CN118322218B - 一种基于力觉和触觉反馈的机器人手臂控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于力觉和触觉反馈的机器人手臂控制系统及方法，机器人技术领域，感知模块，所述感知模块包括传感器单元和数据采集单元，所述传感器单元用于获取得到所述机器人手臂的力觉触觉的反馈信息，所述数据采集单元用于获取得到机器人手臂周围的环境信息；控制模块，所述控制模块用于规划机器人手臂的运动轨迹，反馈模块；故障诊断模块；通过计算实际初始和期望初始之间的差异，来得到误差的具体数值，然后再设置一个误差的阈值，当误差超过阈值时来对机器人手臂的参数进行调整，通过根据机器人手臂的反应时间为时间步长，在每个控制周期重复迭代来根据反馈信息对机器人手臂的运行参数进行调整，便于实现对机器人手臂的精准控制。

Description

一种基于力觉和触觉反馈的机器人手臂控制系统及方法

技术领域

本发明机器人技术领域，更具体地说，涉及一种基于力觉和触觉反馈的机器人手臂控制系统及方法。

背景技术

随着机器人技术的快速发展，高精度机器人手臂在工业生产、医疗服务和空间探索等领域的应用日益广泛，然而，传统的机器人手臂在操作中往往缺乏对外部环境的实时感知与适应，导致操作精度和稳定性受限；

申请号为201810173297.X的中国专利公开了一种电触觉反馈装置及安装有该装置的手术机器人，所述的电触觉反馈装置包括多维力传感器和电触觉反馈系统，通过多维力传感器检测实际微创手术中手术器械和患病组织间接触的力信息，并将力信息传递给电触觉控制系统，而电触觉控制系统包括主控制模块和电流刺激模块，主控制模块接收多维力传感器输出的信号，并向电流刺激模块发出指令，通过电流刺激模块提供触觉刺激反馈，将实时的力信息反馈到术者手上，从而能够指导术者施加精确的作用力；

但是在实际使用过程中，工业生产的机器人和医疗机器人不同，工厂环境可能包含高温、振动、灰尘和电磁干扰，这些都可能影响传感器的性能和机器人的稳定性；而且工业机器人需要能够承受长时间的重复性工作，而高精度的传感器和复杂算法可能会增加维护成本。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于力觉和触觉反馈的机器人手臂控制系统及方法。

为了实现上述目的，一方面，本发明提出了一种基于力觉和触觉反馈的机器人手臂控制系统，包括：

感知模块，所述感知模块包括传感器单元和数据采集单元，所述传感器单元用于获取得到所述机器人手臂的力觉触觉的反馈信息，所述数据采集单元用于获取得到机器人手臂周围的环境信息；

控制模块，所述控制模块用于规划机器人手臂的运动轨迹，

反馈模块，所述反馈模块用于根据所述感知模块的数据来实时调整所述机器人手臂的运动轨迹；

所述反馈模块的具体工作方式如下：所述反馈模块包括判断单元和调节单元，所述判断单元用于判断所述机器人手臂在运行中是否需要进行校准；事先设定所述机器人手臂的期望接触状态值；

获取得到所述机器人手臂的当前接触状态值；

判断期望接触状态值和当前接触状态值是否相同，如果是，则标记机器人手臂运行正常，如果否，则生成控制信号并传输至所述调节单元；

所述调节单元生成校正后的反馈信息并传输至所述控制模块对机器人手臂的规划路径进行校正；

故障诊断模块，所述故障诊断模块用于确保机器人手臂的操作安全，并提供系统状态的实时监控和故障诊断。

优选的，所述控制模块的具体工作方式如下，具体为：

所述控制模块包括控制台，以所述控制台为原点，以机器人手臂横向移动的方向为X轴，以机器人手臂纵向移动的方向为Y轴，以机器人手臂上下移动的方向为Z轴，建立三维坐标系；获取得到所述机器人手臂当前的坐标（，，）；

获取得到所述机器人手臂的目标位置坐标（，，）和目标时间T；根据所述机器人手臂当前的坐标（，，）和目标位置坐标（，，）获取得到直线路径坐标；

获取得到所述机器人手臂所在空间内的所有障碍物中心点坐标（，，），并且判断直线路径坐标和障碍物坐标之间是否存在重合；

如果否，则将直线路径坐标设定为移动路径，计算获取得到所述机器人手臂当前的坐标（，，）和目标位置坐标（，，）之间的直线距离d，根据，获取得到所述机器人手臂的运动速度V；

如果是，则根据障碍物的坐标计算获取得到避开障碍后的路径坐标。

优选的，避开障碍后的路径坐标的具体计算方式如下：

事先设定一个半径r；

将直线路径坐标以10cm的距离设定中间节点，生成直线路径坐标中每个节点的坐标（，，）；

判断每个中心点的坐标是否和任何障碍物发生重叠；

具体判断是否大于，如果是，则说明该中心点为安全节点，如果否，则判断该中心点为故障节点；

移除直线路径坐标上的故障节点，通过安全节点生成避障后的运动路径坐标。

优选的，所述调节单元的具体工作方式如下：

获取得到所述机器人手臂的实际移动速度，将实际移动速度和所述机器人手臂的期望运动速度V进行差值计算，获取得到所述机器人手臂的速度误差；

根据公式计算获取得到调整值U，其中是比例增益、是积分增益、是微分增益、是误差的积分，是误差的变化率；

根据手臂的实际移动速度再加上调整值U后获取得到调整后的速度参数；

然后根据机器人手臂期望路径坐标点集合，并标记为P；

根据公式，计算获取得到所述调整后机器人手臂的路径坐标点集合，其中为时间步长；

将调整后的和传输至所述控制模块，在所述控制模块执行后再次判断机器人手臂的期望接触状态值和当前接触状态值是否相同，如果相同则结束调整，如果不相同则重复上述步骤再次进行调整，直至机器人手臂的期望接触状态值和当前接触状态值相同。

优选的，所述反馈模块还包括微调单元，所述微调单元用于对所述机器人手臂进行二次调整，具体如下：

将调节单元完成一次完整的调整标记为一次迭代，事先设定一个迭代次数的阈值，当调节单元的迭代次数到达阈值后，将信号传输至所述微调单元；

所述微调单元根据所述数据采集单元获取得到工件位置和实际工件位置的距离差值J；

根据公式，计算获取得到调节的补偿量H；

调节的补偿量H传输至所述控制模块，通过控制模块来对所述机器人手臂的运行路径进行调整。

优选的，所述反馈模块还包括适应单元，所述适应单元用于在调整时结合机器人手臂所在空间的环境信息进行对应的调节，具体为：

获取得到所述环境的风速；

获取得到所述环境的温度值；

获取得到所述环境的湿度值；

获取得到所述机器人手臂当前时间段前的总工作时间；

获取得到所述机器人手臂当前时间段前的总维护值；

根据公式计算获取得到所述机器人手臂的环境适应值，其中、、、和，为预设的比例系数；

将环境适应值代入所述反馈模块中，再计算所述机器人手臂的参数时加上环境适应值。

优选的，所述适应单元还用于在结合所述感知模块中传感器在使用时的误差来进行对应的调节，具体为：

获取得到所述感知模块中传感器的总工作时间和理论工作时间的比值；

获取得到所述传感器的工作噪声，并标记为M；

根据公式计算获取得到所述机器人手臂的传感器适应值，其中为预设的比例系数；

将传感器适应值代入所述反馈模块中，再计算所述机器人手臂的参数时加上传感器适应值。

优选的，所述故障诊断模块包括安全协议单元和故障诊断单元，所述安全协议单元用于实现紧急停止、碰撞检测和区域保护等安全功能；所述故障诊断单元用于监测系统性能，预测和报告潜在的维护问题，所述安全协议单元的具体工作方式如下：

获取得到所述机器人手臂的实际移动速度；

获取得到所述机器人手臂的实际温度；

获取得到所述机器人手臂的实际振动；

事先设定所述机器人手臂的移动速度阈值、温度阈值和振动阈值，并且将实际移动速度、实际温度和实际振动进行对比，如果有任意一项大于对应阈值，则判断所述机器人手臂的运行存在故障，生成信号传输至所述控制模块关闭所述机器人手臂。

优选的，所述故障诊断单元的具体工作方式如下：

将机器人手臂的温度、振动和速度标记为关键性能指标；

获取得到每个关键指标的平均值和标准差；

获取得到当前时间段每个关键指标的测量值；

根据公式；计算获取得到异常值A；事先设定异常值A的阈值，判断A的绝对值是否大于阈值，如果是，则判断该指标异常，如果否，则判断该指标正常，将异常指标发送至所述控制模块。

另一方面，本发明还提出了一种基于力觉和触觉反馈的机器人手臂控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：获取得到所述机器人手臂的力觉触觉的反馈信息和机器人手臂周围的环境信息，并且规划机器人手臂的运动轨迹；

步骤二：根据感知模块的数据来实时调整所述机器人手臂的运动轨迹；

步骤三：对机器人手臂提供系统状态的实时监控和故障诊断。

有益效果：通过计算实际初始和期望初始之间的差异，来得到误差的具体数值，然后再设置一个误差的阈值，当误差超过阈值时来对机器人手臂的参数进行调整，可以在确保机器人手臂在面对各种不确定性和干扰时，仍然能保持高精度的操作，通过根据机器人手臂的反应时间为时间步长，在每个控制周期重复迭代来根据反馈信息对机器人手臂的运行参数进行调整，便于实现对机器人手臂的精准控制；

通过持续迭代的方式来满足机器人手臂的工作需要，但如果是因为工件的位置出现偏差而导致出现异常则需要迭代很多次才能完成目的，本技术方案可以在迭代多次后，考虑在工件的位置出现偏差后来对其进行调整，可以减少调整的总时间。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明的系统框图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于力觉和触觉反馈的机器人手臂控制系统，包括：

需要说明的是，机器人手臂包括机器人手臂主体、控制机器人手臂主体移动的控制台和安装在机器人手臂主体上的末端执行器，末端执行器是机器人手臂中用于抓取、搬运或者操作物体的部分，可以为夹爪、吸盘或者工具头；

还需要说明的是，在实际的使用过程中，机器人手臂主体执行任务的移动路径为预先设定，虽然可以对现有空间内的障碍物进行避让，但是在遇到障碍物出现变化时不能进行实时调整，本技术方案通过综合机器人手臂主体所在室内空间的障碍物信息，制定一条高效且安全的移动路径；

感知模块，感知模块包括传感器单元和数据采集单元，传感器单元用于获取得到机器人手臂的力觉触觉的反馈信息，数据采集单元用于获取得到机器人手臂周围的环境信息；需要说明的是，传感器单元包括力觉传感器和触觉传感器，力觉传感器用于实时感知手臂与外界物体的接触力度，触觉传感器用于感知机器人手臂表面的接触状态；

还需要说明的是，触觉传感器可以是压电式，电容式、电阻式和光学式，取决于实际的使用需求，且触觉传感器安装在机器人手臂的适当位置，在本实施例中安装在机器人手臂的末端执行器上，通过安装在末端执行器上，可以检测到末端执行器的压力、形变和振动，通过上述获得的特征，来判断末端执行器和工件的接触状态；

还需要说明的是，在本实施例中，判断的过程可以为，无接触：压力特征值低于阈值，形变和振动特征值接近零；轻触：压力特征值略有增加，形变特征值开始出现，振动特征值可能有小幅度增加；接触：压力特征值明显增加，形变特征值显著，振动特征值可能有所变化；紧握或碰撞：压力特征值达到或超过最大值，形变特征值显著，振动特征值可能达到峰值；

在本实施例中，接触状态可以为，无接触：没有检测到压力或形变；轻触：检测到轻微的压力或形变；接触：有明显压力或形变，但未达到事先设定的阈值；紧握：压力或形变达到或超过事先设定的阈值，阈值根据工作人员事先设定，具体设定参考；

还需要说明的是，数据采集单元包括多种类型的检测器，采集的环境信息包括包含高温、振动、灰尘和电磁干扰，这些都可能影响传感器的性能和机器人的稳定性；

控制模块，控制模块用于规划机器人手臂的运动轨迹，

反馈模块，反馈模块用于根据感知模块的数据来实时调整机器人手臂的运动轨迹；

反馈模块的具体工作方式如下：需要说明的是，在实际的使用中机器人手臂在移动过程中可能会遇到各种情况，一旦发现异常需要操作人员的干预来调整机器人手臂的控制参数，但是从出现异常到操作人员的反应时间可能就会错过最佳的校正时间，从而对机器人手臂的运行产生影响，本技术方案通过计算实际初始和期望初始之间的差异，来得到误差的具体数值，然后再设置一个误差的阈值，当误差超过阈值时来对机器人手臂的参数进行调整，可以在确保机器人手臂在面对各种不确定性和干扰时，仍然能保持高精度的操作；

反馈模块包括判断单元和调节单元，判断单元用于判断机器人手臂在运行中是否需要进行校准；事先设定机器人手臂的期望接触状态值；需要说明的是，期望接触状态根据机器人手臂的具体执行任务来获得，因为具体执行任务可能为搬运、装配和打磨等，根据任务的不同，机器人手臂跟工件的期望接触状态也不同，如果为搬运或者装配等，那机器人手臂跟工件的期望接触状态为紧握，如果为装配，那机器人手臂跟工件的期望接触状态为接触，如果为打磨，那机器人手臂跟工件的期望接触状态为轻触；

对期望接触状态进行赋值，无接触为0、轻触为1、接触为2、紧触为3；

获取得到机器人手臂的当前接触状态值；

判断期望接触状态值和当前接触状态值是否相同，如果是，则标记机器人手臂运行正常，如果否，则生成控制信号并传输至调节单元；

调节单元生成校正后的反馈信息并传输至控制模块对机器人手臂的规划路径进行校正。需要说明的是，判断机器人手臂是否存在不确定性，主要判断机器人手臂和工件的接触状态，通过判断机器人手臂和工件的接触状态可以快速断定机器人手臂的运动轨迹是否需要调整；

故障诊断模块，故障诊断模块用于确保机器人手臂的操作安全，并提供系统状态的实时监控和故障诊断。

可以根据环境可能包含的高温、振动、灰尘和电磁干扰灯情况，减少对传感器的性能和机器人的稳定性的影响；使得工业机器人需要能够承受长时间的重复性工作；

作为可选的实施例：控制模块的具体工作方式如下，需要说明的是，运动轨迹包括机器人手臂的运动路径和运动速度；具体为：

控制模块包括控制台，以控制台为原点，以机器人手臂横向移动的方向为X轴，以机器人手臂纵向移动的方向为Y轴，以机器人手臂上下移动的方向为Z轴，建立三维坐标系；需要说明的是，在本实施例中，控制台可以安装在机器人手臂所在厂房的角落，用于将控制参数传输至机器人手臂；

获取得到机器人手臂当前的坐标（，，）；需要说明的是，机器人手臂的坐标在本实施例中具体为机器人手臂上末端的执行器在厂房内空间中的具体位置；

获取得到机器人手臂的目标位置坐标（，，）和目标时间T；需要说明的是，在本实施例中，目标位置坐标和目标时间根据机器人手臂需要完成的具体任务来制定，具体任务可以为搬运、装配和打磨，根据具体任务的需求确定机器手所需到达的位置和任务完成所需的时间要求，来制定目标位置和目标时间，最后获得目标位置坐标（，，）和目标时间；

根据机器人手臂当前的坐标（，，）和目标位置坐标（，，）获取得到直线路径坐标；需要说明的是，在两个位置之间没有障碍物的情况下，直线路径最短最节约时间，；

获取得到所述机器人手臂所在空间内的所有障碍物中心点坐标（，，），并且判断直线路径坐标和障碍物坐标之间是否存在重合；需要说明的是，如果直线路径坐标和障碍物坐标之间存在重合，则说明机器人手臂的移动路径会受障碍物影响；还需要说明的是，（，，）为第i个障碍物中心点坐标；

还需要说明的是，在本实施例中，障碍物的中心点坐标根据数据采集单元获得，数据采集单元包括视觉传感器，视觉传感器安装在机器人手臂所在空间的各个位置，用于采集机器人手臂所在空间内的障碍物信息，因为厂区内障碍物的特征相同，主要为其他器械或者获取，通过图像对不同于机器人手臂的物体标记为障碍物，并且根据多维的图像信息获取得到障碍物的中心坐标，有利于后续的路径制定；

如果否，则将直线路径坐标设定为移动路径，计算获取得到机器人手臂当前的坐标（，，）和目标位置坐标（，，）之间的直线距离d，根据，获取得到机器人手臂的运动速度V；

如果是，则根据障碍物的坐标计算获取得到避开障碍后的路径坐标；需要说明的是，运动轨迹跟室内障碍物内的轨迹息息相关，在遇到障碍物位置出现变化等情况时，实时通过综合障碍物的信息制定出一条既安全又高效的运动轨迹。

作为可选的实施例：避开障碍后的路径坐标的具体计算方式如下：

事先设定一个半径r；需要说明的是，r为工作人员根据障碍物的尺寸设定，为运行路径的安全距离；

将直线路径坐标以10cm的距离设定中间节点，生成直线路径坐标中每个节点的坐标（，，）；需要说明的是，（，，）在本实施例中为第i个节点的三维坐标；

判断每个中心点的坐标是否和任何障碍物发生重叠；

具体判断是否大于，如果是，则说明该中心点为安全节点，如果否，则判断该中心点为故障节点；

移除直线路径坐标上的故障节点，通过安全节点生成避障后的运动路径坐标。需要说明的是，在本实施例中，生成避障后的运动路径坐标的方式可以为内赛尔曲线法，通过获取得到安全节点来生成运动路径，不仅可以生成一条平滑且避开障碍物的运动路径，而且可以提高机器人手臂的运动性能和安全性。

作为可选的实施例：调节单元的具体工作方式如下：

需要说明的是，在实际的调整过程中，在接收到反馈信息并生成调整参数后如果直接进行调整，在调整的过程中可能会存在误，反而影响后续的机器人手臂的接触状态，本实施例通过根据机器人手臂的反应时间为时间步长，在每个控制周期重复迭代来根据反馈信息对机器人手臂的运行参数进行调整，便于实现对机器人手臂的精准控制；

获取得到机器人手臂的实际移动速度，将实际移动速度和机器人手臂的期望运动速度V进行差值计算，获取得到机器人手臂的速度误差；需要说明的是，其中期望运动速度V为上述计算获得的移动路径中的移动速度；

根据公式计算获取得到调整值U，其中是比例增益、是积分增益、是微分增益、是误差的积分，是误差的变化率；需要说明的是，在本实施例中，选择适当的增益，

为关键，在本技术方案中，获得的具体方法可以为，比例增益，从较高的值开始，然后逐渐降低，直到系统响应开始显示出足够的稳定性和响应性；积分增益，从零开始，逐渐增加，直到系统显示出良好的稳态性能，即没有稳态误差；

微分增益，从零开始，逐渐增加，以增加对快速变化误差的响应，同时避免引入过多的噪声或超调；

根据手臂的实际移动速度再加上调整值U后获取得到调整后的速度参数；

然后根据机器人手臂期望路径坐标点集合，并标记为P；需要说明的是，P通过控制模块事先设定的路径坐标获得；

根据公式，计算获取得到调整后机器人手臂的路径坐标点集合，其中为时间步长；需要说明的是，在本实施例中，根据工作人员预先设定，为机器人手臂允许的调整时间阈值，在本实施例中取值为2s；

将调整后的和传输至控制模块，在控制模块执行后再次判断机器人手臂的期望接触状态值和当前接触状态值是否相同，如果相同则结束调整，如果不相同则重复上述步骤再次进行调整，直至机器人手臂的期望接触状态值和当前接触状态值相同。

作为可选的实施例：反馈模块还包括微调单元，微调单元用于对机器人手臂进行二次调整，具体如下：

需要说明的是，在实际工作过程中，当机器人手臂和工件的接触状态出现异常时，可能是因为移动路径实际工作过程中产生的偏差，导致机器人手臂和工件的接触状态出现异常，也可能是因为工件的位置出现偏差而导致出现异常，虽然可以通过持续迭代的方式来满足机器人手臂的工作需要，但如果是因为工件的位置出现偏差而导致出现异常则需要迭代很多次才能完成目的，本技术方案可以在迭代多次后，考虑在工件的位置出现偏差后来对其进行调整，可以减少调整的总时间；

将调节单元完成一次完整的调整标记为一次迭代，事先设定一个迭代次数的阈值，当调节单元的迭代次数到达阈值后，将信号传输至微调单元；

微调单元根据数据采集单元获取得到工件位置和实际工件位置的距离差值J；

根据公式，计算获取得到调节的补偿量H；需要说明的是，为上述的比例增益；

调节的补偿量H传输至控制模块，通过控制模块来对机器人手臂的运行路径进行调整。需要说明的是，补偿量H为机器人手臂位置的移动补偿，通过。

作为可选的实施例：反馈模块还包括适应单元，适应单元用于在调整时结合机器人手臂所在空间的环境信息进行对应的调节，具体为：

需要说明的是，在实际使用过程中，机器人手臂的运行会受到空间环境和机器人手臂自身的老化所影响，在判断时需要添加这个影响值；

获取得到环境的风速；

获取得到环境的温度值；

获取得到环境的湿度值；

获取得到机器人手臂当前时间段前的总工作时间；

获取得到机器人手臂当前时间段前的总维护值；需要说明的是，总维护值通过工作人员综合机器人手臂的历史工作时间和维护次数进行评分，评分值为1至20的整数；

根据公式计算获取得到机器人手臂的环境适应值，其中、、、和，为预设的比例系数，需要说明的是，在本实施例中，、、、和的取值可以为、、、和；

将环境适应值代入反馈模块中，再计算机器人手臂的参数时加上环境适应值。

作为可选的实施例：适应单元还用于在结合感知模块中传感器在使用时的误差来进行对应的调节，具体为：

获取得到感知模块中传感器的总工作时间和理论工作时间的比值；

获取得到传感器的工作噪声，并标记为M；

根据公式计算获取得到机器人手臂的传感器适应值，其中为预设的比例系数；需要说明的是，在本实施例中，e的取值为0.129；

将传感器适应值代入反馈模块中，再计算机器人手臂的参数时加上传感器适应值。

作为可选的实施例：故障诊断模块包括安全协议单元和故障诊断单元，安全协议单元用于实现紧急停止、碰撞检测和区域保护等安全功能；故障诊断单元用于监测系统性能，预测和报告潜在的维护问题，安全协议单元的具体工作方式如下：

获取得到机器人手臂的实际移动速度；

获取得到机器人手臂的实际温度；

获取得到机器人手臂的实际振动；

事先设定机器人手臂的移动速度阈值、温度阈值和振动阈值，并且将实际移动速度、实际温度和实际振动进行对比，如果有任意一项大于对应阈值，则判断机器人手臂的运行存在故障，生成信号传输至控制模块关闭机器人手臂。

作为可选的实施例：故障诊断单元的具体工作方式如下：

将机器人手臂的温度、振动和速度标记为关键性能指标；需要说明的是，在实际使用中可以添加更多的指标；

获取得到每个关键指标的平均值和标准差；

获取得到当前时间段每个关键指标的测量值；

根据公式；计算获取得到异常值A；事先设定异常值A的阈值，判断A的绝对值是否大于阈值，如果是，则判断该指标异常，如果否，则判断该指标正常，将异常指标发送至控制模块。

另一方面，本发明还提出了一种基于力觉和触觉反馈的机器人手臂控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：获取得到所述机器人手臂的力觉触觉的反馈信息和机器人手臂周围的环境信息，并且规划机器人手臂的运动轨迹；

步骤二：根据感知模块的数据来实时调整所述机器人手臂的运动轨迹；

步骤三：对机器人手臂提供系统状态的实时监控和故障诊断。

工作原理：

通过计算实际初始和期望初始之间的差异，来得到误差的具体数值，然后再设置一个误差的阈值，当误差超过阈值时来对机器人手臂的参数进行调整，可以在确保机器人手臂在面对各种不确定性和干扰时，仍然能保持高精度的操作，通过根据机器人手臂的反应时间为时间步长，在每个控制周期重复迭代来根据反馈信息对机器人手臂的运行参数进行调整，便于实现对机器人手臂的精准控制；

通过持续迭代的方式来满足机器人手臂的工作需要，但如果是因为工件的位置出现偏差而导致出现异常则需要迭代很多次才能完成目的，本技术方案可以在迭代多次后，考虑在工件的位置出现偏差后来对其进行调整，可以减少调整的总时间。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术员工来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本模板的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于力觉和触觉反馈的机器人手臂控制系统，其特征在于，包括：

感知模块，所述感知模块包括传感器单元和数据采集单元，所述传感器单元用于获取得到所述机器人手臂的力觉触觉的反馈信息，所述数据采集单元用于获取得到机器人手臂周围的环境信息；

控制模块，所述控制模块用于规划机器人手臂的运动轨迹，

反馈模块，所述反馈模块用于根据所述感知模块的数据来实时调整所述机器人手臂的运动轨迹；

所述反馈模块的具体工作方式如下：所述反馈模块包括判断单元和调节单元，所述判断单元用于判断所述机器人手臂在运行中是否需要进行校准；事先设定所述机器人手臂的期望接触状态值；

获取得到所述机器人手臂的当前接触状态值；

判断期望接触状态值和当前接触状态值是否相同，如果是，则标记机器人手臂运行正常，如果否，则生成控制信号并传输至所述调节单元；

所述调节单元生成校正后的反馈信息并传输至所述控制模块对机器人手臂的规划路径进行校正；

故障诊断模块，所述故障诊断模块用于确保机器人手臂的操作安全，并提供系统状态的实时监控和故障诊断；

所述控制模块的具体工作方式如下，具体为：

所述控制模块包括控制台，以所述控制台为原点，以机器人手臂横向移动的方向为X轴，以机器人手臂纵向移动的方向为Y轴，以机器人手臂上下移动的方向为Z轴，建立三维坐标系；获取得到所述机器人手臂当前的坐标（，，）；

获取得到所述机器人手臂的目标位置坐标（，，）和目标时间T；根据所述机器人手臂当前的坐标（，，）和目标位置坐标（，，）获取得到直线路径坐标；

获取得到所述机器人手臂所在空间内的所有障碍物中心点坐标（，，），并且判断直线路径坐标和障碍物坐标之间是否存在重合；

如果否，则将直线路径坐标设定为移动路径，计算获取得到所述机器人手臂当前的坐标（，，）和目标位置坐标（，，）之间的直线距离d，根据，获取得到所述机器人手臂的运动速度V；

如果是，则根据障碍物的坐标计算获取得到避开障碍后的路径坐标；

避开障碍后的路径坐标的具体计算方式如下：

事先设定一个半径r；

将直线路径坐标以10cm的距离设定中间节点，生成直线路径坐标中每个节点的坐标（，，）；

判断每个中心点的坐标是否和任何障碍物发生重叠；

具体判断是否大于，如果是，则说明该中心点为安全节点，如果否，则判断该中心点为故障节点；

移除直线路径坐标上的故障节点，通过安全节点生成避障后的运动路径坐标；

所述调节单元的具体工作方式如下：

获取得到所述机器人手臂的实际移动速度，将实际移动速度和所述机器人手臂的期望运动速度V进行差值计算，获取得到所述机器人手臂的速度误差；

根据公式计算获取得到调整值U，其中是比例增益、是积分增益、是微分增益、是误差的积分，是误差的变化率；

根据手臂的实际移动速度再加上调整值U后获取得到调整后的速度参数；

然后根据机器人手臂期望路径坐标点集合，并标记为P；

根据公式，计算获取得到所述调整后机器人手臂的路径坐标点集合，其中为时间步长；

将调整后的和传输至所述控制模块，在所述控制模块执行后再次判断机器人手臂的期望接触状态值和当前接触状态值是否相同，如果相同则结束调整，如果不相同则重复上述步骤再次进行调整，直至机器人手臂的期望接触状态值和当前接触状态值相同；

所述反馈模块还包括微调单元，所述微调单元用于对所述机器人手臂进行二次调整，具体如下：

将调节单元完成一次完整的调整标记为一次迭代，事先设定一个迭代次数的阈值，当调节单元的迭代次数到达阈值后，将信号传输至所述微调单元；

所述微调单元根据所述数据采集单元获取得到工件位置和实际工件位置的距离差值J；

根据公式，计算获取得到调节的补偿量H；

调节的补偿量H传输至所述控制模块，通过控制模块来对所述机器人手臂的运行路径进行调整；

所述反馈模块还包括适应单元，所述适应单元用于在调整时结合机器人手臂所在空间的环境信息进行对应的调节，具体为：

获取得到所述环境的风速；

获取得到所述环境的温度值；

获取得到所述环境的湿度值；

获取得到所述机器人手臂当前时间段前的总工作时间；

获取得到所述机器人手臂当前时间段前的总维护值；

根据公式计算获取得到所述机器人手臂的环境适应值，其中、、、和，为预设的比例系数；

将环境适应值代入所述反馈模块中，再计算所述机器人手臂的参数时加上环境适应值；

所述适应单元还用于在结合所述感知模块中传感器在使用时的误差来进行对应的调节，具体为：

获取得到所述感知模块中传感器的总工作时间和理论工作时间的比值；

获取得到所述传感器的工作噪声，并标记为M；

根据公式计算获取得到所述机器人手臂的传感器适应值，其中为预设的比例系数；

将传感器适应值代入所述反馈模块中，再计算所述机器人手臂的参数时加上传感器适应值。

2.根据权利要求1所述的一种基于力觉和触觉反馈的机器人手臂控制系统，其特征在于，所述故障诊断模块包括安全协议单元和故障诊断单元，所述安全协议单元用于实现紧急停止、碰撞检测和区域保护等安全功能；所述故障诊断单元用于监测系统性能，预测和报告潜在的维护问题，所述安全协议单元的具体工作方式如下：

获取得到所述机器人手臂的实际移动速度；

获取得到所述机器人手臂的实际温度；

获取得到所述机器人手臂的实际振动；

事先设定所述机器人手臂的移动速度阈值、温度阈值和振动阈值，并且将实际移动速度、实际温度和实际振动进行对比，如果有任意一项大于对应阈值，则判断所述机器人手臂的运行存在故障，生成信号传输至所述控制模块关闭所述机器人手臂。

3.根据权利要求2所述的一种基于力觉和触觉反馈的机器人手臂控制系统，其特征在于，所述故障诊断单元的具体工作方式如下：

将机器人手臂的温度、振动和速度标记为关键性能指标；

获取得到每个关键指标的平均值和标准差；

获取得到当前时间段每个关键指标的测量值；

根据公式；计算获取得到异常值A；事先设定异常值A的阈值，判断A的绝对值是否大于阈值，如果是，则判断该指标异常，如果否，则判断该指标正常，将异常指标发送至所述控制模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于力觉和触觉反馈的机器人手臂控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：获取得到所述机器人手臂的力觉触觉的反馈信息和机器人手臂周围的环境信息，并且规划机器人手臂的运动轨迹；

步骤二：根据感知模块的数据来实时调整所述机器人手臂的运动轨迹；

步骤三：对机器人手臂提供系统状态的实时监控和故障诊断。