CN115229772A - 机器人及其控制方法、装置、设备、存储介质、机械臂 - Google Patents

机器人及其控制方法、装置、设备、存储介质、机械臂 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种机器人及其控制方法、装置、设备、存储介质、机械臂。通过接收导体接近信息之后，建立所述电子皮肤的虚拟斥力场，再生成所述机器人的控制信号。通过设置在机器人上的电子皮肤的感测信号，转化并生成虚拟斥力场，并且通过该虚拟斥力场规划机器人的避让方案，以此实现了在可靠的避让的同时，还兼顾机器人原有的运行目的，使得机器人的避让方案兼顾避让和运行目的的实现，体现了避让方案的智能化。

Description

机器人及其控制方法、装置、设备、存储介质、机械臂
技术领域
本发明涉及一种机器人及其控制方法、装置、设备、存储介质、机械臂，属于机器人控制技术领域。
背景技术
目前机器人运行过程中，为避免与接近的外界导体如人体干涉并对其造成伤害，一般采用避让控制方案，在检测到人体接近时控制机器人的机械臂避开人体。目前采用的避让控制方案一般基于关节空间的算法，其针对每个关节的动作进行规划以控制关节动作，此种方法往往偏重于避让，而不可避免地影响了机器人正常的运行，容易使得机器人无法或者较难最终实现其运行目的。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是解决现有的机器人的基于关节空间的算法的避让方案不可避免地影响了机器人正常的运行，降低了工作效率的问题。
具体地，本发明第一方面公开一种机器人控制方法，包括：
接收导体接近信息，所述导体接近信息与设置在机器人上的电子皮肤采集到的感测信号关联，所述导体接近信息指示导体接近所述电子皮肤的程度；
建立所述电子皮肤的虚拟斥力场，所述虚拟斥力场基于所述导体接近信息建立；
生成所述机器人的控制信号，所述控制信号为基于所述电子皮肤的虚拟斥力场生成，以指示所述机器人避让所述导体。
可选地，所述生成所述机器人的控制信号，所述控制信号根据所述合成加速度生成，包括：
确定所述机器人的末端的合成斥力，所述末端的合成斥力根据所述电子皮肤的虚拟斥力场确定；
计算所述机器人的末端的合成加速度，所述合成加速度根据所述机器人的末端的当前运动信息以及所述合成斥力计算得到，所述当前运动信息指示所述机器人的末端的当前运动状态；
生成所述机器人的控制信号，所述控制信号根据所述合成加速度生成。
可选地，所述确定所述机器人的末端的合成斥力，包括：
将所述电子皮肤的虚拟斥力场转化为所述机器人各个关节的关节力矩；
确定所述机器人的末端的合成斥力，所述合成斥力根据所述机器人各个关节的关节力矩确定。
可选地，所述生成所述机器人的控制信号，所述控制信号根据所述合成加速度生成，包括：
对所述合成加速度进行二次积分，得到所述机器人的末端下一时刻的位置；
通过机器人逆运动学算法，根据所述机器人的末端下一时刻的位置得到所述机器人各个关节的角度值；
将所述机器人各个关节的角度值转化为所述机器人的控制信号。
可选地，所述当前运动信息包括所述机器人的末端的当前位置信息、当前速度、目标位置信息和目标速度，其中，所述目标位置信息为所述机器人在工作状态下所述末端的移动终点位置对应的信息，所述目标速度为所述机器人的所述末端在移动到终点位置时的速度。
可选地，所述导体接近信息包括所述导体与所述电子皮肤的距离d和所述导体的位置信息pob；所述建立所述电子皮肤的虚拟斥力场，包括：
通过以下公式建立所述电子皮肤的虚拟斥力场f：
Figure BDA0003812238070000021
其中，η为斥力场系数，η＞0，d＝|pob-pi|，dmax为虚拟斥力场的最大范围，pi为所述电子皮肤i的位置信息，i＝1,2,...,N,N为电子皮肤的数量。
本发明第二方面公开一种机器人控制装置，包括
信息接收模块，用于接收导体接近信息，所述导体接近信息与设置在机器人上的电子皮肤采集到的感测信号关联，所述导体接近信息指示导体接近所述电子皮肤的程度；
斥力场建立模块，用于建立所述电子皮肤的虚拟斥力场，所述虚拟斥力场基于所述导体接近信息建立；
控制信号生成模块，用于生成所述机器人的控制信号，所述控制信号为基于所述电子皮肤的虚拟斥力场生成，以指示所述机器人避让所述导体。
本发明第三方面公开一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述机器人控制方法。
本发明第四方面公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述机器人控制方法。
本发明第五方面公开一种机器人，所述机器人包括处理器、末端和多个关节臂，至少一个关节臂上设置有电子皮肤，所述处理器执行计算机程序时实现上述机器人控制方法。
可选地，所述电子皮肤包括：
感测电极，所述感测电极能够与接近的外界导体构成电容；
检测电路板，与所述感测电极电连接，以利用所述感测电极与外界导体之间的电容或其变化检测所述感测电极与外界导体之间的距离或其变化，得到表征所述感测电极与外界导体之间的距离或其变化的电信号。
本发明第六方面公开一种机械臂，所述机械臂包括处理器、末端和多个关节臂，至少一个关节臂上设置有电子皮肤，所述处理器执行计算机程序时实现上述机器人控制方法。
本发明第七方面公开一种机器人，包括多个关节臂，至少一个关节臂上设置有电子皮肤，所述机器人包括避让模式，在所述避让模式中，所述关节臂被配置为在控制信号的指示下避让接近所述电子皮肤的导体，所述控制信号被配置为至少部分基于所述电子皮肤的虚拟斥力场生成。
可选地，所述虚拟斥力场根据导体接近信息建立，所述导体接近信息与设置在机器人上的电子皮肤采集到的感测信号关联，所述导体接近信息指示导体接近所述电子皮肤的程度。
可选地，所述机器人被配置为在接收到触发指令之后，从工作状态进入所述避让模式。
可选地，所述机器人被配置为在接收到触发指令之后，从非工作状态进入所述避让模式。
可选地，在所述避让模式中，所述关节臂的末端被配置为避让接近所述电子皮肤的导体且向目标位置移动，所述目标位置为在工作状态下所述末端的移动终点位置。
可选地，所述控制信号被配置为基于所述电子皮肤的虚拟斥力场和所述机器人的末端的当前运动信息生成。
可选地，所述当前运动信息包括所述机器人的末端的当前位置信息、当前速度、目标位置信息和目标速度，其中，所述目标位置信息为所述机器人在工作状态下所述末端的移动终点位置对应的信息，所述目标速度为所述机器人的所述末端在移动到终点位置时的速度。
本发明的机器人控制方法中，通过接收导体接近信息之后，根据所述导体接近信息建立所述电子皮肤的虚拟斥力场；根据所述电子皮肤的虚拟斥力场确定所述机器人的末端的合成斥力；根据所述机器人的末端的当前运动信息以及所述合成斥力，计算所述机器人的末端的合成加速度，所述当前运动信息指示所述机器人的末端的当前运动状态；根据所述合成加速度生成所述机器人的控制信号，所述控制信号指示所述机器人避让所述导体。不同于现有技术中的基于关节空间的算法中直接根据各个电子皮肤的避让的斥力来控制各个关节动作来进行避让，本发明实施例中的方案通过设置在机器人上的电子皮肤的感测信号，转化并生成虚拟斥力场，并且通过该虚拟斥力场规划机器人的避让方案，以此实现了在可靠的避让的同时，还兼顾机器人原有的运行目的，使得机器人的避让方案兼顾避让和运行目的的实现，体现了避让方案的智能化。
进一步地，本发明的机器人控制方法还可以保证了末端的位姿可控，使得末端避免与导体发生干涉对导体或者机器人造成伤害，且使得其动作目的如夹爪夹持目标物运输至目标位置的可靠实现。该机器人控制方法可以保证机器人在作业过程中实时根据构建的虚拟斥力场，结合机器人的当前运动信息规划避让方案，从而实现在作业过程中的智能避让，在不影响作业的前提下实现智能避让，大大提高了机器人控制的智能性。
附图说明
图1是本发明实施例的机器人控制方法中机器人的结构示意图；
图2是本发明实施例的机器人控制方法的一流程图；
图3是本发明实施例的机器人控制方法的另一流程图；
图4是本发明实施例的机器人控制方法的另一流程图；
图5是本发明实施例的机器人控制方法的另一流程图；
图6是本发明一实施例中计算机设备的一示意图。
图7是本发明实施例的机器人的框图；
图8为本发明实施例的机器人执行避让动作的演示示意图。
附图标记：
机器人100，底座110，关节臂120，关节臂130，关节臂140，末端150，电子皮肤21、电子皮肤22、电子皮肤23、电子皮肤24、关节驱动器31，关节驱动器32，关节驱动器33，伺服电机41，伺服电机42，伺服电机43，关节部51，关节部52，关节部53，处理器10。
具体实施方式
需要说明的是，在结构或功能不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面根据实例来详细说明本发明。
本发明提出一种机器人控制方法。其中，机器人可以为机械臂、包括有机械臂的运动装置或者其他能够半自主或全自主工作的智能机器等。如图1所示，以机械臂为例，机器人(机械臂)100的运动部件如关节臂的至少部分表面覆盖电子皮肤，机器人100上可以设置至少一个电子皮肤，可选地，在机器人100的每一关节臂上设置至少一个电子皮肤。在机器人100的多个关节臂均安装有电子皮肤，如机器人100包括多个关节臂如图1中的关节臂120、关节臂130、关节臂140。每个关节臂安装了一个或者多个电子皮肤，如图1中在这些关节臂分别贴敷安装了电子皮肤21、电子皮肤22、电子皮肤23和电子皮肤24，这些多个电子皮肤共包含了电极3-a、3-b、3-e、4-b、4-a、5-a等，根据机器人正向运动学技术，可以确定出这些电子皮肤所在的区域在机器人100基坐标系下的空间坐标pi，其中i为1、2、3…N，这里N为电子皮肤的总数量。电子皮肤中包括至少一个感测电极，感测电极可贴敷安装于关节臂的表面(如内表面和/或外表面)。在一个实施方式中，机器人中还设置有至少一个检测电路板，每一个检测电路板与一个或者多个电子皮肤连接。进一步地，检测电路板与电子皮肤中的感测电极连接。在外界导体(例如，人体)接近机器人的关节臂，即接近对应的电子皮肤时，电子皮肤的感测电极与外界导体构成电容，该电容的电容值会随着感测电极与外界导体的距离发生变化，通过检测电路设置的振荡电路使其振荡的频率发生改变，在通过检测电路的其他电路检测到振荡频率，以此根据检测到的振荡频率的变化确定出外界导体与感测电极之间的距离的变化，从而识别出外界导体与电极的接近程度。检测电路板利用所述感测电极与外界导体之间的电容或其变化检测所述感测电极与外界导体之间的距离或其变化，得到表征所述感测电极与外界导体之间的距离或其变化的电信号。可选地，还包括一逻辑控制板，所述逻辑控制板与所述检测电路板电连接，以根据所述检测电路板输出的所述电信号进行处理，以输出表征所述电极与所述外界导体接近程度的参数信息(导体接近信息)。
进一步地，本发明实施例中关于电子皮肤的具体实现方式，可以参见由申请人在先提交的专利申请PCT/CN2019/106042，该在先提交的专利申请中关于电子皮肤的技术方案借此完全地引入本专利申请中。
本发明一实施例提出一种机器人控制方法，该机器人控制方法可以应用在一处理器中，该处理器可以设置在机器人中，或者设置在机器人之外的其他装置中。
如图2所示，本发明一实施例中的机器人控制方法包括：
S201：接收导体接近信息，所述导体接近信息与设置在机器人上的电子皮肤采集到的感测信号关联，所述导体接近信息指示导体接近所述电子皮肤的程度。
其中，导体接近信息指示导体接近所述电子皮肤的程度。示例性地，该导体接近信息可以包括导体的位置、导体与电子皮肤的距离或者其他表征导体接近所述电子皮肤的程度的信息。感测信号可以为电子皮肤中感测电极和导体之间形成的电容值。导体接近信息与设置在机器人上的电子皮肤采集到的感测信号关联，即导体接近信息可以为通过将感测信号转化得到。例如，检测电路板利用所述感测电极与外界导体之间的电容或其变化检测所述感测电极与外界导体之间的距离或其变化，得到表征所述电极与外界导体之间的距离或其变化的电信号。可选地，还包括一逻辑控制板，所述逻辑控制板与所述检测电路板电连接，以根据所述检测电路板输出的所述电信号进行处理，以输出表征所述电极与所述外界导体接近程度的参数信息(导体接近信息)，处理器再接收该逻辑控制板发送的导体接近信息。
如图1所示，在机器人100的多个关节臂均安装有电子皮肤，如机器人100包括多个关节臂如图1中的关节臂120、关节臂130、关节臂140。每个关节臂安装了一个或者多个电子皮肤，如图1中在这些关节臂分别贴敷安装了电子皮肤21、电子皮肤22、电子皮肤23和电子皮肤24，这些多个电子皮肤共包含了电极3-a、3-b、3-e、4-b、4-a、5-a等，根据机器人正向运动学技术，可以确定出这些电子皮肤所在的区域在机器人100基坐标系下的空间坐标pi，其中i为1、2、3…N，这里N为电子皮肤的总数量。如图1所示，每一个电子皮肤都能生成对应的空间坐标pi，其空间坐标pi随着当前机器人100的动作，其关节的位置发生改变而变化。以此每个电子皮肤实时对应的空间坐标pi即为其位置参数。可以理解地，可以将电子皮肤中的任一点的位置作为其空间坐标，例如，电子皮肤的中点(对角线交点)、电子皮肤中任意一电极的位置或者电子皮肤的任一端点等。
S202：建立所述电子皮肤的虚拟斥力场，所述虚拟斥力场基于所述导体接近信息建立。
其中，虚拟斥力场为根据导体和对应的电子皮肤的接近程度、方向等因素而建立的一个虚拟力场，可以用来指引后续机器人的避让动作。该虚拟斥力场可以包括斥力的大小、方向等因素。在一个具体实施例中，所述导体接近信息包括所述导体与所述电子皮肤的距离d和所述导体的位置信息(空间坐标)pob；该虚拟斥力场可以通过如下公式确定：
Figure BDA0003812238070000071
其中，η为斥力场系数，η＞0，d＝|pob-pi|，dmax为虚拟斥力场的最大范围，pi为所述电子皮肤i的位置信息，i＝1,2,...,N,N为电子皮肤的数量。具体地，空间坐标pi确定之后，d可以通过电容计算公式确定，再通过电子皮肤中电极的感应方向，即可定位和确定该导体的位置信息(空间坐标)pob。
示例性地，可以将导体与对应的电子皮肤会产生电容的最大距离确定为dmax。或者，dmax也可以为一个经验值，例如，将导体与对应的电子皮肤会产生电容的最大距离做一定的增/减之后确定为dmax。因此，若d＞dmax，则f＝0。因此，虚拟斥力场还可以表示为：
Figure BDA0003812238070000072
其中，只有d≤dmax时，才确定为外界导体处于接近机器人100的状态，此时才会生成虚拟斥力场f。上述公式中
Figure BDA0003812238070000073
确定虚拟斥力场f的大小，
Figure BDA0003812238070000074
确定虚拟斥力场f的方向。由于每一个电子皮肤的空间坐标pi不同，且不同导体距离电子皮肤的距离d也可能不同，因此通过上述公式最终计算出来的虚拟斥力场f的大小和方向都不同。通过上述构建的虚拟力场计算公式，可以较好地实现将感测信号进行精准转化，更好地保证了后续避让方案的实现。
其中，若机器人中设置的电子皮肤为多个，则只要任一电子皮肤与一个或者多个导体之间的距离小于dmax，都会产生该电子皮肤对应的虚拟斥力场。
S203：生成所述机器人的控制信号，所述控制信号为基于所述电子皮肤的虚拟斥力场生成，以指示所述机器人避让所述导体。
控制信号指示所述机器人避让所述导体。进一步地，将该控制信号发送至机器人的伺服电机，伺服驱动机器人达到指定位置(即该控制信号指示的位置)。可选地，该控制信号可以为体现该机器人末端需要移动的位置的各个关节的角度值。
该控制信号根据所述电子皮肤的虚拟斥力场生成，具体地，可以在确定电子皮肤地虚拟斥力场之后，根据关节臂上电子皮肤的虚拟斥力场来确定机器人的避让路线/位置/速度等，通过虚拟斥力场中斥力的大小、方向等因素确定一个避让路线/位置，使得机器人远离接近的导体，或者，使得机器人上的关节臂远离接近的导体。
本发明实施例中的机器人控制方法，通过接收导体接近信息之后，根据所述导体接近信息建立所述电子皮肤的虚拟斥力场；根据虚拟斥力场生成所述机器人的控制信号，所述控制信号指示所述机器人避让所述导体。不同于现有技术中的基于关节空间的算法中直接根据各个电子皮肤的避让的斥力来控制各个关节动作来进行避让，本发明实施例中的方案通过设置在机器人上的电子皮肤的感测信号，转化并生成虚拟斥力场，并且通过该虚拟斥力场规划机器人的避让方案，以此实现了在可靠的避让的同时，还维持了末端的位姿不变，使得末端避免与导体发生干涉对导体或者机器人造成伤害，且使得其动作目的如夹爪夹持目标物运输至目标位置的可靠实现。该机器人控制方法可以保证机器人在作业过程中实时根据构建的虚拟斥力场，结合机器人的当前运动信息规划避让方案，从而实现在作业过程中的智能避让，在不影响作业的前提下实现智能避让，大大提高了机器人控制的智能性。
在一个实施例中，如图3所示，所述根据所述电子皮肤的虚拟斥力场生成所述机器人的控制信号，包括：
S301：确定所述机器人的末端的合成斥力，所述末端的合成斥力根据所述电子皮肤的虚拟斥力场确定。
在该步骤中，通过每一电子皮肤的虚拟斥力场来确定机器人的末端的合成斥力。
在一个实施方式中，确定所述机器人的末端的合成斥力可以包括：
S401：将所述电子皮肤的虚拟斥力场转化为所述机器人各个关节的关节力矩；
S402：确定所述机器人的末端的合成斥力，所述合成斥力根据所述机器人各个关节的关节力矩确定。
其中，各个关节的关节力矩τj可以通过如下公式确定：
Figure BDA0003812238070000091
其中τj为机器人中关节j的关节力矩，以图1中的机器人100为例，该机器人100总共包括6个关节，因此j的取值可以为1、2、3、4、5、6。
Figure BDA0003812238070000092
为关节j的雅可比矩阵转置，fi电子皮肤i的虚拟斥力场，由于机器人上可以设置多个电子皮肤，因此一个关节的关节力矩是由该机器人上的所有电子皮肤对应的虚拟斥力场进行雅可比矩阵转换后再合成得到，从上述的公式可知，首先对其中的每个电子皮肤的虚拟斥力场fi进行雅可比矩阵转换，即与
Figure BDA0003812238070000093
相乘，然后通过累加公式∑进行累加，其中N为机器人上设置的电子皮肤的数量。如果一个机器人只安装一个电子皮肤，这只有对应的电子皮肤的虚拟斥力场fi参与雅可比矩阵转换计算，此时N为1。
在确定了每一关节的关节力矩之后，所述机器人的末端的合成斥力F可以通过如下公式确定：
Figure BDA0003812238070000094
其中，τ为上述六个关节力矩τj的对应的矢量的合成矢量而形成的合成力矩，具体而言关节力矩τj为矢量，τ是对每一个关节力矩τj的矢量进行合成后得到的一个矢量，如针对六关节机器人而言，是对六个关节力矩的矢量进行合成，合成的具体方法为现有的多个矢量的合成算法，在此不再赘述。而
Figure BDA0003812238070000095
为上述六个关节的合成力矩的雅可比矩阵逆转置。如果只有一个关节，则τ仅为该关节的关节力矩。
S302：计算所述机器人的末端的合成加速度，所述合成加速度根据所述机器人的末端的当前运动信息以及所述合成斥力计算得到，所述当前运动信息指示所述机器人的末端的当前运动状态。
当前运动信息指示所述机器人的末端的当前运动状态。该当前运动信息可以包括当前时刻机器人的末端的位置信息(即当前位置信息)以及当前速度。该当前位置信息可以通过在机器人基坐标系下的末端的坐标来体现。
优选地，所述当前运动信息包括所述机器人的末端的当前位置信息、当前速度、目标位置信息和目标速度，其中，所述目标位置信息为所述机器人在工作状态下所述末端的移动终点位置对应的信息，所述目标速度为所述机器人的所述末端在移动到终点位置时的速度。例如，在工作状态下，机器人需要将末端从当前的A点移动到B点，此时B点即为目标位置。可以理解地，目标位置信息也可以通过在机器人基坐标系下的末端需要移到到的终点的坐标来体现。在该实施例中，该机器人控制方法可以保证机器人在作业过程中实时根据构建的虚拟斥力场规划避让方案，可以在保证避让的前提下顺利完成原有的作业任务，该控制方法可以在避让方案中考虑原有的作业目标(原有的运行目标位置)，从而实现在作业过程中的智能避让，在不影响作业的前提下实现智能避让，大大提高了机器人控制的智能性。
在一个实施方式中，机器人的末端的合成加速度
Figure BDA0003812238070000101
可以通过如下公式确定：
Figure BDA0003812238070000102
其中，M、B、K分别为正定虚拟质量、阻尼和刚度矩阵，且这些参数都大于零。x为所述机器人的末端的当前位置(可以通过笛卡尔空间点体现)，
Figure BDA0003812238070000103
为当前速度，xd为所述机器人的末端的目标位置(可以通过笛卡尔空间点体现),
Figure BDA0003812238070000104
为目标速度。可以理解地，若此时该机器人的末端处于非工作状态(例如，静止状态)，则对应的目标位置和当前位置是同一位置，目标速度即为0。
S303：生成所述机器人的控制信号，所述控制信号根据所述合成加速度生成。
在得到机器人的末端的合成加速度之后，即可以将该合成加速度转化成对该机器人的控制信号，以控制该机器人对接近的导体进行避让。该控制信号指示所述机器人避让所述导体。进一步地，将该控制信号发送至机器人的伺服电机，伺服驱动机器人达到指定位置(即该控制信号指示的位置)。可选地，该控制信号可以为体现该机器人末端需要移动的位置的各个关节的角度值。
在该实施例中，先根据所述电子皮肤的虚拟斥力场确定所述机器人的末端的合成斥力；再根据所述机器人的末端的当前运动信息以及所述合成斥力，计算所述机器人的末端的合成加速度，所述当前运动信息指示所述机器人的末端的当前运动状态；最后根据所述合成加速度生成所述机器人的控制信号。综合考虑虚拟斥力场和当前运动信息来生成机器人的控制信号，更准确地指示机器人进行避让。
在一个实施方式中，根据所述合成加速度生成所述机器人的控制信号，包括：
S501：计算所述机器人的末端下一时刻的位置，所述机器人的末端下一时刻的位置为对所述合成加速度进行二次积分后得到；
S502：计算所述机器人的末端下一时刻的位置，所述机器人的末端下一时刻的位置为对所述合成加速度进行二次积分后得到；
S503：将所述机器人各个关节的角度值转化为所述机器人的控制信号。
具体地，可以通过以下公式对合成加速度进行两次积分实现生产下一个时刻的机器人100的末端的笛卡尔位置X：
Figure BDA0003812238070000111
Figure BDA0003812238070000112
其中，T为机器人100的控制器的控制周期。
进一步地，基于机器人逆运动学算法，根据下一个时刻机器人的末端的笛卡尔位置X来确定机器人中每个关节对应的角度值qj。其中，机器人逆运动学算法为确定机器人末端的位置后，通过逆运算获得机器人各个关节的关节变量(例如，角度值)的算法。可选地，该机器人逆运动学算法可以采用数值解法、解析解法或者其他现有的实现算法来实现。
再将该机器人各个关节的角度值转化为所述机器人的控制信号，而后输出该控制信号。例如，将该控制信号发送至机器人的伺服电机。
因为每一个关节的动作由安装于关节部位的伺服电机运行实现，而每一个伺服电机连接对应的驱动器，可由机器人100的控制中心将这些每个关节对应的角度值qj对应的驱动信号发送至对应的驱动器，然后驱动器控制对应的伺服电机运行，以控制各个关节最终转动到对应的角度值qj。由于上述的关节的对应的角度值qj是基于末端的笛卡尔目标位置X推导生成的，因此在实现了对接近的导体进行避让的同时，还使得末端的位姿保持不变，以此使得末端的轨迹可控不会发生与接近的导体干涉并确保了机器人100的末端最终准确完成执行目的。
在一个实施例中，在所述机器人运行至下一个时刻的机器人100的末端的笛卡尔位置X之后，还包括如下步骤：
重复执行步骤S201-S203，直至所述机器人的末端移动至目标位置。
在该实施例中，该机器人处于工作状态中，若在控制机器人的末端运行至目标位置的过程中，有导体接近设置在机器人上的电子皮肤，则该处理器在接收到相关的信号之后，会规划避让的方案(步骤S201-S203)。并且重复感测和调整，直至该机器人的末端移动至目标位置，完成一个完整的运动控制，可以保证机器人在运行过程中可以对接近的导体进行智能避让。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
在一实施例中，提供一种机器人控制装置，该机器人控制装置与上述实施例中机器人控制方法一一对应。该机器人控制装置包括信息接收模块、斥力场建立模块、斥力确定模块、合成加速度计算模块和控制信号生成模块。各功能模块详细说明如下：
信息接收模块，用于接收导体接近信息，所述导体接近信息与设置在机器人上的电子皮肤采集到的感测信号关联，所述导体接近信息指示导体接近所述电子皮肤的程度；
斥力场建立模块，用于根据所述导体接近信息建立所述电子皮肤的虚拟斥力场；
控制信号生成模块，用于生成所述机器人的控制信号，所述控制信号为基于所述电子皮肤的虚拟斥力场生成，以指示所述机器人避让所述导体。
可选地，所述控制信号生成模块包括：
斥力确定单元，用于确定所述机器人的末端的合成斥力，所述末端的合成斥力根据所述电子皮肤的虚拟斥力场确定；
合成加速度计算单元，用于计算所述机器人的末端的合成加速度，所述合成加速度根据所述机器人的末端的当前运动信息以及所述合成斥力计算得到，所述当前运动信息指示所述机器人的末端的当前运动状态；
控制信号生成单元，用于生成所述机器人的控制信号，所述控制信号根据所述合成加速度生成。
优选地，斥力确定单元还用于将所述电子皮肤的虚拟斥力场转化为所述机器人各个关节的关节力矩；确定所述机器人的末端的合成斥力，所述合成斥力根据所述机器人各个关节的关节力矩确定。
优选地，控制信号生成单元还用于计算所述机器人的末端下一时刻的位置，所述机器人的末端下一时刻的位置为对所述合成加速度进行二次积分后得到；确定所述机器人各个关节的角度值，所述机器人各个关节的角度值为通过机器人逆运动学算法，根据所述机器人的末端下一时刻的位置得到；将所述机器人各个关节的角度值转化为所述机器人的控制信号。
优选地，所述当前运动信息包括所述机器人的末端的当前位置信息、当前速度、目标位置信息和目标速度，其中，所述目标位置信息为所述机器人在工作状态下所述末端的移动终点位置对应的信息，所述目标速度为所述机器人的所述末端在移动到终点位置时的速度。
优选地，所述导体接近信息包括所述导体与所述电子皮肤的距离d和所述导体的位置信息pob；所述建立所述电子皮肤的虚拟斥力场，斥力场建立模块还用于通过以下公式建立所述电子皮肤的虚拟斥力场f：
Figure BDA0003812238070000131
其中，η为斥力场系数，η＞0，d＝|pob-pi|，dmax为虚拟斥力场的最大范围，pi为所述电子皮肤i的位置信息，i＝1,2,...,N,N为电子皮肤的数量。
关于机器人控制装置的具体限定可以参见上文中对于机器人控制方法的限定，在此不再赘述。上述机器人控制装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，如图6所示，提供了一种计算机设备，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储上述机器人控制方法中所使用到的数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种机器人控制方法。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一实施例中所述的机器人控制方法。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任一实施例中所述的机器人控制方法。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
本发明还提出一种机器人，如图7所示，其机器人的结构可参考图1，所述机器人包括处理器、末端和多个关节臂，至少一个关节臂上设置有电子皮肤。其中电子皮肤可以为多个，分别设置于机器人100的多个关节臂的表面，具体可以设置与其内表面或外表面，可与关节臂的表面结合成一体，一个关节臂的表面可以设置一个或者多个电子皮肤。所述处理器执行计算机程序时实现上述任一实施例所述的机器人控制方法。
进一步地，该机器人还包括伺服电机和关节驱动器。伺服电机设置于机器人100的关节臂的一端的关节部，以带动关节部的转动。关节驱动器与伺服电机连接，其设置于关节部内，用于驱动伺服电机运行如对应图1中的机器人100，其包括多个关节部，如关节部51、关节部52、关节部53。如图3所示，多个电子皮肤如图3中年的电子皮肤21、电子皮肤22和电子皮肤23分别电连接处理器10，处理器10电连接多个关节驱动器分别是关节驱动器31、关节驱动器32、关节驱动器33，每个关节驱动器分别对应驱动伺服电机，分别是伺服电机41、伺服电机42、伺服电机43。处理器10做为机器人100的控制器的一部分，与上述各个电子皮肤和各个关节驱动器连接。
在一个实施方式中，所述电子皮肤包括：
感测电极，所述感测电极能够与接近的外界导体构成电容；
检测电路板，与所述感测电极电连接，以利用所述感测电极与外界导体之间的电容或其变化检测所述感测电极与外界导体之间的距离或其变化，得到表征所述感测电极与外界导体之间的距离或其变化的电信号。
可以理解地，一个电子皮肤可以包括一个或者多个感测电极。检测电路板可以与一个感测电极连接，也可以与多个感测电极连接。检测电路板可以为一个，也可以为多个。在外界导体(例如，人体)接近机器人的关节臂，即接近对应的电子皮肤时，电子皮肤的感测电极与外界导体构成电容，该电容的电容值会随着感测电极与外界导体的距离发生变化，通过检测电路板设置的振荡电路使其振荡的频率发生改变，在通过检测电路板的其他电路检测到振荡频率，以此根据检测到的振荡频率的变化确定出外界导体与感测电极之间的距离的变化，从而识别出外界导体与感测电极的接近程度。检测电路板利用所述感测电极与外界导体之间的电容或其变化检测所述感测电极与外界导体之间的距离或其变化，得到表征所述电极与外界导体之间的距离或其变化的电信号。可选地，还包括一逻辑控制板，所述逻辑控制板与所述检测电路板电连接，以根据所述检测电路板输出的所述电信号进行处理，以输出表征所述电极与所述外界导体接近程度的参数信息(导体接近信息)。
本发明还提出一种机械臂，该机械臂包括处理器、末端和多个关节臂，至少一个关节臂上设置有电子皮肤，所述处理器执行计算机程序时实现上述任一实施例所述的机器人控制方法。
可选地，所述电子皮肤包括：
感测电极，所述感测电极能够与接近的外界导体构成电容；
检测电路板，与所述感测电极电连接，以利用所述感测电极与外界导体之间的电容或其变化检测所述感测电极与外界导体之间的距离或其变化，得到表征所述感测电极与外界导体之间的距离或其变化的电信号。
本发明还提出一种机器人100，如图1所示，包括底座110、多个关节臂和末端150，机器人100还设置了上述实施例中提到的基于电子皮肤的机器人100避让的控制装置，其中伺服电机和关节驱动器设置于关节臂的一端，电子皮肤设置于关节臂的表面，在底座设置有机器人100的控制柜，控制柜设置有机器人的控制器，控制器中设置了处理器10。通过设置该控制装置，使得机器人100在实现了在可靠的避让的同时，还维持了末端的位姿不变，使得末端避免与人体发生干涉对人体造成伤害，且使得其动作目的如夹爪夹持目标物运输至目标位置的可靠实现。
在一个实施例中，本发明还提出一种机器人，包括多个关节臂，至少一个关节臂上设置有电子皮肤，所述机器人包括避让模式，在所述避让模式中，至少一个所述关节臂被配置为在控制信号的指示下避让接近所述电子皮肤的导体，所述控制信号被配置为至少部分基于所述电子皮肤的虚拟斥力场生成。
其中，在避让模式中，该机器人中的至少一个关节臂会避让该接近的导体。可以理解地，在该避让模式中，可以为该机器人中的部分关节臂避让该接近的导体，也可以为该机器人的全部关节臂避让该接近的导体。避让该接近的导体的关节臂可以为设置有电子皮肤的关节臂，也可以为没有设置有电子皮肤的关节臂，也可以同时包括设置有电子皮肤的关节臂和没有设置有电子皮肤的关节臂。如图8所示，该机器人在避让模式下，避让接近的导体(手部)。具体地，该机器人的末端150避让接近的导体。
控制信号被配置为至少部分基于所述电子皮肤的虚拟斥力场生成。该控制信号可以为机器人内部的信号，也可以为外部装置发送至机器人的信号。该控制信号的生成方式可以参见前述实施例，在此不再赘述。
在一个实施例中，所述虚拟斥力场根据导体接近信息建立，所述导体接近信息与设置在机器人上的电子皮肤采集到的感测信号关联，所述导体接近信息指示导体接近所述电子皮肤的程度。
在本实施例中，该机器人包括避让模式，该避让模式中的控制信号被配置为至少部分基于所述电子皮肤的虚拟斥力场生成，可以使得该机器人通过该虚拟斥力场规划机器人的避让方案，可以保证机器人进行智能避让。
在一个实施方式中，所述机器人被配置为在接收到触发指令之后，从工作状态进入所述避让模式。其中，工作状态是指该机器人处于工作/运动中，例如，夹持物件到指定位置，或者执行其他任务。该触发指令可以为外部装置发送至该机器人，也可以为该机器人内部触发生成。该触发指令可以通过控制信号体现，示例性地，在接收或者生成控制信号时，该机器人即进入避让模式，或者通过一个额外的触发信号，使得机器人进入避让模式，例如，在接收到导体接近信息之后，即生成一个触发信号使得机器人进入避让模式，后续在接收到控制信号之后，在避让所述导体。
在一个实施方式中，所述机器人被配置为在接收到触发指令之后，从非工作状态进入所述避让模式。非工作状态是指该机器人处于静止或者未执行任务的状态。例如，该机器人处于静止状态时，有导体接近该机器人(机器人上的电子皮肤)，即触发该机器人从非工作状态进入所述避让模式。该触发指令可以为外部装置发送至该机器人，也可以为该机器人内部触发生成。该触发指令可以通过控制信号体现，示例性地，在接收或者生成控制信号时，该机器人即进入避让模式，或者通过一个额外的触发信号，使得机器人进入避让模式，例如，在接收到导体接近信息之后，即生成一个触发信号使得机器人进入避让模式，后续在接收到控制信号之后，在避让所述导体。
在一个实施方式中，在所述避让模式中，所述关节臂的末端被配置为避让接近所述电子皮肤的导体且向目标位置移动，所述目标位置为在工作状态下所述末端的移动终点位置。
该机器人此时正处于工作状态中，例如，加持物件往重点位置移动的过程中，此时，机器人进入避让模式，在该避让模式中，该机器人的末端会在避让接近的导体的过程中向目标位置移动，从而在保证避让导体的前提下实现顺利的命令/任务执行，更好地保证了机器人控制的智能性，提高效率。
在一个实施例中，所述控制信号被配置为基于所述电子皮肤的虚拟斥力场和所述机器人的末端的当前运动信息生成。具体生成方式可参见上述任一实施例中的实现方式，在此不再赘述。
优选地，所述当前运动信息包括所述机器人的末端的当前位置信息、当前速度、目标位置信息和目标速度，其中，所述目标位置信息为所述机器人在工作状态下所述末端的移动终点位置对应的信息，所述目标速度为所述机器人的所述末端在移动到终点位置时的速度。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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发明的限制。
此外，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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
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 (19)

1.一种机器人控制方法，其特征在于，包括：
接收导体接近信息，所述导体接近信息与设置在机器人上的电子皮肤采集到的感测信号关联，所述导体接近信息指示导体接近所述电子皮肤的程度；
建立所述电子皮肤的虚拟斥力场，所述虚拟斥力场基于所述导体接近信息建立；
生成所述机器人的控制信号，所述控制信号基于所述电子皮肤的虚拟斥力场生成，用以指示所述机器人避让所述导体。
2.根据权利要求1所述的机器人控制方法，其特征在于，所述生成所述机器人的控制信号，包括：
确定所述机器人的末端的合成斥力，所述末端的合成斥力根据所述电子皮肤的虚拟斥力场确定；
计算所述机器人的末端的合成加速度，所述合成加速度根据所述机器人的末端的当前运动信息以及所述合成斥力计算得到，所述当前运动信息指示所述机器人的末端的当前运动状态；
生成所述机器人的控制信号，所述控制信号根据所述合成加速度生成。
3.根据权利要求2所述的机器人控制方法，其特征在于，所述确定所述机器人的末端的合成斥力，包括：
将所述电子皮肤的虚拟斥力场转化为所述机器人各个关节的关节力矩；
确定所述机器人的末端的合成斥力，所述合成斥力根据所述机器人各个关节的关节力矩确定。
4.根据权利要求2所述的机器人控制方法，其特征在于，所述生成所述机器人的控制信号，所述控制信号根据所述合成加速度生成，包括：
计算所述机器人的末端下一时刻的位置，所述机器人的末端下一时刻的位置为对所述合成加速度进行二次积分后得到；
确定所述机器人各个关节的角度值，所述机器人各个关节的角度值为通过机器人逆运动学算法，根据所述机器人的末端下一时刻的位置得到；
将所述机器人各个关节的角度值转化为所述机器人的控制信号。
5.根据权利要求2所述的机器人控制方法，其特征在于，所述当前运动信息包括所述机器人的末端的当前位置信息、当前速度、目标位置信息和目标速度，其中，所述目标位置信息为所述机器人在工作状态下所述末端的移动终点位置对应的信息，所述目标速度为所述机器人的所述末端在移动到终点位置时的速度。
6.根据权利要求1所述的机器人控制方法，其特征在于，所述导体接近信息包括所述导体与所述电子皮肤的距离d和所述导体的位置信息pob；所述建立所述电子皮肤的虚拟斥力场，包括：
通过以下公式建立所述电子皮肤的虚拟斥力场f：
Figure FDA0003812238060000021
其中，η为斥力场系数，η＞0，d＝|pob-pi|，dmax为虚拟斥力场的最大范围，pi为所述电子皮肤i的位置信息，i＝1,2,...,N,N为电子皮肤的数量。
7.一种机器人控制装置，其特征在于，包括
信息接收模块，用于接收导体接近信息，所述导体接近信息与设置在机器人上的电子皮肤采集到的感测信号关联，所述导体接近信息指示导体接近所述电子皮肤的程度；
斥力场建立模块，用于建立所述电子皮肤的虚拟斥力场，所述虚拟斥力场基于所述导体接近信息建立；
控制信号生成模块，用于生成所述机器人的控制信号，所述控制信号为基于所述电子皮肤的虚拟斥力场生成，以指示所述机器人避让所述导体。
8.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述的机器人控制方法。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述的机器人控制方法。
10.一种机器人，其特征在于，所述机器人包括处理器、末端和多个关节臂，至少一个关节臂上设置有电子皮肤，所述处理器执行计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述的机器人控制方法。
11.根据权利要求10所述的机器人，其特征在于，所述电子皮肤包括：
感测电极，所述感测电极能够与接近的外界导体构成电容；
检测电路板，与所述感测电极电连接，以利用所述感测电极与外界导体之间的电容或其变化检测所述感测电极与外界导体之间的距离或其变化，得到表征所述感测电极与外界导体之间的距离或其变化的电信号。
12.一种机械臂，其特征在于，所述机械臂包括处理器、末端和多个关节臂，至少一个关节臂上设置有电子皮肤，所述处理器执行计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述的机器人控制方法。
13.一种机器人，其特征在于，包括多个关节臂，至少一个关节臂上设置有电子皮肤，所述机器人包括避让模式，在所述避让模式中，至少一个所述关节臂被配置为在控制信号的指示下避让接近所述电子皮肤的导体，所述控制信号被配置为至少部分基于所述电子皮肤的虚拟斥力场生成。
14.根据权利要求13所述的机器人，其特征在于，所述虚拟斥力场根据导体接近信息建立，所述导体接近信息与设置在机器人上的电子皮肤采集到的感测信号关联，所述导体接近信息指示导体接近所述电子皮肤的程度。
15.根据权利要求13所述的机器人，其特征在于，所述机器人被配置为在接收到触发指令之后，从工作状态进入所述避让模式。
16.根据权利要求13所述的机器人，其特征在于，所述机器人被配置为在接收到触发指令之后，从非工作状态进入所述避让模式。
17.根据权利要求13所述的机器人，其特征在于，在所述避让模式中，所述关节臂的末端被配置为避让接近所述电子皮肤的导体且向目标位置移动，所述目标位置为在工作状态下所述末端的移动终点位置。
18.根据权利要求13所述的机器人，其特征在于，所述控制信号被配置为基于所述电子皮肤的虚拟斥力场和所述机器人的末端的当前运动信息生成。
19.根据权利要求18所述的机器人，其特征在于，所述当前运动信息包括所述机器人的末端的当前位置信息、当前速度、目标位置信息和目标速度，其中，所述目标位置信息为所述机器人在工作状态下所述末端的移动终点位置对应的信息，所述目标速度为所述机器人的末端在移动到终点位置时的速度。
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