CN114589690A - 机器人关节位姿监控方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明适用机器人运动控制技术领域，提供了一种机器人关节位姿监控方法及装置，本发明的位姿监控方法在机器人实物调试的过程中，对机器人运动状态进行实时监控，并通过比对实际值与理论值之间的差值是否大于预定的监控值来判断该机器人的状态是否为失控，若判断为是，则制动机器人系统，避免机器人自损或者对外造成损失。本发明的装置也同样具有上述技术效果。
Description
技术领域
本发明属于机器人运动控制技术领域，尤其涉及机器人关节位姿监控方法及装置。
背景技术
多关节机器人的运动控制是一个非常复杂的过程，其中涉及机器人模型的建立、机器人正运动学、机器人逆运动学、机器人动力学、奇异点、电机控制等诸多知识。同时，机器人的运动控制也受到电气走线、机械设计方面的影响。在机器人运行过程中，前述某一环节稍有差池，就可能会造成机器人的控制精度降低，运行轨迹出现偏差。甚至有可能造成机器人运动控制的失控，与周围环境、调试人员发生碰撞，造成难以挽回的经济损失和人身损害。
现有技术中，已有采用先进的机器人仿真软件，例如MATLAB、LABVIEW等等，可以充分验证机器人正逆运动学的正确性。然而，即便机器人仿真再正确无误，当进行机器人实物调试时，有可能会出现如运动机构实际尺寸与模型尺寸不符、电气接线与运动范围不匹配、运动控制算法移植错误等，依旧容易出现运动控制方面的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供机器人关节位姿监控方法及装置，旨在解决在机器人实物调试的过程中，对机器人运动的实时监控，以避免机器人的运动出现严重偏差的技术问题。
一方面，本发明提供了一种机器人关节位姿监控方法，所述方法包括下述步骤：
S1.根据设计需求计算机器人关节运动数据的理论控制值；
S2.根据机器人的设计动作幅度估算机器人关节运动数据的监控值；
S3.通过传感器对关节运动过程的实时采样获取机器人关节运动数据的实际值；
S4.当所述实际值与所述理论值的差值大于所述监控值时，紧急制动机器人系统。
一方面，本发明还提供了一种机器人关节位姿监控装置，该装置包括：
理论值计算模块，根据设计需求计算机器人关节运动数据的理论控制值；
监控值计算模块，根据机器人的设计动作幅度估算机器人关节运动数据的监控值；
实际值采样模块，通过传感器对关节运动过程的实时采样获取机器人关节运动数据的实际值；
制动判断模块，与所述理论值计算模块、所述监控值计算模块和所述实际值采样模块分别电连接，接收传入的数据进行判断，当所述实际值与所述理论控制值的差值大于所述监控值时，紧急制动机器人系统。
本发明在机器人实物调试的过程中，对机器人运动状态进行实时监控，并通过比对实际值与理论值之间的差值是否大于预定的监控值来判断该机器人的状态是否为失控，若判断为是，则制动机器人系统，避免机器人自损或者对外造成损失。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的机器人关节位姿监控方法的基本流程图；
图2是本发明机器人关节位姿监控方法的详细流程图；
图3是本发明实施例二提供的机器人关节位姿监控装置的结构示意图；
图4是本发明实机器人关节位姿监控方法的框架结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-4及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
实施例一：
图1-2示出了本发明实施例一提供的机器人关节位姿监控方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
一种机器人关节位姿监控方法，所述方法包括下述步骤：
S1.根据设计需求计算机器人关节运动数据的理论控制值；
S2.根据机器人的设计动作幅度估算机器人关节运动数据的监控值；
S3.通过传感器对关节运动过程的实时采样获取机器人关节运动数据的实际值；
S4.当所述实际值与所述理论值的差值大于所述监控值时，紧急制动机器人系统。
优选的，所述机器人关节运动数据包括关节转角和与该关节连接的连杆的航向角、横滚角以及俯仰角。
优选的，所述步骤S1包括以下步骤：
S11.根据设计需求以及机器人末端执行器的六维位姿，采用逆运动学解算出机器人的各关节转角的理论控制值；
S12.结合机器人的DH参数表，确定与关节连接的相应连杆的变换矩阵，使用Z-Y-X欧拉角法解算出相应连杆的航向角、横滚角以及俯仰角的理论控制值。
优选的，所述步骤S3包括：
S31.在各个关节的轴线方向安装传感器；
S32.所述传感器的Z轴与所述关节的轴线方向重叠；所述传感器的X轴与连接至所述关节的连杆方向重叠；传感器的Y轴经由右手坐标系法则确定。
优选的，所述传感器为惯性传感器或姿态解算器；所述惯性传感器根据集成的姿态解算算法，计算各个连杆航向角、横滚角以及俯仰角的实际值；所述姿态解算器直接从所述连杆的动作中读取连杆的航向角、横滚角以及俯仰角的实际值。
优选的，所述监控值为所述设计动作幅度的1％。
本申请通过该方法在机器人各关节轴线方向安装惯性传感器或姿态解算器，以获取与关节相连的各个连杆航向角、横滚角以及俯仰角的实际值；再通过运动学算法中，各个连杆的旋转变化矩阵，计算连杆航向角、横滚角以及俯仰角的理论控制值。将理论控制值与实际值进行比较，当偏差超过监控值时，产生制动信号，紧急制动机器人系统，并提示调试人员机器人的运动控制出现问题。以此可以有效避免机器人实物调试的过程中因失控导致的损失，也有利于调试人员对实际偏差进行排查，提高解决问题的效率。
实施例二：
图3示出了本发明实施例三提供的机器人关节位姿监控装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
一种机器人关节位姿监控装置，所述装置包括：
理论值计算模块，根据设计需求计算机器人关节运动数据的理论控制值；
监控值计算模块，根据机器人的设计动作幅度估算机器人关节运动数据的监控值；
实际值采样模块，通过传感器对关节运动过程的实时采样获取机器人关节运动数据的实际值；
制动判断模块，与所述理论值计算模块、所述监控值计算模块和所述实际值采样模块分别电连接，接收传入的数据进行判断，当所述实际值与所述理论控制值的差值大于所述监控值时，紧急制动机器人系统。
优选的，所述理论值计算模块根据设计需求以及机器人末端执行器的六维位姿，采用逆运动学解算出机器人的各关节转角的理论控制值；
所述理论值计算模块结合机器人的DH参数表，确定与关节连接的相应连杆的变换矩阵后使用Z-Y-X欧拉角法解算出相应连杆的航向角、横滚角以及俯仰角的理论控制值。
优选的，所述实际值采样模块包括若干个设置在各个关节的轴线方向的传感器；所述传感器的Z轴与对应的所述关节的轴线方向重叠；所述传感器的X轴与连接至所述关节的连杆方向重叠；所述传感器的Y轴经由右手坐标系法则确定。
优选的，所述传感器为惯性传感器或姿态解算器；所述惯性传感器根据集成的姿态解算算法，计算各个连杆航向角、横滚角以及俯仰角的实际值；所述姿态解算器直接从所述连杆的动作中读取连杆的航向角、横滚角以及俯仰角的实际值。
图4示出了本发明应用在多关节机器人上的具体实现方法。
具体为在各个关节轴线方向安装惯性传感器或姿态解算器。传感器的Z轴与轴线方向重叠；传感器的X轴与关节相连接的连杆方向重叠；传感器的Y轴经由右手坐标系法则确定。若使用惯性传感器，则需要集成姿态解算算法，计算各个连杆航向角、横滚角以及俯仰角的实际值；若使用姿态解算器，则可以直接从传感器中读取各个连杆航向角、横滚角以及俯仰角的实际值。最终通过实际值与监控值的比对，判断是否对机器人系统实施紧急制动，避免行程偏差造成的损失。
本发明实施例的机器人关节位姿监控装置包括：理论值计算模块、监控值计算模块、实际值采样模块和与上述三者电性连接的制动判断模块。
制动判断模块接收到理论值计算模块计算的机器人关节运动数据的理论控制值，以及监控值计算模块估算的机器人关节运动数据的监控值后，通过与实际值采样模块实时采样获取机器人关节运动数据的实际值的比较来识别机器人关节的位姿并进一步判断该状态下机器人的动作是否失控，以确认是否需要对机器人系统进行紧急制动。从而避免机器人实物调试的过程中可能发生的设备损坏和人员损伤。
使用本发明提出的机器人关节位姿实时监控方法至少能带来以下有益效果：
a.实时监控各关节以及关节所对应连杆的位姿状态可以在实际调试过程中，验证机器人控制算法的正确性。
b.通过监控值与实际值的比较可以有效检测机器人控制位姿精度的准确性。
c.制动判断模块可以确保实物调试过程的安全性，避免由于各类原因导致的机器人失控问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种机器人关节位姿监控方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
S1.根据设计需求计算机器人关节运动数据的理论控制值；
S2.根据机器人的设计动作幅度估算机器人关节运动数据的监控值；
S3.通过传感器对关节运动过程的实时采样获取机器人关节运动数据的实际值；
S4.当所述实际值与所述理论值的差值大于所述监控值时，紧急制动机器人系统。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机器人关节运动数据包括关节转角和与该关节连接的连杆的航向角、横滚角以及俯仰角。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
S11.根据设计需求以及机器人末端执行器的六维位姿，采用逆运动学解算出机器人的各关节转角的理论控制值；
S12.结合机器人的DH参数表，确定与关节连接的相应连杆的变换矩阵，使用Z-Y-X欧拉角法解算出相应连杆的航向角、横滚角以及俯仰角的理论控制值。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
S31.在各个关节的轴线方向安装传感器；
S32.所述传感器的Z轴与所述关节的轴线方向重叠；所述传感器的X轴与连接至所述关节的连杆方向重叠；传感器的Y轴经由右手坐标系法则确定。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述传感器为惯性传感器或姿态解算器；所述惯性传感器根据集成的姿态解算算法，计算各个连杆航向角、横滚角以及俯仰角的实际值；所述姿态解算器直接从所述连杆的动作中读取连杆的航向角、横滚角以及俯仰角的实际值。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述监控值为所述设计动作幅度的1％。
7.一种机器人关节位姿监控装置，其特征在于，所述装置包括：
理论值计算模块，根据设计需求计算机器人关节运动数据的理论控制值；
监控值计算模块，根据机器人的设计动作幅度估算机器人关节运动数据的监控值；
实际值采样模块，通过传感器对关节运动过程的实时采样获取机器人关节运动数据的实际值；
制动判断模块，与所述理论值计算模块、所述监控值计算模块和所述实际值采样模块分别电连接，接收传入的数据进行判断，当所述实际值与所述理论控制值的差值大于所述监控值时，紧急制动机器人系统。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述理论值计算模块根据设计需求以及机器人末端执行器的六维位姿，采用逆运动学解算出机器人的各关节转角的理论控制值；
所述理论值计算模块结合机器人的DH参数表，确定与关节连接的相应连杆的变换矩阵后使用Z-Y-X欧拉角法解算出相应连杆的航向角、横滚角以及俯仰角的理论控制值。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述实际值采样模块包括若干个设置在各个关节的轴线方向的传感器；所述传感器的Z轴与对应的所述关节的轴线方向重叠；所述传感器的X轴与连接至所述关节的连杆方向重叠；所述传感器的Y轴经由右手坐标系法则确定。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述传感器为惯性传感器或姿态解算器；所述惯性传感器根据集成的姿态解算算法，计算各个连杆航向角、横滚角以及俯仰角的实际值；所述姿态解算器直接从所述连杆的动作中读取连杆的航向角、横滚角以及俯仰角的实际值。
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