CN116728437A - 基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法及系统包括：获取指定采样点并对指定采样点进行欧氏距离过滤；利用B样条轨迹插值法获取欧氏距离过滤后的采样点生成机械臂的运行轨迹；将运动轨迹按照空间规划距离约束进行平滑过滤生成规划轨迹，完成对康养机器人轨迹采样的滤波；本发明提供的方法采用空间欧式距离过滤方法对预设的轨迹行进空间滤波，减少原始B样条轨迹中的过多的单陆点停留时间，此外针对射频燃脂中机械臂轨迹过于稠密局部灼伤用户的问题，对轨迹进行稀疏性采样，并控制点的平滑度，在不卡顿抖动的机械臂曲线中能够快速运行。
Description
技术领域
本发明涉及采样滤波技术领域，具体为基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法及系统。
背景技术
协作机械臂在康养机械人的项目应用中，由于在一些预设按摩路径的转折点处会以非常低的速度通过。通常B样条轨迹插值方法在这种情况下会造成电机频繁的启停和加减速，无法充分发挥机器人的特性的同时还给按摩的效果带来极大的影响。
有的按摩任务，例如冲击波和射频燃脂，在多点轨迹运行的时候长时间停留在一个点位，或者速度极慢的速度进行轨迹插值规划。这会让冲击波在一个点位进行频繁的打击给用户带来不适。甚至在射频燃脂的时候，由于高热量的末端在长时间停留在一个点位的时候会带来烫伤的风险。因此需要对规划的点位进行一种过滤手段，既要考虑轨迹点的平滑性也需要考虑到轨迹点的空间间隔，不能让机械臂末端过长的时间停留在单个点位。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述存在的问题，提出了本发明。
本发明实施例的第一方面，提供基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法，包括：获取指定采样点并对所述指定采样点进行欧氏距离过滤；利用B样条轨迹插值法获取所述欧氏距离过滤后的采样点生成机械臂的运行轨迹；将所述运动轨迹按照空间规划距离约束进行平滑过滤生成规划轨迹，完成对康养机器人轨迹采样的滤波。
作为本发明所述的基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法的一种优选方案，其中：所述欧氏距离过滤的过程包括，
获取指定采样点的位姿，并初始化一个孔的列表list存放过滤后合法的采样点位姿信息；
将获取指定采样点的第一个位姿添加到所述列表list中；
循环遍历所有所述指定采样点的位姿，若循环遍历到指定采样点的最后一个位姿，则直接将添加的列表list输出，否则需根据判断依据对所述指定采样点的位姿进行阈值判断。
作为本发明所述的基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法的一种优选方案，其中：所述判断依据的计算包括，
；
其中，表示前后点的插值几何判断依据，/>和/>分别表示两个点位相对于机械臂的基坐标系的位置值，/>表示两个点之间的旋转角度。
作为本发明所述的基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法的一种优选方案，其中：所述采样点生成机械臂的运行轨迹的获取包括，
根据输出的列表list确定控制点；
利用B样条轨迹插值法确定插值曲线的次数和所述控制点的数量，再根据所述控制点的数量在所述插值曲线的起始点和终点插入若干的节点，并计算节点向量；
通过插值法构造 B 样条基函数，利用所述控制点和所述B 样条基函数求解系数矩阵，再根据所述B 样条基函数和系数矩阵对新的插值节点进行计算，生成插值曲线；
对所述插值曲线进行平滑处理，并添加速度限制，根据平滑处理后的插值曲线生成所述欧氏距离过滤后的采样点生成机械臂的运行轨迹。
作为本发明所述的基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法的一种优选方案，其中：所述节点向量的计算包括，
；
其中，表示第i个插值节点的位置信息，/>表示节点，/>表示插值曲线的次数，/>表示控制节点的数量。
作为本发明所述的基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法的一种优选方案，其中：所述系数矩阵的求解包括，
所述系数矩阵的元素由所述控制点在各个基函数下的权重决定，所述权重是通过将每个控制点与其对应的插值节点之间的距离作为残差，再使用最小二乘法计算得来。
作为本发明所述的基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法的一种优选方案，其中：所述速度限制的获取包括，
通过求导数对所述插值曲线进行曲线平滑处理，所述插值曲线为，其一阶导数为/>，二阶导数为/>；
对所述曲线平滑处理后的插值曲线添加最小和最大的数据限制，公式表示为：
；
其中，表示标识最小速度限制，/>表示标识最大速度限制，/>表示加速度限制。
本发明实施例的第二方面，提供基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波系统，包括：
采样点过滤单元，用于获取指定采样点并对所述指定采样点进行欧氏距离过滤；
运动轨迹生成单元，用于利用B样条轨迹插值法获取所述欧氏距离过滤后的采样点生成机械臂的运行轨迹；
运动轨迹过滤单元，用于将所述运动轨迹按照空间规划距离约束进行平滑过滤生成规划轨迹，完成对康养机器人轨迹采样的滤波。
本发明实施例的第三方面，提供一种设备，所述设备包括，
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行本发明任一实施例所述的方法。
本发明实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，包括：
所述计算机程序指令被处理器执行时实现如本发明任一实施例所述的方法。
本发明的有益效果：本发明提供基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法及系统，采用空间欧式距离过滤方法对预设的轨迹行进空间滤波，减少原始B样条轨迹中的过多的单陆点停留时间，在康养点阵波减少单点停留时长，让康养体验者不会因为局部停留时间过长长时间停留一个位置，不停打击产生不适；此外，针对射频燃脂中机械臂轨迹过于稠密局部灼伤用户的问题，对轨迹进行稀疏性采样，并控制点的平滑度，在不卡顿抖动的机械臂曲线中能够快速运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明提供的基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法及系统的整体流程图；
图2为本发明提供的基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法及系统的采样点欧式距离过滤方法的算法流程图；
图3为本发明提供的基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法及系统的未进行距离限制前的机械臂轨迹曲线示意图；
图4为本发明提供的基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法及系统的未进行最小最大速度限制前的机械臂轨迹曲线示意图；
图5为本发明提供的基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法及系统的进行距离限制后的机械臂轨迹曲线示意图；
图6为本发明提供的基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法及系统的进行最小最大速度限制后的机械臂轨迹曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”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，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、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。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发明中的具体含义。
实施例1
参照图1~2为本发明的一个实施例，提供了基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法，包括：
S1：获取指定采样点并对指定采样点进行欧氏距离过滤。需要说明的是：
康养机器人在进行人体穴位按摩的时候需要事先给定几个关键的人体穴位，穴位可以通过机械臂的本体的拖动示教获取，或者通过视觉辅助定位。不论采用哪种方式获取，在点位的附近有可能会有重复取点的情况出现，如果不对这些相近的点位进行过滤的话，在后续B样条的插值拟合会在相近的点位进行重复的规划插值，会加重关键穴位点附近的停留时间。因此本实施例设计的采样点欧式距离过滤方法的算法流程图如图2所示，包括以下步骤：
①获取指定采样点的位姿，具体的点位根据不同的业务需求确定；
②初始化一个孔的列表list存放过滤后合法的采样点位姿信息；
③将获取指定采样点的第一个位姿添加到列表list中；
④循环遍历所有指定采样点的位姿，若循环遍历到指定采样点的最后一个位姿，则直接将添加的列表list输出，否则需根据判断依据对指定采样点的位姿进行阈值判断；
具体的，判断依据的计算包括，
；
其中，表示前后点的插值几何判断依据，/>和/>分别表示两个点位相对于机械臂的基坐标系的位置值，/>表示两个点之间的旋转角度；
应说明的，如果小于一定的阈值，即表示当前点和上一个比较点过于接近，则当前点为取点的噪声，用这样的方式过滤的点位，由于只和上一个点位进行比较，并不会影响实际需要运行的机械臂轨迹的总体的曲线路径，其中，阈值根据实验给定，推荐的阈值为0.5毫米。
S2：利用B样条轨迹插值法获取欧氏距离过滤后的采样点生成机械臂的运行轨迹。包括如下步骤：
①根据输出的列表list确定控制点；
②利用B样条轨迹插值法确定插值曲线的次数和控制点的数量（插值曲线次数越高，需要控制的点的数量越多），再根据控制点的数量在插值曲线的起始点和终点插入若干的节点，使得节点向量大小等于控制节点数加曲线次数减1，并计算节点向量；
应说明的，节点向量包含了所有的插值节点的位置信息，计算公式如下：
；
其中，表示第i个插值节点的位置信息，取值范围限制在[0,1]之间，/>表示节点，/>表示插值曲线的次数，一般三到五次插值的曲线已经足够平滑，/>表示控制节点的数量；
③通过插值法构造 B 样条基函数，每个基函数对应一个插值节点；
④利用控制点和B 样条基函数求解系数矩阵，系数矩阵的元素由控制点在各个基函数下的权重决定，本实施例通过最小化残差平方和的方式来确定权重，具体来说，将每个控制点与其对应的插值节点之间的距离作为残差，再使用最小二乘法计算得来；
⑤根据B 样条基函数和系数矩阵对新的插值节点进行计算，生成插值曲线；
⑥对插值曲线进行平滑处理，并添加速度限制；
应说明的，添加速度限制是为了解决B样条插值的时候在关键点位置的点位集中，导致的康养机器人不同末端在关键点位停留时间过长。具体的，本实施例的插值曲线的速度限制的获取包括，
通过求导数对插值曲线进行曲线平滑处理，插值曲线为，其一阶导数为，二阶导数为/>；
对曲线平滑处理后的插值曲线添加最小和最大的数据限制，公式表示为：
；
其中，表示标识最小速度限制，/>表示标识最大速度限制，/>表示加速度限制；
若速度超出限制范围，则需对插值曲线进行平滑处理，使机械臂在运行过程中不会发生突然的变化，可以再次通过调整权重实现平滑处理，以降低速度和加速度的变化率，再将速度大小和方向与插值曲线相结合，生成一个完整的运动轨迹；
⑦生成的机械臂轨迹将同时满足速度限制和加速度限制，并保证机械臂运行过程中的速度不会超过最大速度限制，也不会低于最小速度限制，这样从轨迹上最大程度的保证机械臂电机的有效运转，尽量避免频繁启停和加减速。
S3：将运动轨迹按照空间规划距离约束进行平滑过滤生成规划轨迹，完成对康养机器人轨迹采样的滤波。需要说明的是：
针对所有的曲线进行空间滤波具体算法实现是将每个数据点的值替换为其周围一定范围内所有数据点的平均值，此时已经计算出需要处理的数据点位记为，使用一个长度为n的滑动队列进行计算（长度n可以调节大小，越大曲线越平滑，越小曲线越接近采样的真实值，推荐n为3），公式如下：
；
其中，i表示第i个点，。
应说明的，本发明提供基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法及系统，采用空间欧式距离过滤方法对预设的轨迹行进空间滤波，减少原始B样条轨迹中的过多的单陆点停留时间，在康养点阵波减少单点停留时长，让康养体验者不会因为局部停留时间过长长时间停留一个位置，不停打击产生不适；此外，针对射频燃脂中机械臂轨迹过于稠密局部灼伤用户的问题，对轨迹进行稀疏性采样，并控制点的平滑度，在不卡顿抖动的机械臂曲线中能够快速运行。
本发明公开的第二方面，
提供基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波系统，包括：
采样点过滤单元，用于获取指定采样点并对指定采样点进行欧氏距离过滤；
运动轨迹生成单元，用于利用B样条轨迹插值法获取欧氏距离过滤后的采样点生成机械臂的运行轨迹；
运动轨迹过滤单元，用于将运动轨迹按照空间规划距离约束进行平滑过滤生成规划轨迹，完成对康养机器人轨迹采样的滤波。
本发明公开的第三方面，
提供一种设备，包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，处理器被配置为调用存储器存储的指令，以执行前述中任意一项的方法。
本发明公开的第四方面，
提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，包括：
计算机程序指令被处理器执行时实现前述中任意一项的方法。
本发明可以是方法、装置、系统和/或计算机程序产品，计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子（非穷举的列表）包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、静态随机存取存储器（SRAM）、便携式压缩盘只读存储器（CD-ROM）、数字多功能盘（DVD）、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波（例如，通过光纤电缆的光脉冲）、或者通过电线传输的电信号。
实施例2
参照图3~6为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法及系统的验证测试，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明。
本实施例通过获取指定采样点并对指定采样点进行欧氏距离过滤，利用B样条轨迹插值法获取欧氏距离过滤后的采样点生成机械臂的运行轨迹，将运动轨迹按照空间规划距离约束进行平滑过滤生成规划轨迹，完成对康养机器人轨迹采样的滤波，实验参数设置如下：机器人末端最大速度，最小速度/>，最大加速度，最大加速/>，插补周期为/>。
图3为未进行距离限制前的机械臂轨迹的总体曲线示意图，图4为未进行最小最大速度限制前的机械臂轨迹的总体曲线示意图，该图是局部放大，可以看到曲线中的点是非常密集的，这样的曲线虽然平滑但是不符合康养中的单点不停留过长时间的要求；在经过本发明方法的处理后，得到图5和图6所示的进行距离限制和最小最大速度限制后的机械臂轨迹曲线示意图，利用距离和速度限制以保证每个点与点之间的间隔。
因此，本发明提供的方法通过采用空间欧式距离过滤方法对预设的轨迹行进空间滤波，减少原始B样条轨迹中的过多的单陆点停留时间，此外针对射频燃脂中机械臂轨迹过于稠密局部灼伤用户的问题，对轨迹进行稀疏性采样，并控制点的平滑度，在不卡顿抖动的机械臂曲线中能够快速运行。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法，其特征在于，包括：
获取指定采样点并对所述指定采样点进行欧氏距离过滤；
利用B样条轨迹插值法获取所述欧氏距离过滤后的采样点生成机械臂的运行轨迹；
将运动轨迹按照空间规划距离约束进行平滑过滤生成规划轨迹，完成对康养机器人轨迹采样的滤波；
所述欧氏距离过滤的过程包括，
获取指定采样点的位姿，并初始化一个孔的列表list存放过滤后合法的采样点位姿信息；
将获取指定采样点的第一个位姿添加到所述列表list中；
循环遍历所有所述指定采样点的位姿，若循环遍历到指定采样点的最后一个位姿，则直接将添加的列表list输出，否则需根据判断依据对所述指定采样点的位姿进行阈值判断；
所述判断依据的计算包括，
；
其中，表示前后点的插值几何判断依据，/>和/>分别表示两个点位相对于机械臂的基坐标系的位置值，/>表示两个点之间的旋转角度。
2.如权利要求1所述的基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法，其特征在于：所述采样点生成机械臂的运行轨迹的获取包括，
根据输出的列表list确定控制点；
利用B样条轨迹插值法确定插值曲线的次数和所述控制点的数量，再根据所述控制点的数量在所述插值曲线的起始点和终点插入若干的节点，并计算节点向量；
通过插值法构造 B 样条基函数，利用所述控制点和所述B 样条基函数求解系数矩阵，再根据所述B 样条基函数和系数矩阵对新的插值节点进行计算，生成插值曲线；
对所述插值曲线进行平滑处理，并添加速度限制，根据平滑处理后的插值曲线生成所述欧氏距离过滤后的采样点生成机械臂的运行轨迹。
3.如权利要求2所述的基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法，其特征在于：所述节点向量的计算包括，
；
其中，表示第i个插值节点的位置信息，/>表示节点，/>表示插值曲线的次数，表示控制节点的数量。
4.如权利要求2所述的基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法，其特征在于：所述系数矩阵的求解包括，
所述系数矩阵的元素由所述控制点在各个基函数下的权重决定，所述权重是通过将每个控制点与其对应的插值节点之间的距离作为残差，再使用最小二乘法计算得来。
5.如权利要求2所述的基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波方法，其特征在于：所述速度限制的获取包括，
通过求导数对所述插值曲线进行曲线平滑处理，所述插值曲线为，其一阶导数为/>，二阶导数为/>；
对所述曲线平滑处理后的插值曲线添加最小和最大的数据限制，公式表示为：
；
其中，表示标识最小速度限制，/>表示标识最大速度限制，/>表示加速度限制。
6.基于欧氏空间距离的康养机器人轨迹采样滤波系统，其特征在于，包括：
采样点过滤单元，用于获取指定采样点并对所述指定采样点进行欧氏距离过滤；
运动轨迹生成单元，用于利用B样条轨迹插值法获取所述欧氏距离过滤后的采样点生成机械臂的运行轨迹；
运动轨迹过滤单元，用于将所述运动轨迹按照空间规划距离约束进行平滑过滤生成规划轨迹，完成对康养机器人轨迹采样的滤波。
7.一种设备，其特征在于，所述设备包括，
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行权利要求1~5中任一所述的方法。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，所述计算机程序指令被处理器执行时实现权利要求1~5中任一所述的方法。
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