CN114310918A - 一种人机协作下的机械臂轨迹生成与修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种人机协作下的机械臂轨迹生成与修正方法，包括：步骤S1，利用RVIZ人机界面设置初始目标点和控制模式；步骤S2，根据所述初始目标点和控制模式进行路径生成及调整，包括：将初始目标点投影于示教轨迹平面，再利用罗德里格旋转公式生成三维路径；步骤S3，针对存在多种形状障碍物的复杂操作环境，通过插入交互点对轨迹形状进行修正的方法进行轨迹平滑；步骤S4，针对得到的轨迹点采用机械臂逆运动学求解，得到目标关节角度；步骤S5，对目标关节角度进行仿真，得到运动过程关节角度，将所述运动过程关节角度返回值RVIZ人机界面。
Description
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种人机协作下的机械臂轨迹生成与修正方法。
背景技术
在人机交互场景中，机器人周围的环境是复杂和动态的，在这种环境下机器人传统的轨迹规划技术容易和环境发生碰撞，产生安全事故。为保证机器人能够在动态复杂的生活环境中完成机械臂操作任务，如抓取物体，机器人需要具有一定的避障能力。目前已有的技术方案主要包括以下两种：
1、全局避障算法
该算法由于需要全局建模或搜索最优解，计算过程比较耗时、实时性低。
2、局部避障算法
该算法主要采用 DMP 模型结合人工势场法，该技术需要具体的障碍物信息来计算障碍物附近的排斥力，为了简便计算，障碍物全部用包络球表示．但当障碍物形状与球形相差较大时，包络球占据较大的有效工作空间，可能会造成无解。
上述技术方式的主要缺陷与不足在于：计算过程比较耗时、实时性低，不灵活，需要多次学习人体避障动作，过程相对复杂。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种人机协作下的机械臂轨迹生成与修正方法。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种人机协作下的机械臂轨迹生成与修正方法，包括如下步骤：
步骤S1，利用RVIZ人机界面设置初始目标点和控制模式；
步骤S2，根据所述初始目标点和控制模式进行路径生成及调整，包括：将初始目标点投影于示教轨迹平面，再利用罗德里格旋转公式生成三维路径；
步骤S3，针对存在多种形状障碍物的复杂操作环境，通过插入交互点对轨迹形状进行修正的方法进行轨迹平滑；
步骤S4，针对得到的轨迹点采用机械臂逆运动学求解，得到目标关节角度；
步骤S5，对目标关节角度进行仿真，得到运动过程关节角度，将所述运动过程关节角度返回值RVIZ人机界面。
进一步，在所述步骤S3中，采用双抛物线插值算法使修正后的轨迹平滑。
进一步，在所述步骤S3中，所述通过插入交互点对轨迹形状进行修正的方法进行轨迹平滑,包括：在初始生成轨迹附近均匀加入调节交互点，在生成轨迹上提取离所有交互点最近的点作为调整点，基于调整点和交互点的距离采用双抛物线插值算法进行轨迹的修正。
进一步，在所述步骤S1中，所述控制模式为设置机械臂开环控制或闭环控制。
进一步，在所述步骤S2中，所述生成三维路径，包括：初始目标点投影于示教平面，根据示教平面内的示教轨迹生成中间轨迹，利用初始目标点和中间轨迹，通过罗德里格旋转公式生成三维路径。
进一步，在所述步骤S4中，通过机器人逆解器，输入轨迹点的笛卡尔坐标就能输出关节角度。
进一步，在所述步骤S5中，采用Gazebo物理仿真平台进行仿真，利用Gazebo内部采样算法得到运动关节角度。
根据本发明实施例的人机协作下的机械臂轨迹生成与修正方法，将目标点降为旋转生成三维轨迹，可以解决多自由度耦合时产生的轨迹形状畸变问题。本发明实施例的人机协作下的机械臂轨迹生成与修正方法，具有以下有益效果：计算过程耗时少、实时性高；避障更加灵活，能应对更复杂的情况；无需多次示教人体避障动作，过程相对简单。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的人机协作下的机械臂轨迹生成与修正方法的流程图；
图2为根据本发明实施例的人机协作下的机械臂轨迹生成与修正方法的交互示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1和图2所示，本发明实施例的人机协作下的机械臂轨迹生成与修正方法，包括如下步骤：
步骤S1，利用RVIZ人机界面设置初始目标点和控制模式。
在本发明的实施例中，控制模式为设置机械臂开环控制或闭环控制。
步骤S2，根据初始目标点和控制模式进行路径生成及调整，包括：将初始目标点投影于示教轨迹平面，再利用罗德里格旋转公式生成三维路径。
具体的，生成三维路径，包括：初始目标点投影于示教平面，根据示教平面内的示教轨迹生成中间轨迹，利用初始目标点和中间轨迹，通过罗德里格旋转公式生成三维路径。
步骤S3，针对存在多种形状障碍物的复杂操作环境，通过插入交互点对轨迹形状进行修正的方法进行轨迹平滑。
在步骤S3中，采用双抛物线插值算法使修正后的轨迹平滑。
具体的，通过插入交互点对轨迹形状进行修正的方法进行轨迹平滑,包括：在初始生成轨迹附近均匀加入调节交互点，在生成轨迹上提取离所有交互点最近的点作为调整点，基于调整点和交互点的距离采用双抛物线插值算法进行轨迹的修正。
步骤S4，针对得到的轨迹点采用机械臂逆运动学求解，得到目标关节角度。
具体的，通过机器人逆解器，输入轨迹点的笛卡尔坐标就能输出关节角度。
步骤S5，对目标关节角度进行仿真，得到运动过程关节角度，将运动过程关节角度返回值RVIZ人机界面。
在步骤S5中，采用Gazebo物理仿真平台进行仿真，利用Gazebo内部采样算法得到运动关节角度
本发明实施例的人机协作下的机械臂轨迹生成与修正方法，基于动态动作基元（DMP）模型，设计了一个能生成与示教轨迹形状相似的路径的方法。
本发明针对多自由度耦合产生的轨迹形状畸变问题，通过将 3 维目标点投影于示教轨迹平面，再利用罗德里格旋转公式生成 3 维路径，保证了生成轨迹在各个方向都具有较稳定的形状特征．其次，针对存在多种形状障碍物的复杂操作环境，提出了通过插入交互点对轨迹形状进行修正的方法．并采用双抛物线插值算法使修正后的轨迹平滑。最后，基于人机协作的思想，在 ROS（robot operating system）环境下搭建一个交互界面．从而操作者能够直观地辅助机械臂完成无障碍物和有障碍物的情况下的末端轨迹生成和修正．实验结果验证了该方法的直观性和灵活性，该方法适用于具有多种障碍物的复杂日常环境。
根据本发明实施例的人机协作下的机械臂轨迹生成与修正方法，将目标点降为旋转生成三维轨迹，可以解决多自由度耦合时产生的轨迹形状畸变问题。本发明实施例的人机协作下的机械臂轨迹生成与修正方法，具有以下有益效果：计算过程耗时少、实时性高；避障更加灵活，能应对更复杂的情况；无需多次示教人体避障动作，过程相对简单。
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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
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不脱离本发明的原理和宗旨的情况下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。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (7)
1.一种人机协作下的机械臂轨迹生成与修正方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，利用RVIZ人机界面设置初始目标点和控制模式；
步骤S2，根据所述初始目标点和控制模式进行路径生成及调整，包括：将初始目标点投影于示教轨迹平面，再利用罗德里格旋转公式生成三维路径；
步骤S3，针对存在多种形状障碍物的复杂操作环境，通过插入交互点对轨迹形状进行修正的方法进行轨迹平滑；
步骤S4，针对得到的轨迹点采用机械臂逆运动学求解，得到目标关节角度；
步骤S5，对目标关节角度进行仿真，得到运动过程关节角度，将所述运动过程关节角度返回值RVIZ人机界面。
2.如权利要求1所述的人机协作下的机械臂轨迹生成与修正方法，其特征在于，在所述步骤S3中，采用双抛物线插值算法使修正后的轨迹平滑。
3.如权利要求1或2所述的人机协作下的机械臂轨迹生成与修正方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述通过插入交互点对轨迹形状进行修正的方法进行轨迹平滑,包括：在初始生成轨迹附近均匀加入调节交互点，在生成轨迹上提取离所有交互点最近的点作为调整点，基于调整点和交互点的距离采用双抛物线插值算法进行轨迹的修正。
4.如权利要求1所述的人机协作下的机械臂轨迹生成与修正方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述控制模式为设置机械臂开环控制或闭环控制。
5.如权利要求1所述的人机协作下的机械臂轨迹生成与修正方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述生成三维路径，包括：初始目标点投影于示教平面，根据示教平面内的示教轨迹生成中间轨迹，利用初始目标点和中间轨迹，通过罗德里格旋转公式生成三维路径。
6.如权利要求1所述的人机协作下的机械臂轨迹生成与修正方法，其特征在于，在所述步骤S4中，通过机器人逆解器，输入轨迹点的笛卡尔坐标就能输出关节角度。
7.如权利要求1所述的人机协作下的机械臂轨迹生成与修正方法，其特征在于，在所述步骤S5中，采用Gazebo物理仿真平台进行仿真，利用Gazebo内部采样算法得到运动关节角度。
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