施例的一种人机协同的机械臂规划方法的流程示意图；
图2为机械臂的规划示意图；
图3为本发明实施例的一种人机协同的机械臂规划系统的结构示意图；
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例的一种人机协同的机械臂规划方法，包括如下步骤：
S1、将机械臂和所述机械臂的周围的碰撞场景的三维模型导入虚拟环境中；
S2、在虚拟环境中，采用线性运动规划方式获取使机械臂从预设初始状态11运动到预设目标状态13的第一运动规划方案，并判断机械臂按照所述第一运动规划方案运动时，是否在周围的碰撞场景中发生碰撞，得到第一判断结果；
S3、当所述第一判断结果为否时，将所述第一运动规划方案确定为最终的运动规划方案，当第一判断结果为是时，通过人机协同的方式在虚拟环境中获取并将使机械臂避免碰撞的运动规划方案确定为最终的运动规划方案。
首先，将机械臂和机械臂的周围的碰撞场景的三维模型导入虚拟环境中，然后，在虚拟环境中，采用线性运动规划方式获取使机械臂从预设初始状态11运动到预设目标状态13的第一运动规划方案，并判断机械臂按照第一运动规划方案运动时，是否在周围的碰撞场景中发生碰撞，得到第一判断结果；最后，当第一判断结果为否时，将第一运动规划方案确定为最终的运动规划方案，当第一判断结果为是时，通过人机协同的方式在虚拟环境中获取并将使机械臂避免碰撞的运动规划方案确定为最终的运动规划方案，可以快捷地对机械臂的运动过程进行规划，避开空间中的障碍物10即防止机械臂发生碰撞，为机械臂控制提供安全保障。
其中，利用Unity3D软件构建机械臂和所述机械臂的周围的碰撞场景的三维模型，所述三维模型中包括机械臂的几何外形和机械臂的每个关节的连接属性。可以理解的是，选取周围的碰撞场景的大小可根据实际情况确认，一般选取机械臂在360°的方向能触及的最远位置所包围的区域作为周围的碰撞场景，这样，机械臂不会周围的碰撞场景之外的碰撞障碍物10，即不会在周围的碰撞场景之外发生碰撞，为机械臂控制提供安全保障。
可以理解的是，可先构建机械臂的三维模型，再构建机械臂的周围的碰撞场景的三维模型，结合机械臂的三维模型和机械臂的周围的碰撞场景的三维模型后得到机械臂和所述机械臂的周围的碰撞场景的三维模型，也可同时构建机械臂的三维模型以及机械臂的周围的碰撞场景的三维模型，得到机械臂和所述机械臂的周围的碰撞场景的三维模型，则三维模型中包括机械臂的几何外形和机械臂的每个关节的连接属性，可理解为机械臂的三维模型包括机械臂的几何外形和机械臂的每个关节的连接属性，机械臂的周围的碰撞场景的三维模型包括机械臂的周围的碰撞场景的几何外形，若机械臂的周围的碰撞场景中包括碰撞障碍物10时，则机械臂的周围的碰撞场景的三维模型中还包括碰撞障碍物10的几何外形。
可以理解的是，构建机械臂的几何外形和构建机械臂的周围的碰撞场景的几何模型时，采用同一坐标系，以保证不会改变机械臂和构建机械臂的周围的碰撞场景之间空间位置关系。
以图2为例对机械臂的几何外形和机械臂的每个关节的连接属性进行说明，具体地：机械臂包括基座1和四个关节，以基座1上的关节作为第一关节2，按照顺序将其它关节依次标记为第二关节4、第三关节6和第四关节8，第一关节2与第二关节4之间有第一旋转轴3，第二关节4与第三关节6直接有第二旋转轴5，第三关节6与第四关节8之间有第四关节8轴，第四关节8上还连接有第四旋转轴9；那么，机械臂的几何外形具体包括：四个关节的几何外形以及四个旋转轴的几何外形。
其中，每个关节具有一个自由度，连接属性具体体现在：当有第四关节8旋转一定角度时，则第四旋转轴9随着转动一定角度；当第三关节6旋转一定角度时，则第三旋转轴7随着转动一定角度，且带动第四旋转轴9随着转动一定角度，当第二关节4旋转一定角度时，则第二旋转轴5、第三旋转轴7和第四旋转轴9随着转动一定角度，当第一关节2旋转一定角度时，则第一旋转轴3、第二旋转轴5、第三旋转轴7和第四旋转轴9随着转动一定角度，其中，当任一关节旋转一定角度时，计算出其他旋转轴的空间变化已为本领域技术人员所悉知，在此不做赘述。
其中，采用线性运动规划方式可理解为：获取机械臂在预设初始状态11时的每个关节的空间位置，获取机械臂在预设目标状态13时的每个关节的空间位置，计算每个关节需要移动的直线距离，得到使机械臂从预设初始状态11运动到预设目标状态13的第一运动规划方案，且采用线性运动规划方式为本领域技术人员所悉知，在此不做赘述。
其中，判断机械臂按照所述第一运动规划方案运动时，是否在周围的碰撞场景中发生碰撞的过程如下：计算机械臂按照第一运动规划方案运动时，是否与周围的碰撞场景中的碰撞障碍物10覆盖同一空间位置，若是，则判定发生碰撞，若否，则没有发生碰撞；且目前存在很多判断是否发生碰撞的方法，在此不做赘述。
可以理解的是，本申请中的状态可理解为构型，例如，机械臂的预设初始状态11可理解为机械臂的预设初始构型，机械臂的预设目标状态13可理解为机械臂的预设目标构型等。
较优地，在上述技术方案中，通过人机协同的方式在虚拟环境中获取最终的运动规划方案的过程，包括：
S30、从所述第一运动规划方案中获取机械臂第一次发生碰撞时所对应的状态并在虚拟环境中显示，使规划人员通过VR设备并根据机械臂第一次发生碰撞时所对应的状态，从虚拟环境中获取使机械臂避免发生第一次碰撞的第一中间状态；
S31、采用线性运动规划方式获取机械臂从所述预设初始状态11运动到第一中间状态的第二运动规划方案，并判断当机械臂按照第二运动规划方案运动时是否在周围的碰撞场景中发生碰撞，得到第二判断结果；
S32、当所述第二判断结果为否时，则将第一中间状态确定为机械臂从所述预设初始状态11运动到所述预设目标状态13时的待经过的中间状态12，并将第二运动规划方案确定为使机械臂从所述预设初始状态11运动到第一中间状态的待执行的区间运动规划方案；
当第一判断结果为是时，则使规划人员通过VR设备从虚拟环境中重新获取新的第一中间状态，并返回执行S31，直至得到待经过的中间状态12以及待执行的区间运动规划方案；
S33、采用线性运动规划方式获取使机械臂从待经过的中间状态12到预设目标状态13的第三运动规划方案，以第三运动规划方案作为第一运动规划方案，以待经过的中间状态12作为预设初始状态11，返回执行S30，得到至少一个待经过的中间状态12以及多个待执行的区间运动规划方案；
S34、按照机械臂的状态的先后变化顺序将多个待执行的区间运动规划方案合并，得到最终的运动规划方案。
下面通过一个实例进行说明，具体地：
S300、得到第二判断结果，具体地：
规划人员通过VR设备并根据机械臂第一次发生碰撞时所对应的状态，从虚拟环境中获取使机械臂避免发生第一次碰撞的第一中间状态，采用线性运动规划方式获取机械臂从所述预设初始状态11运动到第一中间状态的第二运动规划方案，并判断当机械臂按照第二运动规划方案运动时是否在周围的碰撞场景中发生碰撞，得到第二判断结果；
S301、得到待执行的区间运动规划方案，具体地：
当所述第二判断结果为否时，则将第一中间状态确定为机械臂从所述预设初始状态11运动到所述预设目标状态13时的待经过的中间状态12，并将第二运动规划方案确定为使机械臂从所述预设初始状态11运动到第一中间状态的待执行的区间运动规划方案；
S302、判断第三运动规划方案是否发生碰撞，具体地：
采用线性运动规划方式获取使机械臂从待经过的中间状态12到预设目标状态13的第三运动规划方案，以第三运动规划方案作为第一运动规划方案，以待经过的中间状态12作为预设初始状态11，返回执行S30，若判断出第三运动规划方案不发生碰撞，则第三运动规划方案也为待执行的区间运动规划方案，则得到一个待经过的中间状态12以及两个待执行的区间运动规划方案即第二运动规划方案和第三运动规划方案；
S303、得到最终的运动规划方案，具体地：
按照机械臂的状态的先后变化顺序将多个待执行的区间运动规划方案合并，机械臂的状态的先后变化顺序可理解为：机械臂先从预设初始状态11运动到待经过的中间状态12，再运动到预设目标状态13，则按照该顺序合并第二运动规划方案和第三运动规划方案，得到最终的运动规划方案。
其中，当第一判断结果为是时，则使规划人员通过VR设备从虚拟环境中重新获取新的第一中间状态，并返回执行S31，直至得到待经过的中间状态12以及待执行的区间运动规划方案。
其中，当判断第三运动规划方案也发生碰撞时，则从第三运动规划方案中获取机械臂第一次发生碰撞时所对应的状态并在虚拟环境中显示，使规划人员通过VR设备并根据机械臂第一次发生碰撞时所对应的状态，从虚拟环境中获取使机械臂避免发生第一次碰撞的第一中间状态；可以理解的是，该处的第一次发生碰撞为使机械臂从待经过的中间状态12到预设目标状态13的过程中的第一次碰撞，也就是说，以第三运动规划方案作为第一运动规划方案，以待经过的中间状态12作为预设初始状态11，返回执行S30，得到第二个待经过的中间状态12以及多个待执行的区间运动规划方案，然后，按照机械臂的状态的先后变化顺序将多个待执行的区间运动规划方案合并，得到最终的运动规划方案。该过程相当于依次获取多个待经过的中间状态12，也就是说，在预设初始状态11运动到预设目标状态13插入多个待经过的中间状态12，可表示为：Ss，S1，S2，...，Sn，Se，Ss表示预设初始状态11，Se表示预设目标状态13，S1表示第一个待经过的中间状态12、S2表示第二个待经过的中间状态12……，Sn表示第n个待经过的中间状态12，n为正整数，用[Ss，S1]表示使机械臂从Ss运动到S1时的运动规划方案即第一个待执行的区间运动规划方案，用[S1，S2]表示使机械臂从S1运动到S2时的运动规划方案，即第二个待执行的区间运动规划方案，以此类推，用[Sn，Se]表示使机械臂从S1运动到S2时的运动规划方案，即最后一个待执行的区间运动规划方案，则最终的运动规划方案为：{[Ss，S1]，[S1，S2]，...，[Sn，Se]}，当使机械臂按照最终的运动规划方案运动时，机械臂从预设初始状态11依次运动到第一个待执行的区间运动规划方案S1、第二个待执行的区间运动规划方案S2、……第n个待执行的区间运动规划方案Sn、预设最终状态Se，以对目标物体进行作业。
VR设备可采用HTC VIVE虚拟现实套装，开发建立人机协同交互环境。HTC VIVE虚拟现实套装的头戴式显示器进行机械臂控制状态的沉浸式显示，规划人员可从不同视角，查看机械臂规划的预设初始状态11和预设目标状态13、规划过程与周围障碍环境的碰撞关系、设置的中间状态；HTC VIVE虚拟现实套装的手柄提供对机械臂的操作功能，规划人员可利用手柄抓握机械臂拖拽来调整机械臂各关节角度，通过点击手柄上的控制按钮来设置中间状态，机械臂的运动构型变化即机械臂的状态变化由物理引擎仿真。
本申请的一种人机协同的机械臂规划方法灵活性高，功能强大，能很好地适应障碍环境中机械臂规划要求，满足机械臂运动过程中的安全性，优点主要表现在：
1)适应障碍环境，通过虚拟环境中控制人员对环境的理解能力，选择避开障碍环境的规划路线，得到最终的运动规划方案。
2)规划过程快捷。通过计算机辅助人机协同的方式，将规划过程分割为小的区间即[Ss，S1]，[S1，S2]等，在区间内部使用自动规划方法即线性运动规划方式求解，并且避免了规划求解阶段的大量碰撞检测运算，降低了规划过程的复杂度。
3)规划安全保障。上述规划结果使用碰撞检测技术进行规划验证，保证规划过程中机械臂与外部环境即周围的碰撞场景无碰撞风险。
当第一判断结果为是时，使规划人员通过VR设备并根据机械臂每次发生碰撞时所对应的状态，从虚拟环境中获取使机械臂避免发生碰撞的第一中间状态，以及结合通过判断机械臂是否发生碰撞，得到至少一个待经过的中间状态12以及多个待执行的区间运动规划方案，按照机械臂的状态的先后变化顺序将多个待执行的区间运动规划方案合并，得到最终的运动规划方案，通过人机协同的方式极大提高对机械臂的运动过程进行规划的效率，且为机械臂控制提供安全保障。
在上述各实施例中，虽然对步骤进行了编号S1、S2等，但只是本申请给出的具体实施例，本领域的技术人员可根据实际情况对调整S1、S2等的执行顺序，此也在本发明的保护范围内，可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。
如图3所示，本发明实施例的一种人机协同的机械臂规划系统200，包括模型导入模块210、第一判断模块220和第一确定模块230；
所述模型导入模块210用于将机械臂和所述机械臂的周围的碰撞场景的三维模型导入虚拟环境中；
所述第一判断模块220用于：在虚拟环境中，采用线性运动规划方式获取使机械臂从预设初始状态11运动到预设目标状态13的第一运动规划方案，并判断机械臂按照所述第一运动规划方案运动时，是否在周围的碰撞场景中发生碰撞，得到第一判断结果；
所述第一确定模块230用于：当所述第一判断结果为否时，将所述第一运动规划方案确定为最终的运动规划方案，当第一判断结果为是时，通过人机协同的方式在虚拟环境中获取并将使机械臂避免碰撞的运动规划方案确定为最终的运动规划方案。
首先，将机械臂和机械臂的周围的碰撞场景的三维模型导入虚拟环境中，然后，在虚拟环境中，采用线性运动规划方式获取使机械臂从预设初始状态11运动到预设目标状态13的第一运动规划方案，并判断机械臂按照第一运动规划方案运动时，是否在周围的碰撞场景中发生碰撞，得到第一判断结果；最后，当第一判断结果为否时，将第一运动规划方案确定为最终的运动规划方案，当第一判断结果为是时，通过人机协同的方式在虚拟环境中获取并将使机械臂避免碰撞的运动规划方案确定为最终的运动规划方案，可以快捷地对机械臂的运动过程进行规划，避开空间中的障碍物10即防止机械臂发生碰撞，为机械臂控制提供安全保障。
较优地，在上述技术方案中，所述第一确定模块230包括第一获取模块、第二判断模块、第二确定模块、第二获取模块和合并模块；
所述第一获取模块用于：从所述第一运动规划方案中获取机械臂第一次发生碰撞时所对应的状态并在虚拟环境中显示，使规划人员通过VR设备并根据机械臂第一次发生碰撞时所对应的状态，从虚拟环境中获取使机械臂避免发生第一次碰撞的第一中间状态；
所述第二判断模块用于：采用线性运动规划方式获取机械臂从所述预设初始状态11运动到第一中间状态的第二运动规划方案，并判断当机械臂按照第二运动规划方案运动时是否在周围的碰撞场景中发生碰撞，得到第二判断结果；
所述第二确定模块用于：当所述第二判断结果为否时，则将第一中间状态确定为机械臂从所述预设初始状态11运动到所述预设目标状态13时的待经过的中间状态12，并将第二运动规划方案确定为使机械臂从所述预设初始状态11运动到第一中间状态的待执行的区间运动规划方案；
当第一判断结果为是时，则使规划人员通过VR设备从虚拟环境中重新获取新的第一中间状态，并重新调用第二判断模块、第二确定模块，直至得到待经过的中间状态12以及待执行的区间运动规划方案；
所述第二获取模块用于：采用线性运动规划方式获取使机械臂从待经过的中间状态12到预设目标状态13的第三运动规划方案，以第三运动规划方案作为第一运动规划方案，以待经过的中间状态12作为预设初始状态11，重新调用第一获取模块、第二判断模块、第二确定模块，得到至少一个待经过的中间状态12以及多个待执行的区间运动规划方案；
所述合并模块用于：按照机械臂的状态的先后变化顺序将多个待执行的区间运动规划方案合并，得到最终的运动规划方案。
当第一判断结果为是时，使规划人员通过VR设备并根据机械臂每次发生碰撞时所对应的状态，从虚拟环境中获取使机械臂避免发生碰撞的第一中间状态，以及结合通过判断机械臂是否发生碰撞，得到至少一个待经过的中间状态12以及多个待执行的区间运动规划方案，按照机械臂的状态的先后变化顺序将多个待执行的区间运动规划方案合并，得到最终的运动规划方案，通过人机协同的方式极大提高对机械臂的运动过程进行规划的效率，且为机械臂控制提供安全保障。
较优地，在上述技术方案中，还包括模型建立模块，所述模型建立模块用于利用Unity3D软件构建机械臂和所述机械臂的周围的碰撞场景的三维模型。
较优地，在上述技术方案中，所述三维模型中包括机械臂的几何外形和机械臂的每个关节的连接属性。
上述关于本发明的一种人机协同的机械臂规划系统200中的各参数和各个单元模块实现相应功能的步骤，可参考上文中关于一种人机协同的机械臂规划方法的实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。
本发明实施例的一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述任一实施例中所述的一种人机协同的机械臂规划方法。
本发明实施例的一种机械臂，包括处理器和上述的存储介质，所述处理器执行所述存储介质中的指令。
在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种人机协同的机械臂规划方法，其特征在于，包括：
S1、将机械臂和所述机械臂的周围的碰撞场景的三维模型导入虚拟环境中；
S2、在虚拟环境中，采用线性运动规划方式获取使机械臂从预设初始状态运动到预设目标状态的第一运动规划方案，并判断机械臂按照所述第一运动规划方案运动时，是否在周围的碰撞场景中发生碰撞，得到第一判断结果；
S3、当所述第一判断结果为否时，将所述第一运动规划方案确定为最终的运动规划方案，当第一判断结果为是时，通过人机协同的方式在虚拟环境中获取并将使机械臂避免碰撞的运动规划方案确定为最终的运动规划方案。
2.根据权利要求1所述的一种人机协同的机械臂规划方法，其特征在于，通过人机协同的方式在虚拟环境中获取最终的运动规划方案的过程，包括：
S30、从所述第一运动规划方案中获取机械臂第一次发生碰撞时所对应的状态并在虚拟环境中显示，使规划人员通过VR设备并根据机械臂第一次发生碰撞时所对应的状态，从虚拟环境中获取使机械臂避免发生第一次碰撞的第一中间状态；
S31、采用线性运动规划方式获取机械臂从所述预设初始状态运动到第一中间状态的第二运动规划方案，并判断当机械臂按照第二运动规划方案运动时是否在周围的碰撞场景中发生碰撞，得到第二判断结果；
S32、当所述第二判断结果为否时，则将第一中间状态确定为机械臂从所述预设初始状态运动到所述预设目标状态时的待经过的中间状态，并将第二运动规划方案确定为使机械臂从所述预设初始状态运动到第一中间状态的待执行的区间运动规划方案；
当第一判断结果为是时，则使规划人员通过VR设备从虚拟环境中重新获取新的第一中间状态，并返回执行S31，直至得到待经过的中间状态以及待执行的区间运动规划方案；
S33、采用线性运动规划方式获取使机械臂从待经过的中间状态到预设目标状态的第三运动规划方案，以第三运动规划方案作为第一运动规划方案，以待经过的中间状态作为预设初始状态，返回执行S30，得到至少一个待经过的中间状态以及多个待执行的区间运动规划方案；
S34、按照机械臂的状态的先后变化顺序将多个待执行的区间运动规划方案合并，得到最终的运动规划方案。
3.根据权利要求1或2所述的一种人机协同的机械臂规划方法，其特征在于，还包括：
利用Unity3D软件构建机械臂和所述机械臂的周围的碰撞场景的三维模型。
4.根据权利要求1或2所述的一种人机协同的机械臂规划方法，其特征在于，所述三维模型中包括机械臂的几何外形和机械臂的每个关节的连接属性。
5.一种人机协同的机械臂规划系统，其特征在于，包括模型导入模块、第一判断模块和第一确定模块；
所述模型导入模块用于将机械臂和所述机械臂的周围的碰撞场景的三维模型导入虚拟环境中；
所述第一判断模块用于：在虚拟环境中，采用线性运动规划方式获取使机械臂从预设初始状态运动到预设目标状态的第一运动规划方案，并判断机械臂按照所述第一运动规划方案运动时，是否在周围的碰撞场景中发生碰撞，得到第一判断结果；
所述第一确定模块用于：当所述第一判断结果为否时，将所述第一运动规划方案确定为最终的运动规划方案，当第一判断结果为是时，通过人机协同的方式在虚拟环境中获取并将使机械臂避免碰撞的运动规划方案确定为最终的运动规划方案。
6.根据权利要求5所述的一种人机协同的机械臂规划系统，其特征在于，所述第一确定模块包括第一获取模块、第二判断模块、第二确定模块、第二获取模块和合并模块；
所述第一获取模块用于：从所述第一运动规划方案中获取机械臂第一次发生碰撞时所对应的状态并在虚拟环境中显示，使规划人员通过VR设备并根据机械臂第一次发生碰撞时所对应的状态，从虚拟环境中获取使机械臂避免发生第一次碰撞的第一中间状态；
所述第二判断模块用于：采用线性运动规划方式获取机械臂从所述预设初始状态运动到第一中间状态的第二运动规划方案，并判断当机械臂按照第二运动规划方案运动时是否在周围的碰撞场景中发生碰撞，得到第二判断结果；
所述第二确定模块用于：当所述第二判断结果为否时，则将第一中间状态确定为机械臂从所述预设初始状态运动到所述预设目标状态时的待经过的中间状态，并将第二运动规划方案确定为使机械臂从所述预设初始状态运动到第一中间状态的待执行的区间运动规划方案；
当第一判断结果为是时，则使规划人员通过VR设备从虚拟环境中重新获取新的第一中间状态，并重新调用第二判断模块、第二确定模块，直至得到待经过的中间状态以及待执行的区间运动规划方案；
所述第二获取模块用于：采用线性运动规划方式获取使机械臂从待经过的中间状态到预设目标状态的第三运动规划方案，以第三运动规划方案作为第一运动规划方案，以待经过的中间状态作为预设初始状态，重新调用第一获取模块、第二判断模块、第二确定模块，得到至少一个待经过的中间状态以及多个待执行的区间运动规划方案；
所述合并模块用于：按照机械臂的状态的先后变化顺序将多个待执行的区间运动规划方案合并，得到最终的运动规划方案。
7.根据权利要求5或6所述的一种人机协同的机械臂规划系统，其特征在于，还包括模型建立模块，所述模型建立模块用于利用Unity3D软件构建机械臂和所述机械臂的周围的碰撞场景的三维模型。
8.根据权利要求5或6所述的一种人机协同的机械臂规划系统，其特征在于，所述三维模型中包括机械臂的几何外形和机械臂的每个关节的连接属性。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116000932A (zh) * 2022-12-30 2023-04-25 节卡机器人股份有限公司 运动设备控制方法、系统、装置、设备和存储介质
CN116901073A (zh) * 2023-08-03 2023-10-20 南京云创大数据科技股份有限公司 多机械臂协同轨迹规划方法、装置、电子设备及存储介质

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116000932A (zh) * 2022-12-30 2023-04-25 节卡机器人股份有限公司 运动设备控制方法、系统、装置、设备和存储介质
CN116000932B (zh) * 2022-12-30 2024-04-26 节卡机器人股份有限公司 运动设备控制方法、系统、装置、设备和存储介质
CN116901073A (zh) * 2023-08-03 2023-10-20 南京云创大数据科技股份有限公司 多机械臂协同轨迹规划方法、装置、电子设备及存储介质

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