CN114274147A - 目标跟踪控制方法及装置、机械臂控制设备和存储介质 - Google Patents
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- CN114274147A CN114274147A CN202210123654.8A CN202210123654A CN114274147A CN 114274147 A CN114274147 A CN 114274147A CN 202210123654 A CN202210123654 A CN 202210123654A CN 114274147 A CN114274147 A CN 114274147A
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Abstract
本申请提供一种目标跟踪控制方法及装置、机械臂控制设备和存储介质，涉及机器臂控制技术领域。本申请在获取到智能机械臂的作业工具末端在当前控制时刻的实时作业位姿和实时位姿变化速度，以及待处理目标在当前控制时刻的实时目标位姿后，会根据实时作业位姿及实时目标位姿，调用针对待处理目标的位姿时变速度场模型，计算从实时作业位姿指向实时目标位姿的目标位姿变化速度，接着基于实时位姿变化速度对目标位姿变化速度进行速度场平滑处理，得到作业工具末端的期望位姿变化速度，然后按照期望位姿变化速度控制智能机械臂针对待处理目标进行跟踪运动，从而连续且稳定地对待处理目标进行实时跟踪，提升机械臂驱动灵活性。
Description
技术领域
本申请涉及机器臂控制技术领域，具体而言，涉及一种目标跟踪控制方法及装置、机械臂控制设备和存储介质。
背景技术
随着科学技术的不断发展，机器人技术因具有极大的研究价值及应用价值受到了各行各业的广泛重视，其中机械臂控制技术便是对工业生产行业的一项极为重要的应用技术。机械臂控制技术在实际应用过程中往往需要智能机械臂使用安装的作业工具在运动目标上执行相关作业动作(例如，抓取动作、涂胶动作及装配动作等)。
而值得注意的是，传统的机械臂控制方案需要对运动目标进行轨迹预测以确定合适的作业工作点，再利用离线规划指令控制智能机械臂前往作业工作点并在该运动目标运动到作业工作点时针对该运动目标执行对应的作业动作。在此情况下，传统的机械臂控制方案明显无法实现智能机械臂对运动目标的实时跟踪效果，整体的机械臂驱动灵活性不强。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种目标跟踪控制方法及装置、机械臂控制设备和存储介质，能够连续且稳定地对待处理目标进行实时跟踪，提升机械臂驱动灵活性。
为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种目标跟踪控制方法，所述方法包括：
获取智能机械臂的作业工具末端在当前控制时刻的实时作业位姿和实时位姿变化速度，以及待处理目标在当前控制时刻的实时目标位姿；
根据所述实时作业位姿以及所述实时目标位姿，调用针对所述待处理目标的位姿时变速度场模型，计算从所述实时作业位姿指向所述实时目标位姿的目标位姿变化速度；
基于所述实时位姿变化速度对所述目标位姿变化速度进行速度场平滑处理，得到所述作业工具末端在当前控制时刻的期望位姿变化速度；
按照所述作业工具末端的期望位姿变化速度控制所述智能机械臂针对所述待处理目标进行跟踪运动。
在可选的实施方式中，所述位姿时变速度场模型包括第一速度场模型及第二速度场模型；
所述第一速度场模型的模型表达式如下所示：
所述第二速度场模型的模型表达式如下所示：
其中，V用于表示所述目标位姿变化速度，Pc用于表示所述智能机械臂的作业工具末端在当前控制时刻的实时作业位姿，Pt用于表示所述待处理目标在当前控制时刻的实时目标位姿，Vmax用于表示所述位姿时变速度场模型的最大位姿变化速度矢量，Amax用于表示所述位姿时变速度场模型的最大位姿变化加速度矢量，Cv用于表示所述位姿时变速度场模型的速度场动态缩放系数。
在可选的实施方式中，所述基于所述实时位姿变化速度对所述目标位姿变化速度进行速度场平滑处理，得到所述作业工具末端在当前控制时刻的期望位姿变化速度的步骤，包括：
根据所述实时位姿变化速度及所述目标位姿变化速度，计算所述作业工具末端在当前控制时刻的期望速度增量；
以所述作业工具末端在上一控制时刻的期望速度增量，作为所述作业工具末端在当前控制时刻的实际速度增量；
在所述实时位姿变化速度的基础上根据所述作业工具末端在当前控制时刻的期望速度增量和实际速度增量进行速度平滑扩增处理，得到所述作业工具末端在当前控制时刻的期望位姿变化速度。
在可选的实施方式中，所述作业工具末端在某个控制时刻的期望速度增量的增量计算表达式如下所示：
At＝ka(V-Vc)；
其中，V用于表示所述作业工具末端在所述某个控制时刻的目标位姿变化速度，Vc用于表示所述作业工具末端在所述某个控制时刻的实时位姿变化速度，At用于表示所述作业工具末端在所述某个控制时刻的期望速度增量，ka用于表示所述作业工具末端的速度场增量系数。
在可选的实施方式中，对所述作业工具末端在某个控制时刻的实时位姿变化速度进行速度平滑扩增处理时的平滑扩增表达式如下所示：
Vt＝(kv(At-Ac)+Ac)+Vc；
其中，Vt用于表示所述作业工具末端在所述某个控制时刻的期望位姿变化速度，Vc用于表示所述作业工具末端在所述某个控制时刻的实时位姿变化速度，At用于表示所述作业工具末端在所述某个控制时刻的期望速度增量，Ac用于表示所述作业工具末端在所述某个控制时刻的实际速度增量，kv用于表示所述作业工具末端的速度变化增量系数。
在可选的实施方式中，所述按照所述作业工具末端的期望位姿变化速度控制所述智能机械臂针对所述待处理目标进行跟踪运动的步骤，包括：
根据所述智能机械臂的机械臂末端及作业工具末端之间的相对位置关系，对所述作业工具末端的期望位姿变化速度进行速度转换，得到所述机械臂末端在当前时刻的期望位姿变化速度；
根据所述机械臂末端的期望位姿变化速度，计算所述智能机械臂的所有机械臂关节各自在对应关节空间下满足机器人运动学规律的期望关节位置；
针对所述智能机械臂的每个机械臂关节，按照计算出的该机械臂关节在对应关节空间下的期望关节位置控制该机械臂关节进行运动。
第二方面，本申请提供一种目标跟踪控制装置，所述装置包括：
作业状况获取模块，用于获取智能机械臂的作业工具末端在当前控制时刻的实时作业位姿和实时位姿变化速度，以及待处理目标在当前控制时刻的实时目标位姿；
位姿速度计算模块，用于根据所述实时作业位姿以及所述实时目标位姿，调用针对所述待处理目标的位姿时变速度场模型，计算从所述实时作业位姿指向所述实时目标位姿的目标位姿变化速度；
位姿速度平滑模块，用于基于所述实时位姿变化速度对所述目标位姿变化速度进行速度场平滑处理，得到所述作业工具末端在当前控制时刻的期望位姿变化速度；
跟踪运动控制模块，用于按照所述作业工具末端的期望位姿变化速度控制所述智能机械臂针对所述待处理目标进行跟踪运动。
在可选的实施方式中，所述位姿时变速度场模型包括第一速度场模型及第二速度场模型；
所述第一速度场模型的模型表达式如下所示：
所述第二速度场模型的模型表达式如下所示：
其中，V用于表示所述目标位姿变化速度，Pc用于表示所述智能机械臂的作业工具末端在当前控制时刻的实时作业位姿，Pt用于表示所述待处理目标在当前控制时刻的实时目标位姿，Vmax用于表示所述位姿时变速度场模型的最大位姿变化速度矢量，Amax用于表示所述位姿时变速度场模型的最大位姿变化加速度矢量，Cv用于表示所述位姿时变速度场模型的速度场动态缩放系数。
第三方面，本申请提供一种机械臂控制设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机程序，所述处理器可执行所述计算机程序，以实现前述实施方式中任意一项所述的目标跟踪控制方法。
第四方面，本申请提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现前述实施方式中任意一项所述的目标跟踪控制方法。
在此情况下，本申请实施例的有益效果包括以下内容：
本申请在获取到智能机械臂的作业工具末端在当前控制时刻的实时作业位姿和实时位姿变化速度，以及待处理目标在当前控制时刻的实时目标位姿后，会根据实时作业位姿以及实时目标位姿，调用针对待处理目标的位姿时变速度场模型，计算从实时作业位姿指向实时目标位姿的目标位姿变化速度，接着基于实时位姿变化速度对目标位姿变化速度进行速度场平滑处理，得到作业工具末端在当前控制时刻的期望位姿变化速度，然后按照作业工具末端的期望位姿变化速度控制智能机械臂针对待处理目标进行跟踪运动，从而确保智能机械臂的运动状况平稳且连续地与待处理目标的运动状况匹配，以连续且稳定地对待处理目标进行实时跟踪，提升机械臂驱动灵活性。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本申请实施例提供的机械臂控制设备的组成示意图；
图2为本申请实施例提供的智能机械臂的组成示意图；
图3为本申请实施例提供的目标跟踪控制方法的流程示意图；
图4为图3中的步骤S230包括的子步骤的流程示意图；
图5为图3中的步骤S240包括的子步骤的流程示意图；
图6为本申请实施例提供的目标跟踪控制装置的组成示意图。
图标：10-机械臂控制设备；11-存储器；12-处理器；13-通信单元；20-智能机械臂；21-机械臂基座；22-机械臂末端；23-作业工具；100-目标跟踪控制装置；110-作业状况获取模块；120-位姿速度计算模块；130-位姿速度平滑模块；140-跟踪运动控制模块。
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。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。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，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。在没有更多限制的情况下，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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
申请人通过辛苦调研发现，现有机械臂控制方案针对运动目标存在两种实现形式：(1)仅依赖视觉数据对运动目标的运动经过位置进行预测，进而控制智能机械臂前往运动经过位置以对运动到该运动经过位置的运动目标进行相关作业；(2)结合机器人运动规划对轨迹预测的运动目标在轨迹重叠位置进行相关作业。这三种实现方式往往导致跟踪结果不理想，与运动目标的实际运动状况不匹配，无法实现高频率的目标跟踪效果，且对应的作业效率及作业成功率不佳。
为此，申请人通过研发一种目标跟踪控制方法及装置、机械臂控制设备和存储介质，使智能机械臂能够平稳且连续地对待处理目标进行实时跟踪，有效提升智能机械臂的作业效率及作业成功率，确保机械臂驱动灵活性，来解决前述现有针对运动目标的机械臂控制方案所存在的技术问题。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
请参照图1，图1是本申请实施例提供的机械臂控制设备10的组成示意图。在本申请实施例中，所述机械臂控制设备10用于对智能机械臂的具体运动状况进行控制，使智能机械臂的运动状况平稳且连续地与待处理目标的运动状况匹配，实现智能机械臂对待处理目标的实时跟踪作业，提升智能机械臂在所述待处理目标上作业时的作业效率及作业成功率，确保机械臂驱动灵活性。其中，所述机械臂控制设备10可以与智能机械臂远程通信连接，也可以与所述智能机械臂集成在一起，用以实现对所述智能机械臂的运动控制功能。
在本实施例中，所述机械臂控制设备10可以包括存储器11、处理器12、通信单元13及目标跟踪控制装置100。其中，所述存储器11、所述处理器12及所述通信单元13各个元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，所述存储器11、所述处理器12及所述通信单元13这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。
在本实施例中，所述存储器11可以是，但不限于，随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(ProgrammableRead-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EEPROM)等。其中，所述存储器11用于存储计算机程序，所述处理器12在接收到执行指令后，可相应地执行所述计算机程序。
在本实施例中，所述处理器12可以是一种具有信号的处理能力的集成电路芯片。所述处理器12可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)及网络处理器(Network Processor，NP)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件中的至少一种。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。
在本实施例中，所述通信单元13用于通过网络建立所述机械臂控制设备10与其他电子设备之间的通信连接，并通过所述网络收发数据，其中所述网络包括有线通信网络及无线通信网络。例如，所述机械臂控制设备10可以通过所述通信单元13从监控设备处获取待处理目标在当前控制时刻的实时位姿图像，以通过所述实时位姿图像确定所述待处理目标的实时目标位姿。
在本实施例中，所述目标跟踪控制装置100包括至少一个能够以软件或固件的形式存储于所述存储器11中或者固化在所述机械臂控制设备10的操作系统中的软件功能模块。所述处理器12可用于执行所述存储器11存储的可执行模块，例如所述目标跟踪控制装置100所包括的软件功能模块及计算机程序等。所述机械臂控制设备10能够通过所述目标跟踪控制装置100实现智能机械臂对待处理目标的实时跟踪作业，提升智能机械臂的作业效率及作业成功率，确保机械臂驱动灵活性。
可以理解的是，图1所示的框图仅为所述机械臂控制设备10的一种组成示意图，所述机械臂控制设备10还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。图1中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。
而对智能机械臂来说，可以参照图2所示的智能机械臂20的组成示意图，对所述智能机械臂20的具体组成分布状况进行描述。在本申请实施例中，所述智能机械臂20可以包括机械臂基座21、多个机械臂杆、多个机械臂关节、机械臂末端22及作业工具23，其中多个机械臂杆通过多个机械臂关节相互铰接，相邻两个机械臂杆通过一个机械臂关节铰接在一起，相互铰接的多个机械臂杆中的首个机械臂杆通过一个机械臂关节与所述机械臂基座21铰接，而相互铰接的多个机械臂杆中末尾机械臂杆与所述机械臂末端22固定安装在一起，所述作业工具23安装在所述机械臂末端22上，其中所述作业工具23用于在待处理目标上执行与所述智能机械臂20所需实现功能(例如，装配功能、抓取功能等)匹配的作业动作。
在此过程中，可在机械臂基座21处构建其匹配的机械臂基坐标系B来描述整个智能机械臂20的具体运动状况，在机械臂末端22处构建其匹配的末端坐标系E来描述机械臂末端22的具体运动状况，在作业工具23的末端位置处构建匹配的工具坐标系T来描述作业工具23的末端运动状况。
在本申请中，为确保所述机械臂控制设备10能够有效确保智能机械臂20的运动状况平稳且连续地与待处理目标的运动状况匹配，以连续且稳定地对待处理目标进行实时跟踪，提升机械臂驱动灵活性，本申请实施例提供一种目标跟踪控制方法实现前述目的。下面对本申请提供的目标跟踪控制方法进行详细描述。
请参照图3，图3是本申请实施例提供的目标跟踪控制方法的流程示意图。在本申请实施例中，所述目标跟踪控制方法可以包括步骤S210～步骤S240。
步骤S210，获取智能机械臂的作业工具末端在当前控制时刻的实时作业位姿和实时位姿变化速度，以及待处理目标在当前控制时刻的实时目标位姿。
在本实施例中，所述智能机械臂20的作业工具23末端在当前控制时刻的实时作业位姿包括所述作业工具23末端在所述机械臂基坐标系B下的实时作业位置及实时作业姿态，所述智能机械臂20的作业工具23末端在当前控制时刻的实时位姿变化速度包括所述作业工具23末端在所述机械臂基坐标系B下的实时位置变化速度及实时姿态变化速度，所述待处理目标在当前控制时刻的实时目标位姿包括所述待处理目标在所述机械臂基坐标系B下的实时目标位置及实时目标姿态。
步骤S220，根据实时作业位姿以及实时目标位姿，调用针对待处理目标的位姿时变速度场模型，计算从实时作业位姿指向实时目标位姿的目标位姿变化速度。
在本实施例中，当所述机械臂控制设备10得到所述作业工具23末端在当前控制时刻的实时作业位姿，以及所述待处理目标在当前控制时刻的实时目标位姿后，会相应调用所述智能机械臂20针对待处理目标的位姿时变速度场模型，以所述待处理目标的实时目标位姿为场中心且以所述作业工具23末端的实时作业位姿为场边缘建立匹配的笛卡尔运动速度场，进而通过构建出的笛卡尔运动速度场输出用于驱动所述智能机械臂20的作业工具23末端从所述实时作业位姿指向所述实时目标位姿进行运动的目标位姿变化速度。
在本实施例中，所述位姿时变速度场模型可以包括第一速度场模型及第二速度场模型，所述第一速度场模型的模型表达式如下所示：
所述第二速度场模型的模型表达式如下所示：
其中，V用于表示所述目标位姿变化速度，Pc用于表示所述智能机械臂20的作业工具23末端在当前控制时刻的实时作业位姿，Pt用于表示所述待处理目标在当前控制时刻的实时目标位姿，Vmax用于表示所述位姿时变速度场模型的最大位姿变化速度矢量，Amax用于表示所述位姿时变速度场模型的最大位姿变化加速度矢量，Cv用于表示所述位姿时变速度场模型的速度场动态缩放系数。
因此，当所述机械臂控制设备10确定当前控制时刻的所述实时作业位姿与所述实时目标位姿之间的位姿偏差超过
时，所述机械臂控制设备10将调用第一速度场模型来计算当前控制时刻的目标位姿变化速度，此时所述目标位姿变化速度即为与当前控制时刻的实时作业位姿无关的常数向量。
当所述机械臂控制设备10确定当前控制时刻的所述实时作业位姿与所述实时目标位姿之间的位姿偏差小于
时，所述机械臂控制设备10将调用第二速度场模型来计算当前控制时刻的目标位姿变化速度，此时所述目标位姿变化速度与当前控制时刻的实时作业位姿相关，随着所述实时作业位姿越接近所述实时目标位姿，所述目标位姿变化速度将逐渐减小，如果所述作业工具23末端表现出所述实时目标位姿，则所述目标位姿变化速度即为零向量，所述智能机械臂20暂时静止不动。
步骤S230，基于实时位姿变化速度对目标位姿变化速度进行速度场平滑处理，得到作业工具末端在当前控制时刻的期望位姿变化速度。
在本实施例中，所述机械臂控制设备10在确定出所述作业工具23末端在当前控制时刻从所述实时作业位姿指向所述实时目标位姿的目标位姿变化速度后，为提升所述智能机械臂20的运动稳定性，所述机械臂控制设备10将基于所述作业工具23末端在当前控制时刻的实时位姿变化速度，对当前控制时刻的目标位姿变化速度进行速度场平滑处理，使所述智能机械臂20在按照处理得到的作业工具23末端的期望位姿变化速度运动时能够表现出平滑过度的运动状态，从而确保智能机械臂20的运动状况平稳且连续地与待处理目标的运动状况匹配，以连续且稳定地对待处理目标进行实时跟踪，有效提升智能机械臂20在待处理目标上进行作业时的作业效率及作业成功率，确保机械臂驱动灵活性。
可选地，请参照图4，图4是图3中的步骤S230包括的子步骤的流程示意图。在本申请实施例中，所述步骤S230可以包括子步骤S231～子步骤S233，以完成对所述目标位姿变化速度的速度场平滑处理操作。
子步骤S231，根据实时位姿变化速度及目标位姿变化速度，计算作业工具末端在当前控制时刻的期望速度增量。
在本实施例中，当所述机械臂控制设备10在确定出所述作业工具23末端的与当前控制时刻对应的实时位姿变化速度及目标位姿变化速度后，可相应调用计算期望速度增量的增量计算表达式，并代入所述作业工具23末端的与当前控制时刻对应的实时位姿变化速度及目标位姿变化速度，求解出所述作业工具23末端在当前控制时刻的期望速度增量。
其中，所述作业工具23末端在某个控制时刻的期望速度增量的增量计算表达式如下所示：
At＝ka(V-Vc)；
其中，V用于表示所述作业工具23末端在所述某个控制时刻的目标位姿变化速度，Vc用于表示所述作业工具23末端在所述某个控制时刻的实时位姿变化速度，At用于表示所述作业工具23末端在所述某个控制时刻的期望速度增量，ka用于表示所述作业工具23末端的速度场增量系数。
子步骤S232，以作业工具末端在上一控制时刻的期望速度增量，作为作业工具末端在当前控制时刻的实际速度增量。
在本实施例中，所述机械臂控制设备10按照本申请提供的目标跟踪控制方法控制所述智能机械臂20进行运动，则所述智能机械臂20的作业工具23末端在当前控制时刻的上一控制时刻的期望速度增量，即为所述作业工具23末端在当前控制时刻实现的实际速度增量。
子步骤S233，在实时位姿变化速度的基础上根据作业工具末端在当前控制时刻的期望速度增量和实际速度增量进行速度平滑扩增处理，得到作业工具末端在当前控制时刻的期望位姿变化速度。
在本实施例中，所述机械臂控制设备10可调用实现速度平滑扩增处理的平滑扩增表达式，并代入所述作业工具23末端的与当前控制时刻对应的实时位姿变化速度、期望速度增量及实际速度增量，求解出所述作业工具23末端在当前控制时刻的期望位姿变化速度，以完成对所述目标位姿变化速度的速度场平滑处理操作，提升所述智能机械臂20的运动稳定性。
其中，对所述作业工具23末端在某个控制时刻的实时位姿变化速度进行速度平滑扩增处理时的平滑扩增表达式如下所示：
Vt＝(kv(At-Ac)+Ac)+Vc；
其中，Vt用于表示所述作业工具23末端在所述某个控制时刻的期望位姿变化速度，Vc用于表示所述作业工具23末端在所述某个控制时刻的实时位姿变化速度，At用于表示所述作业工具23末端在所述某个控制时刻的期望速度增量，Ac用于表示所述作业工具23末端在所述某个控制时刻的实际速度增量，kv用于表示所述作业工具23末端的速度变化增量系数。
由此，本申请可通过执行上述子步骤S231～子步骤S233，完成对所述目标位姿变化速度的速度场平滑处理操作，提升所述智能机械臂20的运动稳定性。
步骤S240，按照作业工具末端的期望位姿变化速度控制智能机械臂针对待处理目标进行跟踪运动。
在本实施例中，当所述机械臂控制设备10计算出所述作业工具23末端在当前控制时刻的期望位姿变化速度时，可相应地基于所述作业工具23末端在当前控制时刻的期望位姿变化速度确定出所述智能机械臂20的各机械臂关节在自身关节空间下的期望关节位置，进而按照期望关节位置驱动所述智能机械臂20中对应机械臂关节进行运动，使所述智能机械臂20能够平稳且连续地实现对所述待处理目标进行实时跟踪，以有效提升所述智能机械臂20针对所述待处理目标的作业效率及作业成功率，确保机械臂驱动灵活性。
可选地，请参照图5，图5是图3中的步骤S240包括的子步骤的流程示意图。在本实施例中，所述步骤S240可以包括子步骤S241～子步骤S243，以有效控制所述智能机械臂20执行目标跟踪作业。
子步骤S241，根据智能机械臂的机械臂末端及作业工具末端之间的相对位置关系，对作业工具末端的期望位姿变化速度进行速度转换，得到机械臂末端在当前时刻的期望位姿变化速度。
在本实施例中，所述智能机械臂20在作业控制过程中的机械臂末端22与作业工具23末端并无相对运动，仅存在相对位置关系，则当所述机械臂控制设备10计算出所述作业工具23末端在当前控制时刻于所述机械臂基坐标系B下的期望位姿变化速度(包括所述作业工具23末端的期望位置变化速度及期望姿态变化速度)后，可通过速度转换处理得到所述机械臂末端22在当前时刻的期望位姿变化速度(包括所述机械臂末端22的期望位置变化速度及期望姿态变化速度)。其中，所述机械臂末端22在当前时刻的期望位姿变化速度与所述作业工具23末端的期望位姿变化速度之间的速度换算关系如下所示：
其中，
用于表示所述作业工具23末端在当前控制时刻于所述机械臂基坐标系B下的期望姿态变化速度，
用于表示所述机械臂末端22在当前控制时刻于所述机械臂基坐标系B下的期望姿态变化速度，
用于表示所述作业工具23末端在当前控制时刻于所述机械臂基坐标系B下的期望位置变化速度，
用于表示所述作业工具23末端在当前控制时刻于所述机械臂基坐标系B下的期望位置变化速度，
用于表示所述末端坐标系E到所述机械臂基坐标系B的姿态变换矩阵，
用于表示所述工具坐标系T在所述末端坐标系E下的位置矩阵，代表作业工具23末端与机械臂末端22的相对位置关系。
子步骤S242，根据机械臂末端的期望位姿变化速度，计算智能机械臂的所有机械臂关节各自在对应关节空间下满足机器人运动学规律的期望关节位置。
在本实施例中，当所述机械臂控制设备10确定出所述机械臂末端22在当前控制时刻的期望位姿变化速度后，可基于机器人运动学规律将所述机械臂末端22的期望位姿变化速度转换到所述智能机械臂20的所有机械臂关节各自在自身关节空间下的期望关节位置变化速度，再通过对每个机械臂关节在自身关节空间下的期望关节位置变化速度进行时域积分处理后，得到该机械臂关节在自身关节空间下的期望关节位置。
子步骤S243，针对智能机械臂的每个机械臂关节，按照计算出的该机械臂关节的期望关节位姿控制该机械臂关节进行位姿表达。
由此，本申请可通过执行上述子步骤S241～子步骤S243，有效控制所述智能机械臂20执行目标跟踪作业。
本申请也可通过执行上述步骤S210～步骤S240，使所述智能机械臂20能够平稳且连续地实现对所述待处理目标进行实时跟踪，有效提升智能机械臂20针对待处理目标的作业效率及作业成功率，确保机械臂驱动灵活性。
在本申请中，为确保所述机械臂控制设备10能够通过所述目标跟踪控制装置100执行上述目标跟踪控制方法，本申请通过对所述目标跟踪控制装置100进行功能模块划分的方式实现前述功能。下面对本申请提供的目标跟踪控制装置100的具体组成进行相应描述。
请参照图6，图6是本申请实施例提供的目标跟踪控制装置100的组成示意图。在本申请实施例中，所述目标跟踪控制装置100可以包括作业状况获取模块110、位姿速度计算模块120、位姿速度平滑模块130及跟踪运动控制模块140。
作业状况获取模块110，用于获取智能机械臂的作业工具末端在当前控制时刻的实时作业位姿和实时位姿变化速度，以及待处理目标在当前控制时刻的实时目标位姿。
位姿速度计算模块120，用于根据所述实时作业位姿以及所述实时目标位姿，调用针对所述待处理目标的位姿时变速度场模型，计算从所述实时作业位姿指向所述实时目标位姿的目标位姿变化速度。
位姿速度平滑模块130，用于基于所述实时位姿变化速度对所述目标位姿变化速度进行速度场平滑处理，得到所述作业工具末端在当前控制时刻的期望位姿变化速度。
跟踪运动控制模块140，用于按照所述作业工具末端的期望位姿变化速度控制所述智能机械臂针对所述待处理目标进行跟踪运动。
在此过程中，所述位姿时变速度场模型包括第一速度场模型及第二速度场模型，其中所述第一速度场模型的模型表达式如下所示：
所述第二速度场模型的模型表达式如下所示：
其中，V用于表示所述目标位姿变化速度，Pc用于表示所述智能机械臂20的作业工具23末端在当前控制时刻的实时作业位姿，Pt用于表示所述待处理目标在当前控制时刻的实时目标位姿，Vmax用于表示所述位姿时变速度场模型的最大位姿变化速度矢量，Amax用于表示所述位姿时变速度场模型的最大位姿变化加速度矢量，Cv用于表示所述位姿时变速度场模型的速度场动态缩放系数。
需要说明的是，本申请实施例所提供的目标跟踪控制装置100，其基本原理及产生的技术效果与前述的目标跟踪控制方法相同。为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的针对目标跟踪控制方法的描述内容。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个存储介质中。基于这样的理解，本申请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)执行本申请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-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
综上所述，在本申请提供的目标跟踪控制方法及装置、机械臂控制设备和存储介质中，本申请在获取到智能机械臂的作业工具末端在当前控制时刻的实时作业位姿和实时位姿变化速度，以及待处理目标在当前控制时刻的实时目标位姿后，会根据实时作业位姿以及实时目标位姿，调用针对待处理目标的位姿时变速度场模型，计算从实时作业位姿指向实时目标位姿的目标位姿变化速度，接着基于实时位姿变化速度对目标位姿变化速度进行速度场平滑处理，得到作业工具末端在当前控制时刻的期望位姿变化速度，然后按照作业工具末端的期望位姿变化速度控制智能机械臂针对待处理目标进行跟踪运动，从而确保智能机械臂的运动状况平稳且连续地与待处理目标的运动状况匹配，以连续且稳定地对待处理目标进行实时跟踪，提升机械臂驱动灵活性。
以上所述，仅为本申请的各种实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应当以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种目标跟踪控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取智能机械臂的作业工具末端在当前控制时刻的实时作业位姿和实时位姿变化速度，以及待处理目标在当前控制时刻的实时目标位姿；
根据所述实时作业位姿以及所述实时目标位姿，调用针对所述待处理目标的位姿时变速度场模型，计算从所述实时作业位姿指向所述实时目标位姿的目标位姿变化速度；
基于所述实时位姿变化速度对所述目标位姿变化速度进行速度场平滑处理，得到所述作业工具末端在当前控制时刻的期望位姿变化速度；
按照所述作业工具末端的期望位姿变化速度控制所述智能机械臂针对所述待处理目标进行跟踪运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述位姿时变速度场模型包括第一速度场模型及第二速度场模型；
所述第一速度场模型的模型表达式如下所示：
所述第二速度场模型的模型表达式如下所示：
其中，V用于表示所述目标位姿变化速度，Pc用于表示所述智能机械臂的作业工具末端在当前控制时刻的实时作业位姿，Pt用于表示所述待处理目标在当前控制时刻的实时目标位姿，Vmax用于表示所述位姿时变速度场模型的最大位姿变化速度矢量，Amax用于表示所述位姿时变速度场模型的最大位姿变化加速度矢量，Cv用于表示所述位姿时变速度场模型的速度场动态缩放系数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述实时位姿变化速度对所述目标位姿变化速度进行速度场平滑处理，得到所述作业工具末端在当前控制时刻的期望位姿变化速度的步骤，包括：
根据所述实时位姿变化速度及所述目标位姿变化速度，计算所述作业工具末端在当前控制时刻的期望速度增量；
以所述作业工具末端在上一控制时刻的期望速度增量，作为所述作业工具末端在当前控制时刻的实际速度增量；
在所述实时位姿变化速度的基础上根据所述作业工具末端在当前控制时刻的期望速度增量和实际速度增量进行速度平滑扩增处理，得到所述作业工具末端在当前控制时刻的期望位姿变化速度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述作业工具末端在某个控制时刻的期望速度增量的增量计算表达式如下所示：
At＝ka(V-Vc)；
其中，V用于表示所述作业工具末端在所述某个控制时刻的目标位姿变化速度，Vc用于表示所述作业工具末端在所述某个控制时刻的实时位姿变化速度，At用于表示所述作业工具末端在所述某个控制时刻的期望速度增量，ka用于表示所述作业工具末端的速度场增量系数。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述作业工具末端在某个控制时刻的实时位姿变化速度进行速度平滑扩增处理时的平滑扩增表达式如下所示：
Vt＝(kv(At-Ac)+Ac)+Vc；
其中，Vt用于表示所述作业工具末端在所述某个控制时刻的期望位姿变化速度，Vc用于表示所述作业工具末端在所述某个控制时刻的实时位姿变化速度，At用于表示所述作业工具末端在所述某个控制时刻的期望速度增量，Ac用于表示所述作业工具末端在所述某个控制时刻的实际速度增量，kv用于表示所述作业工具末端的速度变化增量系数。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述按照所述作业工具末端的期望位姿变化速度控制所述智能机械臂针对所述待处理目标进行跟踪运动的步骤，包括：
根据所述智能机械臂的机械臂末端及作业工具末端之间的相对位置关系，对所述作业工具末端的期望位姿变化速度进行速度转换，得到所述机械臂末端在当前时刻的期望位姿变化速度；
根据所述机械臂末端的期望位姿变化速度，计算所述智能机械臂的所有机械臂关节各自在对应关节空间下满足机器人运动学规律的期望关节位置；
针对所述智能机械臂的每个机械臂关节，按照计算出的该机械臂关节在对应关节空间下的期望关节位置控制该机械臂关节进行运动。
7.一种目标跟踪控制装置，其特征在于，所述装置包括：
作业状况获取模块，用于获取智能机械臂的作业工具末端在当前控制时刻的实时作业位姿和实时位姿变化速度，以及待处理目标在当前控制时刻的实时目标位姿；
位姿速度计算模块，用于根据所述实时作业位姿以及所述实时目标位姿，调用针对所述待处理目标的位姿时变速度场模型，计算从所述实时作业位姿指向所述实时目标位姿的目标位姿变化速度；
位姿速度平滑模块，用于基于所述实时位姿变化速度对所述目标位姿变化速度进行速度场平滑处理，得到所述作业工具末端在当前控制时刻的期望位姿变化速度；
跟踪运动控制模块，用于按照所述作业工具末端的期望位姿变化速度控制所述智能机械臂针对所述待处理目标进行跟踪运动。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述位姿时变速度场模型包括第一速度场模型及第二速度场模型；
所述第一速度场模型的模型表达式如下所示：
所述第二速度场模型的模型表达式如下所示：
其中，V用于表示所述目标位姿变化速度，Pc用于表示所述智能机械臂的作业工具末端在当前控制时刻的实时作业位姿，Pt用于表示所述待处理目标在当前控制时刻的实时目标位姿，Vmax用于表示所述位姿时变速度场模型的最大位姿变化速度矢量，Amax用于表示所述位姿时变速度场模型的最大位姿变化加速度矢量，Cv用于表示所述位姿时变速度场模型的速度场动态缩放系数。
9.一种机械臂控制设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机程序，所述处理器可执行所述计算机程序，以实现权利要求1-6中任意一项所述的目标跟踪控制方法。
10.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1-6中任意一项所述的目标跟踪控制方法。
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