CN113334392A

CN113334392A - 一种机械臂防碰撞方法、装置、机器人及存储介质

Info

Publication number: CN113334392A
Application number: CN202110899019.4A
Authority: CN
Inventors: 李耀; 其他发明人请求不公开姓名
Original assignee: Chengdu Borns Medical Robotics Co Ltd
Current assignee: Chengdu Borns Medical Robotics Co Ltd
Priority date: 2021-08-06
Filing date: 2021-08-06
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2041-08-06
Also published as: CN113334392B

Abstract

本申请公开了一种机械臂防碰撞方法、装置、机器人及存储介质，所述机械臂防碰撞方法包括：根据所有机械臂的当前位姿和目标位姿确定每一所述机械臂的机械臂运动轨迹；根据所述机械臂运动轨迹确定目标机械臂集合；其中，所述目标机械臂集合包括最近臂间距离在预设范围内的机械臂；锁定所述目标机械臂集合中的机械臂。本申请能够对机械臂碰撞事件进行干预，降低机械臂的碰撞率。本申请公开的一种机械臂防碰撞装置、一种机器人及一种存储介质，也具有以上有益效果。

Description

一种机械臂防碰撞方法、装置、机器人及存储介质

技术领域

本申请涉及机械臂自动化控制领域，特别涉及一种机械臂防碰撞方法、装置、机器人及存储介质。

背景技术

随着科技的进步，机器人技术逐渐成熟并被广泛应用。机器人通常包括主操作台及从操作设备，主操作台包括手柄，操作人员通过操作手柄向从操作设备发送控制命令；从操作设备包括机械臂，机械臂远端具有操作臂，操作臂具有末端器械。由于机器人通常具有多个机械臂，在操作过程中可以根据分工不同在不同的机械臂上安装不同的操作器械，如手术刀、手术剪、内窥镜、喷头、电焊等。操作人员在操作这些机械臂进行作业的过程中，可能会发生机械臂之间相互碰撞或受到外力作用的情况，这导致机械臂之间因碰撞而发生损坏，也容易损坏被操作的对象。

因此，如何对机械臂碰撞事件进行干预，降低机械臂的碰撞率是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种机械臂防碰撞方法、装置、机器人及存储介质，能够对机械臂碰撞事件进行干预，降低机械臂的碰撞率。

为解决上述技术问题，本申请提供一种机械臂防碰撞方法，该机械臂防碰撞方法包括：

根据所有机械臂的当前位姿和目标位姿确定每一所述机械臂的机械臂运动轨迹；

根据所述机械臂运动轨迹确定目标机械臂集合；其中，所述目标机械臂集合包括最近臂间距离在预设范围内的机械臂；

锁定所述目标机械臂集合中的机械臂。

可选的，锁定所述目标机械臂集合中的机械臂，包括：

确定碰撞预估时间点；其中，所述碰撞预估时间点为：所述机械臂按照所述机械臂运动轨迹运动的过程中，臂间距离第一次处于所述预设范围内的时间点；

在所述碰撞预估时间点之前锁定所述目标机械臂集合中的机械臂。

可选的，根据所有机械臂的当前位姿和目标位姿确定每一所述机械臂的机械臂运动轨迹，包括：

根据所述当前位姿对所述目标位姿进行逆运动学计算，得到所述机械臂的坐标变化序列；

根据所述机械臂的尺寸参数和所述坐标变化序列确定每一所述机械臂的机械臂运动轨迹。

可选的，在根据所有机械臂的当前位姿和目标位姿确定每一所述机械臂的机械臂运动轨迹之前，还包括：

获取所有所述机械臂的关节电机数据，并根据所述关节电机数据确定每一所述机械臂的当前位姿；

和/或，接收触觉反馈设备或摇杆控制器传输的控制指令，并根据所述控制指令确定每一所述机械臂的目标位姿。

可选的，在根据所述机械臂运动轨迹确定目标机械臂集合之后，还包括：

若所述目标机械臂集合为空，则控制每一所述机械臂按照所述机械臂运动轨迹运动。

若所述目标机械臂集合不为空，则发送预警信号；其中，所述预警信号包括声音信号和/或光信号。

可选的，在锁定所述目标机械臂集合中的机械臂之后，还包括：

确定机械臂碰撞位置，并将所述机械臂碰撞位置作为约束条件生成新的机械臂运动轨迹，以便控制所述机械臂按照所述新的机械臂运动轨迹运动。

本申请还提供了一种机械臂防碰撞装置，该装置包括：

轨迹确定模块，用于根据所有机械臂的当前位姿和目标位姿确定每一所述机械臂的机械臂运动轨迹；

机械臂确定模块，用于根据所述机械臂运动轨迹确定目标机械臂集合；其中，所述目标机械臂集合包括最近臂间距离在预设范围内的机械臂；

机械臂锁定模块，用于锁定所述目标机械臂集合中的机械臂。

本申请还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时实现上述机械臂防碰撞方法执行的步骤。

本申请还提供了一种机器人，包括存储器、处理器和切换按键，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现上述机械臂防碰撞方法的步骤，所述切换按键用于将机械臂的控制方式切换为触觉反馈设备远端控制或摇杆控制器近端控制。

本申请提供了一种机械臂防碰撞方法，包括：根据所有机械臂的当前位姿和目标位姿确定每一所述机械臂的机械臂运动轨迹；根据所述机械臂运动轨迹确定目标机械臂集合；其中，所述目标机械臂集合包括最近臂间距离在预设范围内的机械臂；锁定所述目标机械臂集合中的机械臂。

本申请根据机械臂的当前位姿和目标位姿确定机械臂运动轨迹，当机械臂的运动轨迹重叠或靠近时将会出现机械臂碰撞的情况，本申请根据臂间距离在预设范围内的机械臂构建机械臂集合，并锁定目标机械臂集合中的机械臂，以便在机械臂碰撞之前停止机械臂的运动。本方案能够对机械臂碰撞事件进行干预，降低机械臂的碰撞率。本申请同时还提供了一种机械臂防碰撞装置、一种机器人和一种存储介质，具有上述有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例所提供的一种机械臂防碰撞方法的流程图；

图2为本申请实施例所提供的一种防止机械臂碰撞的预警方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面请参见图1，图1为本申请实施例所提供的一种机械臂防碰撞方法的流程图。

具体步骤可以包括：

S101：根据所有机械臂的当前位姿和目标位姿确定每一所述机械臂的机械臂运动轨迹；

其中，本实施例可以应用于机械臂的控制设备，当前位姿为机械臂在当前时刻的位姿，目标位姿为机械臂需要变换至的位姿，在确定当前位姿和目标位姿之后，可以通过逆运动学计算得到相应的机械臂运动轨迹。本实施例中的机械臂可以为：零件装配机械臂、膜料喷涂机械臂、手术机械臂等。

具体的，本实施例可以通过以下方式确定机械臂运动轨迹：根据所述当前位姿对所述目标位姿进行逆运动学计算，得到所述机械臂的坐标变化序列；根据所述机械臂的尺寸参数和所述坐标变化序列确定每一所述机械臂的机械臂运动轨迹。

可以理解的是，每一机械臂都有其对应的当前位姿和目标位姿，相应的每一机械臂均有对应的机械臂运动轨迹，上述机械臂运动轨迹包括机械臂坐标与时间的对应关系，根据机械臂运动轨迹可以确定机械臂运动过程中任意时刻的机械臂位姿。

S102：根据所述机械臂运动轨迹确定目标机械臂集合；

其中，上述目标机械臂集合包括最近臂间距离在预设范围内的机械臂，臂间距离指机械臂之间的距离，由于机械臂在沿机械臂运动轨迹运动的过程中，机械臂位姿不断变化，因此不同时刻的臂间距离也不相同，最近臂间距离指机械臂在运动过程中的最小间距。

目标机械臂集合中的机械臂均存在与自身的最小臂间距离在预设范围内的其他机械臂，因此若按机械臂运动轨迹变换位姿目标机械臂集合中的机械臂均为发生碰撞现象。

S103：锁定所述目标机械臂集合中的机械臂。

其中，为了避免出现机械臂碰撞的情况，本实施例锁定目标机械臂集合中的机械臂，处于锁定状态下的机械臂不继续运动。具体的，可以通过将关节电机的速度设置为0锁定机械臂。

作为一种可行的实施方式，本实施例可以通过以下方式锁定机械臂：确定碰撞预估时间点；在所述碰撞预估时间点之前锁定所述目标机械臂集合中的机械臂。其中，在两个机械臂碰撞之前，臂间距离不在预设范围内；在机械臂碰撞时，臂间距离在预设范围内；因此机械臂碰撞前后存在臂间距离由大变小的过程，上述碰撞预估时间点为：所述机械臂按照所述机械臂运动轨迹运动的过程中，臂间距离第一次处于所述预设范围内的时间点，即臂间距离在预设范围内的临界点。例如，在第1秒时机械臂A和机械臂B之间的最近距离（即臂间距离）为1.5厘米，第1.5秒时机械臂A和机械臂B之间的最近距离为1厘米，第2秒时机械臂A和机械臂B之间的最近距离为0.8厘米，第2.5秒时机械臂A和机械臂B之间的最近距离为0.6厘米，若上述预设范围为[0，1]厘米，且在第1.5秒之前机械臂A和机械臂B之间的最近距离一直大于1厘米，此时可以判定碰撞预估时间点为第1.5秒。本实施例可以通过模拟计算确定碰撞预估时间。上述用于判断机械臂碰撞的预设范围可以根据机械臂的尺寸参数和信号传递时延确定，机械臂的尺寸参数越大碰撞产生的损失越大，因此机械臂的尺寸参数与预设范围的跨度正相关；信号传递时延指：从向机械臂发送锁定信号到机械臂执行锁定动作之间消耗的时间，因此信号传递时延与预设范围的跨度正相关。在碰撞预估时间点之前机械臂未碰撞，在碰撞预估时间点时机械臂恰好发生碰撞或在碰撞预估时间点之后机械臂将要发生碰撞。

本实施例根据机械臂的当前位姿和目标位姿确定机械臂运动轨迹，当机械臂的运动轨迹重叠或靠近时将会出现机械臂碰撞的情况，本实施例根据臂间距离在预设范围内的机械臂构建机械臂集合，并锁定目标机械臂集合中的机械臂，以便在机械臂碰撞之前停止机械臂的运动。本方案能够对机械臂碰撞事件进行干预，降低机械臂的碰撞率。

作为对于图1对应实施例的进一步介绍，在根据所有机械臂的当前位姿和目标位姿确定每一所述机械臂的机械臂运动轨迹之前，还可以通过方式1确定机械臂的当前位姿，通过方式2确定机械臂的目标位姿。方式1：获取所有所述机械臂的关节电机数据，并根据所述关节电机数据确定每一所述机械臂的当前位姿；方式2：接收触觉反馈设备（又称力反馈设备）或摇杆控制器传输的控制指令，并根据所述控制指令确定每一所述机械臂的目标位姿。

作为对于图1对应实施例的进一步介绍，在根据所述机械臂运动轨迹确定目标机械臂集合之后，还可以存在判断目标机械臂集合是否为空的操作；若所述目标机械臂集合为空，则说明不会存在机械臂碰撞的情况，此时可以控制每一所述机械臂按照所述机械臂运动轨迹运动；若所述目标机械臂集合不为空，则可以执行锁定目标机械臂集合中的机械臂的操作，并发送预警信号；其中，所述预警信号包括声音信号和/或光信号。

作为对于图1对应实施例的进一步介绍，在锁定所述目标机械臂集合中的机械臂之后，还可以存在重新生成机械臂运动轨迹的操作，具体过程如下：确定机械臂碰撞位置，并将所述机械臂碰撞位置作为约束条件生成新的机械臂运动轨迹，以便控制所述机械臂按照所述新的机械臂运动轨迹运动。上述约束条件可以为新的机械臂运动轨迹不经过机械臂碰撞位置。

下面通过在实际应用中的实施例说明上述实施例描述的流程。请参见图2，图2为本申请实施例所提供的一种防止机械臂碰撞的预警方法的流程图，本实施例通过确定机械臂上各个关节在室内的坐标位置，得到机械臂上各个连接臂的坐标位置，通过将各个机械臂的坐标进行比对，判定各个机械臂之间的位置关系；当机械臂之间处于远离状态时，机器人主机不发出预警信息，当机械臂之间接近至预警范围位置之内或发生碰撞时，机器人主机发出预警信息并自锁，当机械臂进行自锁后，需人工输入解锁信号，解除自锁状态，对器械进行复位操作。

步骤1：确定坐标原点位置；

其中，机械臂安装于机器人，可以将机器人的底座作为坐标原点。

步骤2：获取室内各个机械臂上关节电机的数据，并根据关节数据计算得到各个机械臂的当前坐标位置；

在机械臂进行操作前，机械臂处于初始的状态位置，此时获取到机械臂上各个关节电机的电机角度。所获取的数据还可以包括电机角速度、电机温度、电机线速度，这些数据用于检测关节电机的运行状态。

步骤3：获取确定机械臂的目标坐标位置（目标位姿），并根据当前坐标位置（当前位姿）与目标坐标位置确定每条机械臂的运行轨迹及坐标；

串联型机械臂可以用D-H建模法来描述机械臂的结构特征，本系统采用的UR5机械臂为6轴串联型机械臂，其D-H模型如表1所示：

表 1 D-H模型参数表

上表中，a_i为沿着X_i轴从Z_i移动到Z_i+1的距离，α_i-1为绕着X_i轴从Z_i移动到Z_i+1的角度，d_i为沿着Z_i轴从X_i-1移动到X_i的距离，θ_i为绕着Z_i轴从X_i-1移动到X_i的角度，i表示关节序号。

本实施例中的机械臂可以设置有工具导向器（如套管），上述工具导向器用于辅助操作器械进入操作对象内部。在本控制系统中，存在第7个自由度，即：滑台。由于滑台被固定在UR的最后一个关节J6上，因此可以用TCP（刀具中心点）来表示，可以将工具导向器与操作对象表面接触的点作为TCP点或RCM点。

由于机械的装配过程总会存在误差，D-H模型中的参数需要与实际的机械臂参数进行校准。校准主要分为两个部分：（1）对于机械臂本体来说，采用设备出厂时自带的校准文件来进行校准；（2）对于第七个自由度滑台TCP来说，采用四点校准外加最小二乘法进行预估TCP值，以此来提高D-H模型的精度。

具体地，通过正运动学求解机械臂的位置坐标的过程包括：

根据上述的D-H模型，使用以下D-H矩阵来计算每个关节间的齐次变换矩阵：

利用D-H表中的参数，计算前一关节i-1到下一关节i的变换矩阵，乘以所有6个关节的变换矩阵，得到从基坐标系到最后一个关节坐标系的变换矩阵T₁₆₌T₁T₂T₃T₄T₅T₆，而此时RCM（Remote center motion，远程运动中心点）的位置为：P_RCM=T₁₆·P_TCP，其中， P_TCP可以通过CAD或者solidworks理论模型或者实际的TCP测量估计得到。在机械臂的操作过程中，机械臂的器械会插入被操作对象内部，因此器械尖端的空间位置P_Tool=T₁₆·（P_TCP+P_Insertion），P_TCP为刀具中心点的位置， P_Insertion为仪器在被操作对象内部的实际长度（即插入深度）。

步骤4：根据判断标准，比对各个机械臂运行时的坐标数据；

本步骤可以判断各个机械臂之间或机械臂与其他器材之间的坐标数据是否发生接近或者重叠，若接近或重叠则说明满足判断标准。

步骤410：当满足判断标准时，机械臂可能发生碰撞问题，此时机械臂进行预警并自锁；

这里的碰撞包括接近和碰撞，当发生接近和碰撞时，主机向预警器发送预警信号。这里的预警信号可以为声、光信号。在发送预警信号后，主机还可以同时向关节电机发生自锁信号，关节电机上的自锁器自锁，机械臂无法移动。

步骤411：当机械臂自锁后，发送解锁信号，机械臂复位。

解锁信号需要由人工按压解锁按钮的方式解除，当自锁解除后，操作人员可以通过手动驱动的方式将碰撞或者接近的机械臂分开。

步骤420：当不满足判断标准时，机械臂正常运行。

本实施例能够对可能发生碰撞时的危险操作发出预警，提醒操作人员进行处理异常碰撞的问题，从而避免机械臂在运行过程之间相互碰撞。本实施例还在发生碰撞后进行自锁，降低机械臂之间碰撞程度，保护机械臂。

本申请实施例还提供一种机械臂防碰撞装置，该装置可以包括：

进一步的，机械臂锁定模块用于确定碰撞预估时间点；其中，所述碰撞预估时间点为：所述机械臂按照所述机械臂运动轨迹运动的过程中，臂间距离第一次处于所述预设范围内的时间点；还用于在所述碰撞预估时间点之前锁定所述目标机械臂集合中的机械臂。

进一步的，轨迹确定模块用于根据所述当前位姿对所述目标位姿进行逆运动学计算，得到所述机械臂的坐标变化序列；还用于根据所述机械臂的尺寸参数和所述坐标变化序列确定每一所述机械臂的机械臂运动轨迹。

进一步的，还包括：

当前位姿确定模块，用于获取所有所述机械臂的关节电机数据，并根据所述关节电机数据确定每一所述机械臂的当前位姿；

目标位姿确定模块，用于接收触觉反馈设备或摇杆控制器传输的控制指令，并根据所述控制指令确定每一所述机械臂的目标位姿。

进一步的，还包括：

机械臂控制模块，用于在根据所述机械臂运动轨迹确定目标机械臂集合之后，若所述目标机械臂集合为空，则控制每一所述机械臂按照所述机械臂运动轨迹运动。

进一步的，还包括：

预警模块，用于在根据所述机械臂运动轨迹确定目标机械臂集合之后，若所述目标机械臂集合不为空，则发送预警信号；其中，所述预警信号包括声音信号和/或光信号。

进一步的，还包括：

轨迹重新生成模块，用于在锁定所述目标机械臂集合中的机械臂之后，确定机械臂碰撞位置，并将所述机械臂碰撞位置作为约束条件生成新的机械臂运动轨迹，以便控制所述机械臂按照所述新的机械臂运动轨迹运动。

由于装置部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此装置部分的实施例请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

本申请还提供了一种存储介质，其上存有计算机程序，该计算机程序被执行时可以实现上述实施例所提供的步骤。该存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（Read-Only Memory ，ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory ，RAM）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本申请还提供了一种机器人，可以包括存储器、处理器和切换按键，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现上述机械臂防碰撞方法的步骤，所述切换按键用于将机械臂的控制方式切换为触觉反馈设备远端控制或摇杆控制器近端控制。当然所述机器人还可以包括各种网络接口，电源等组件。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims

1.一种机械臂防碰撞方法，其特征在于，包括：

锁定所述目标机械臂集合中的机械臂；

其中，锁定所述目标机械臂集合中的机械臂，包括：

确定碰撞预估时间点；其中，所述碰撞预估时间点为：所述机械臂按照所述机械臂运动轨迹运动的过程中，所述臂间距离第一次处于所述预设范围内的时间点；

2.根据权利要求1所述机械臂防碰撞方法，其特征在于，所述根据所有机械臂的当前位姿和目标位姿确定每一所述机械臂的机械臂运动轨迹，包括：

3.根据权利要求1所述机械臂防碰撞方法，其特征在于，在根据所有机械臂的当前位姿和目标位姿确定每一所述机械臂的机械臂运动轨迹之前，还包括：

4.根据权利要求1所述机械臂防碰撞方法，其特征在于，在根据所述机械臂运动轨迹确定目标机械臂集合之后，还包括：

5.根据权利要求1所述机械臂防碰撞方法，其特征在于，在根据所述机械臂运动轨迹确定目标机械臂集合之后，还包括：

6.根据权利要求1至5任一项所述机械臂防碰撞方法，其特征在于，在锁定所述目标机械臂集合中的机械臂之后，还包括：

7.一种机械臂防碰撞装置，其特征在于，包括：

机械臂锁定模块，用于锁定所述目标机械臂集合中的机械臂；

其中，所述机械臂锁定模块用于确定碰撞预估时间点；其中，所述碰撞预估时间点为：所述机械臂按照所述机械臂运动轨迹运动的过程中，所述臂间距离第一次处于所述预设范围内的时间点；所述机械臂锁定模块还用于在所述碰撞预估时间点之前锁定所述目标机械臂集合中的机械臂。

8.一种机器人，其特征在于，包括存储器、处理器和切换按键，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述机械臂防碰撞方法的步骤，所述切换按键用于将机械臂的控制方式切换为触觉反馈设备远端控制或摇杆控制器近端控制。

9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器加载并执行时，实现如权利要求1至6任一项所述机械臂防碰撞方法的步骤。