CN117359646B - 人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，提供一种人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，包括：建立机械臂基坐标系，确定相对于机械臂基坐标系的虚拟墙坐标系，并在虚拟墙坐标系下建立虚拟墙；获取机械臂的末端点在机械臂基坐标系中的第一坐标点，并将末端点转换至虚拟墙坐标系中得到末端点的第二坐标点；判断第二坐标点是否位于虚拟墙墙体外，若第二坐标点位于虚拟墙墙体内，则构建虚拟墙力矢量，并基于虚拟墙力矢量控制机械臂运动。上述的人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，虚拟墙的刚度随着机械臂进入虚拟墙的深度进行非线性变化，保证了虚拟墙反弹力的柔顺性，消除了传统方法触碰到虚拟墙时产生的抖振和回弹现象，增强了操作时的安全性。

Description

人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法。

背景技术

机器人根据与人的交互模式不同，可以分为主动式、被动式和人机协作式。例如，在对关节进行置换时，需要医生拖着机器人末端进行切割、磨削操作，属于人机协作机器人。由于操作区域一般都非常狭小，操作者很容易由于手的抖动、误操作等将机器人拖动到操作区域外，从而伤害到人体的重要组织，发生安全事故，所以需要在操作区域建立虚拟墙增加操作的安全性。

目前常见的机器人虚拟墙技术直接根据机械臂到墙面的垂直距离建立常规虚拟墙，虽然能达到将机械臂限制在虚拟墙内的目的，但由于虚拟墙的设计仅仅是一个区域范围，没有赋予其力的特性，导致机械臂在进入或者离开虚拟墙时，其控制力矩陡然上升或消失，产生机械臂的抖振和回弹现象，严重影响操作者使用感受，甚至造成安全事故。

事实上，在操作过程中，机械臂末端执行器是跟随与人手的交互力进行运动的，即控制器的输入是力而不是期望轨迹，此时常见的建立虚拟墙的方法就不再适用了。基于此，提供一种新的虚拟墙的构建方法成为业内亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，用以解决现有技术中常规的虚拟墙无法满足实际操作需要的缺陷。

本发明提供一种人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，包括：建立机械臂基坐标系，确定相对于所述机械臂基坐标系的虚拟墙坐标系，并在所述虚拟墙坐标系下建立虚拟墙；获取机械臂的末端点在所述机械臂基坐标系中的第一坐标点，并将所述末端点转换至所述虚拟墙坐标系中得到所述末端点的第二坐标点；判断所述第二坐标点是否位于所述虚拟墙墙体外，若所述第二坐标点位于所述虚拟墙墙体外，则所述机械臂可自由拖动，若所述第二坐标点位于所述虚拟墙墙体内，则构建虚拟墙力矢量，并基于所述虚拟墙力矢量控制所述机械臂运动。

根据本发明提供的一种人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，若所述第二坐标点位于所述虚拟墙墙体内，则构建虚拟墙力矢量，并基于所述虚拟墙力矢量控制所述机械臂运动的步骤进一步包括：根据机械臂超出所述虚拟墙的边界面的位移以及机械臂的运动速度构建虚拟墙坐标系中的所述虚拟墙力矢量；将所述虚拟墙力矢量转换至所述机械臂基坐标系中得到第一力，基于外力与所述第一力的差值控制机械臂运动。

根据本发明提供的一种人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，建立所述机械臂基坐标系的步骤进一步包括：以所述机械臂的起始端的中心点为第一原点，建立三维坐标系，所述三维坐标系即为所述机械臂基坐标系。

根据本发明提供的一种人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，确定相对于所述机械臂基坐标系的虚拟墙坐标系，并在所述虚拟墙坐标系下建立虚拟墙的步骤进一步包括：将所述第一原点经过转换矩阵计算得到所述虚拟墙坐标系中的第二原点；以所述第二原点为顶点、第一预设值为高、第二预设值为底面圆半径得到圆锥体，所述圆锥体的侧表面即为所述虚拟墙的边界面，所述边界面包裹的圆锥体之内的区域即为所述虚拟墙墙体外，所述边界面包裹的圆锥体之外的区域即为所述虚拟墙墙体内。根据本发明提供的一种人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，所述获取机械臂的末端点在所述机械臂基坐标系中的第一坐标点，并将所述末端点转换至所述虚拟墙坐标系中得到所述末端点的第二坐标点的步骤进一步包括：使用光学定位系统或者根据机械臂关节角度计算得到机械臂末端点在所述机械臂基坐标系中的所述第一坐标点；基于所述第一坐标点，通过转换矩阵计算得到所述末端点在所述虚拟墙坐标系中的所述第二坐标点。

根据本发明提供的一种人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，判断所述第二坐标点是否位于所述虚拟墙墙体外的步骤进一步包括：判断所述第二坐标点的z轴坐标点是否小于0；若小于0，则所述第二坐标点位于所述虚拟墙墙体内。

根据本发明提供的一种人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，所述构建方法还包括：若所述第二坐标点的轴坐标点小于0，则在所述机械臂基坐标系中构建指向所述虚拟墙墙体内的第一位移矢量；基于所述第一位移矢量和机械臂当前的速度矢量构建所述虚拟墙力矢量。

根据本发明提供的一种人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，所述构建方法还包括：若所述第二坐标点的z轴坐标点大于或等于0，则在所述机械臂基坐标系中，过点作与所述虚拟墙坐标系中/>轴相垂直的平面，所述平面与所述圆锥体相交得到圆；基于所述圆的半径、所述第二坐标点的/>轴坐标点和/>轴坐标点的关系判断所述第二坐标点是否位于所述虚拟墙墙体外；其中，/>为所述第二坐标点的/>轴坐标点。

根据本发明提供的一种人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，所述基于所述圆的半径、所述第二坐标点的轴坐标点和/>轴坐标点的关系判断所述第二坐标点是否位于所述虚拟墙墙体外的步骤进一步包括：若所述半径的平方大于或等于所述/>轴坐标点的平方与所述/>轴坐标点的平方的和，则所述第二坐标点位于所述虚拟墙墙体外；若所述半径的平方小于所述/>轴坐标点的平方与所述/>轴坐标点的平方的和，则所述第二坐标点位于所述虚拟墙墙体内。

根据本发明提供的一种人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，所述构建方法还包括：若所述半径的平方小于所述轴坐标点的平方与所述/>轴坐标点的平方的和，基于所述半径、所述/>轴坐标点和所述/>轴坐标点得到第二位移矢量；基于所述第二位移矢量和机械臂当前的速度矢量构建所述虚拟墙力矢量。

本发明提供的人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，通过构建虚拟墙力矢量，得到虚拟墙反弹力，使虚拟墙具有了力的属性，可以吸收外力，在外力操作机械臂靠近虚拟墙墙体时，虚拟墙墙体的力与外力抵消，保证了虚拟墙反弹力的柔顺性，消除了传统方法触碰到虚拟墙时产生的抖振和回弹现象，增强了操作时的安全性，大大提升了人机协作的柔顺性和安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法的流程图；

图2是机械臂基坐标系和虚拟墙坐标系的建立示意图；

图3是虚拟墙墙体内和虚拟墙墙体外的标识图；

图4是K非线性变化函数图；

图5是传统虚拟墙的效果图；

图6是本发明提供的虚拟墙的效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

下面结合图1-图6描述本发明的人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法。

如图1所示，在本发明的实施例中，人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法具体包括以下步骤：

步骤01：建立机械臂基坐标系，确定相对于机械臂基坐标系的虚拟墙坐标系，并在虚拟墙坐标系下建立虚拟墙。

步骤02：获取机械臂的末端点在机械臂基坐标系中的第一坐标点，并将末端点转换至虚拟墙坐标系中得到末端点的第二坐标点。

步骤03：判断第二坐标点是否位于虚拟墙墙体外，若第二坐标点位于虚拟墙墙体外，则机械臂可自由拖动，若第二坐标点位于虚拟墙墙体内，则构建虚拟墙力矢量，并基于虚拟墙力矢量控制机械臂运动。

具体来说，如图2所示，以机械臂的起始端的中心点为第一原点，建立三维坐标系，该三维坐标系即为机械臂基坐标系。将该第一原点转换至虚拟墙坐标系/>中得到第二原点，以该第二原点作为虚拟墙的顶点，建立虚拟墙。获取机械臂的末端点在机械臂基坐标系/>中的第一坐标点，并通过转换矩阵计算出该末端点在虚拟墙坐标系/>中的第二坐标点。基于第二坐标点的/>轴坐标点来判断第二坐标点是否在虚拟墙墙体外，若/>轴坐标点小于0，则第二坐标点位于虚拟墙墙体内；若/>轴坐标点大于或等于0，则第二坐标点可能位于虚拟墙墙体内，也可能位于虚拟墙墙体外。当第二坐标点位于虚拟墙墙体外时，机械臂可自由拖动，当第二坐标点位于虚拟墙墙体内时，则需要根据机械臂超出虚拟墙的边界面的位移以及机械臂的运动速度构建虚拟墙力矢量，将虚拟墙力矢量转换至机械臂基坐标系中得到第一力，基于外力与第一力的差值控制机械臂运动。

本发明实施例提供的人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，通过构建虚拟墙力矢量，得到虚拟墙反弹力，使虚拟墙具有了力的属性，可以吸收外力，在外力操作机械臂靠近虚拟墙墙体时，虚拟墙墙体的力与外力抵消，保证了虚拟墙反弹力的柔顺性，消除了传统方法触碰到虚拟墙时产生的抖振和回弹现象，增强了操作时的安全性，大大提升了人机协作的柔顺性和安全性。

进一步地，在本发明的实施例中，建立机械臂基坐标系，确定相对于机械臂基坐标系的虚拟墙坐标系，并在虚拟墙坐标系下建立虚拟墙的步骤具体包括：以机械臂的起始端的中心为第一原点，建立三维坐标系，该三维坐标系即为机械臂基坐标系。将第一原点经过转换矩阵计算得到虚拟墙坐标系/>中的第二原点，以第二原点为顶点、第一预设值为高、第二预设值为底面圆半径得到圆锥体，如图3所示，该圆锥体的侧表面即为虚拟墙的边界面，该边界面包裹圆锥体之内的区域即为虚拟墙墙体外，边界面包裹圆锥体之外的区域即为虚拟墙墙体内。

具体来说，在建立机械臂基坐标系后，根据转换矩阵计算得到虚拟墙坐标系中的第二原点，该第二原点即为虚拟墙的顶点。以该第二原点为顶点、第一预设值为高、第二预设值为底面圆半径得到圆锥体，该圆锥体的侧表面即为虚拟墙的边界面。在本实施例中，第一预设值和第二预设值可根据操作需要灵活设计，为便于描述，在本实施例中，锥形体的底面半径为/>，高为/>。

在本发明的实施例中，获取机械臂的末端点在机械臂基坐标系/>中的第一坐标点，并将末端点/>转换至虚拟墙坐标系/>中得到末端点/>的第二坐标点的步骤进一步包括：使用光学定位系统或者根据机械臂关节角度计算得到机械臂末端点/>在机械臂基坐标系/>中的第一坐标点/>；然后计算从机械臂基坐标系到虚拟墙坐标系的转换矩阵/>，通过转换矩阵计算得到末端点/>在虚拟墙坐标系/>中的第二坐标点/>。

进一步地，在本发明的实施例中，判断第二坐标点是否位于虚拟墙墙体外的步骤进一步包括：判断第二坐标点的z轴坐标点是否小于0，若小于0，则第二坐标点位于虚拟墙墙体内；若大于或等于0，则第二坐标点可能位于虚拟墙墙体内，也可能位于虚拟墙墙体外。

具体来说，若小于0，则说明机械臂超出了圆锥体的顶点，即机械臂位于虚拟墙的边界面之外，此时，根据机械臂超出虚拟墙边界面的位移以及机械臂的运动速度构建虚拟墙坐标系中的虚拟墙力矢量，将虚拟墙力矢量转换至机械臂基坐标系中得到第一力，基于外力与第一力的差值控制机械臂运动。

具体来说，首先构建一个指向虚拟墙内的第一位移矢量，其中，/>表示机械臂移出虚拟墙墙体的位移，使用/>和测得的机械臂的当前速度的速度矢量/>构建虚拟墙力矢量/>，其具体表达式如下：

，其中，/>为弹性力，/>为阻力，/>为随着/>大小非线性变化的刚度系数，/>是虚拟墙墙体的阻尼系数，为一常数。

其中，的变化式为：

，

其中为/>值下限，/>为/>值变化范围，/>为/>值变化率，/>为/>值变化到中心值时自变量/>的值。具体地，如图4所示。

将力矢量转换回机械臂基坐标系/>变为第一力/>，其中，

，然后计算外力/>与第一力/>的差值，该差值即为控制机械臂运动的力。具体地，在本实施例中，虚拟墙被赋予了力的属性，可以吸收外力，当/>和控制机械臂运动的力的和等于外力时，外力被中和，机械臂靠近虚拟墙墙体时，不再发生回弹和抖振。

进一步地，在本发明的实施例中，判断第二坐标点是否位于虚拟墙墙体外的步骤进一步包括：判断第二坐标点的z轴坐标点是否小于0，若大于或等于0，则第二坐标点可能位于虚拟墙墙体内，也可能位于虚拟墙墙体外。

具体来说，若大于或等于0，则/>位于虚拟墙墙体外，此时要判断/>和/>是否位于虚拟墙墙体外。在机械臂基坐标系/>中，过点/>作与虚拟墙坐标系中与/>轴相垂直的平面，该平面与圆锥体相交得到圆，基于该圆的半径、第二坐标点的/>轴坐标点和/>轴坐标点的关系判断第二坐标点是否位于虚拟墙墙体外；其中，/>为第二坐标点的/>轴坐标点，/>为第二坐标点的/>轴坐标点，/>为第二坐标点的/>轴坐标点。

具体来说，若半径的平方大于或等于轴坐标点的平方与/>轴坐标点的平方的和，则第二坐标点位于虚拟墙墙体外；若半径的平方小于/>轴坐标点的平方与/>轴坐标点的平方的和，则第二坐标点位于虚拟墙墙体内。

具体地，该平面与圆锥体相交得到圆，该圆的半径为：，判断/>与/>的大小，如果/>大于或等于/>，则说明机械臂在虚拟墙墙体外可以自由拖动。

如果小于/>，则

。

使用和测得的机械臂的当前速度的速度矢量/>构建虚拟墙力矢量/>，其具体表达式如下：

，其中，/>为弹性力，/>为阻力，/>为随着大小非线性变化的刚度系数，/>是虚拟墙墙体的阻尼系数，为一常数。其中，/>的变化式为：

，

其中为/>值下限，/>为/>值变化范围，/>为/>值变化率，/>为/>值变化到中心值时自变量/>的值。

将力矢量转换回机械臂基坐标系/>变为第一力/>，

，然后计算外力/>与第一力/>的差值，该差值即为控制机械臂运动的力。

如图5所示，为传统的虚拟墙效果图，具体地，采集时间间隔为0.001s的机械臂的末端点的第二坐标点，将所有第二坐标点连线形成机械臂末端点的运动轨迹，在图5中，曲线上存在小波折，该小波折即为机械臂触碰到虚拟墙时产生的回弹和抖振。

如图6所示，为本发明实施例提供的虚拟墙效果图。具体地，采集时间间隔为0.001s的机械臂的末端点的第二坐标点，将所有第二坐标点连线形成机械臂末端点的运动轨迹，在图6中，曲线更为平滑，曲线上没有小波折，即消除了机械臂触碰到虚拟墙时产生的回弹和抖振。

本发明实施例提供的人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，通过机械臂进入虚拟墙内的位移和机械臂当前的速度得到虚拟墙反弹力，虚拟墙的刚度随着机械臂进入虚拟墙的深度进行非线性变化，保证了虚拟墙反弹力的柔顺性，消除了传统方法触碰到虚拟墙时产生的抖振和回弹现象，增强了操作时的安全性，在协作机器人工业制造过程中具有广泛的应用场景，具有较大的经济效益。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，其特征在于，包括：

建立机械臂基坐标系，确定相对于所述机械臂基坐标系的虚拟墙坐标系，并在所述虚拟墙坐标系下建立虚拟墙；

获取机械臂的末端点在所述机械臂基坐标系中的第一坐标点，并将所述末端点转换至所述虚拟墙坐标系中得到所述末端点的第二坐标点；

判断所述第二坐标点是否位于所述虚拟墙墙体外，若所述第二坐标点位于所述虚拟墙墙体外，则所述机械臂可自由拖动，若所述第二坐标点位于所述虚拟墙墙体内，则根据机械臂超出所述虚拟墙的边界面的位移以及机械臂的运动速度构建虚拟墙坐标系中的所述虚拟墙力矢量；将所述虚拟墙力矢量转换至所述机械臂基坐标系中得到第一力，基于外力与所述第一力的差值控制机械臂运动，其中所述虚拟墙力矢量包括弹性力和阻力，所述弹性力非线性变化。

2.根据权利要求1所述的人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，其特征在于，建立所述机械臂基坐标系的步骤进一步包括：

以所述机械臂的起始端的中心点为第一原点，建立三维坐标系，所述三维坐标系即为所述机械臂基坐标系。

3.根据权利要求2所述的人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，其特征在于，确定相对于所述机械臂基坐标系的虚拟墙坐标系，并在所述虚拟墙坐标系下建立虚拟墙的步骤进一步包括：

将所述第一原点经过转换矩阵计算得到所述虚拟墙坐标系中的第二原点；

以所述第二原点为顶点、第一预设值为高、第二预设值为底面圆半径得到圆锥体，所述圆锥体的侧表面即为所述虚拟墙的边界面，所述边界面包裹的圆锥体之内的区域即为所述虚拟墙墙体外，所述边界面包裹的圆锥体之外的区域即为所述虚拟墙墙体内。

4.根据权利要求1所述的人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，其特征在于，所述获取机械臂的末端点在所述机械臂基坐标系中的第一坐标点，并将所述末端点转换至所述虚拟墙坐标系中得到所述末端点的第二坐标点的步骤进一步包括：

使用光学定位系统或者根据机械臂关节角度计算得到机械臂末端点在所述机械臂基坐标系中的所述第一坐标点；

基于所述第一坐标点，通过转换矩阵计算得到所述末端点在所述虚拟墙坐标系中的所述第二坐标点。

5.根据权利要求3所述的人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，其特征在于，判断所述第二坐标点是否位于所述虚拟墙墙体外的步骤进一步包括：

判断所述第二坐标点的轴坐标点是否小于0；

若小于0，则所述第二坐标点位于所述虚拟墙墙体内。

6.根据权利要求5所述的人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，其特征在于，所述构建方法还包括：

若所述第二坐标点的轴坐标点小于0，则在所述机械臂基坐标系中构建指向所述虚拟墙墙体内的第一位移矢量；

基于所述第一位移矢量和机械臂当前的速度矢量构建所述虚拟墙力矢量。

7.根据权利要求5所述的人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，其特征在于，所述构建方法还包括：

若所述第二坐标点的轴坐标点大于或等于0，则在所述机械臂基坐标系中，过点作与所述虚拟墙坐标系中/>轴相垂直的平面，所述平面与所述圆锥体相交得到圆；

基于所述圆的半径、所述第二坐标点的轴坐标点和/>轴坐标点的关系判断所述第二坐标点是否位于所述虚拟墙墙体外；其中，/>为所述第二坐标点的/>轴坐标点。

8.根据权利要求7所述的人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，其特征在于，所述基于所述圆的半径、所述第二坐标点的轴坐标点和/>轴坐标点的关系判断所述第二坐标点是否位于所述虚拟墙墙体外的步骤进一步包括：

若所述半径的平方大于或等于所述轴坐标点的平方与所述/>轴坐标点的平方的和，则所述第二坐标点位于所述虚拟墙墙体外；

若所述半径的平方小于所述轴坐标点的平方与所述/>轴坐标点的平方的和，则所述第二坐标点位于所述虚拟墙墙体内。

9.根据权利要求8所述的人机协作机器人变刚度虚拟墙的构建方法，其特征在于，所述构建方法还包括：

若所述半径的平方小于所述轴坐标点的平方与所述/>轴坐标点的平方的和，基于所述半径、所述/>轴坐标点和所述/>轴坐标点得到第二位移矢量；

基于所述第二位移矢量和机械臂当前的速度矢量构建所述虚拟墙力矢量。