RU2795317C1

RU2795317C1 - Manipulator control method

Info

Publication number: RU2795317C1
Application number: RU2022120659A
Authority: RU
Inventors: Никита Алексеевич Чернышев; Антон Станиславович Свитек
Filing date: 2022-07-28
Publication date: 2023-05-02

Abstract

FIELD: robotics.

SUBSTANCE: invention can be used to control a manipulator operating in the same area with other manipulators and physical objects with which it interacts. The manipulator is equipped with rotary mechanisms and cameras, through which a series of photographic images of the surrounding space is obtained. To control the manipulators, a control unit and a personal computer are used, into which programs are loaded that form commands for controlling the actuators of the manipulators, depending on the result of identifying the obtained photographic images of the surrounding space with determining the distance from the corresponding links of the manipulator to the nearest object.

EFFECT: use of the invention makes it possible to increase the safety and the level of fault-free operation of the manipulator in the same area with other manipulators.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к робототехнике, а в частности к способу управления одним или несколькими манипуляторами, которые работают в одной области пространства, и может быть использовано в технологическом процессе производства при выполнении манипуляторами различных работ.The invention relates to robotics, and in particular to a method for controlling one or more manipulators that operate in the same area of space, and can be used in the technological process of production when the manipulators perform various work.

Известен способ управления манипулятором [SU 639698 A1, 30.12.1978], заключающийся в том, что с помощью программного устройства формируется закон управления движением приводов и воспроизводится с помощью следящих систем, с целью обеспечения перемещения одного предмета несколькими манипуляторами одновременно. При этом контролируют величину моментов сопротивлений в шарнирах манипулятора и переключают программное устройство на режим компенсации сопротивлений в приводах в том случае, если они оказываются выше допустимых.A known method of controlling a manipulator [SU 639698 A1, 12/30/1978], which consists in the fact that with the help of a software device the law of controlling the movement of drives is formed and reproduced using servo systems, in order to ensure the movement of one object by several manipulators at the same time. At the same time, the magnitude of the moments of resistance in the hinges of the manipulator is controlled and the software device is switched to the resistance compensation mode in the drives in the event that they are higher than the permissible ones.

Недостатком способа является возможное столкновение двух роботов-манипуляторов, работающих в одной зоне, что может привести к их разрушению и нарушению технологического процесса производства.The disadvantage of this method is the possible collision of two robotic arms operating in the same zone, which can lead to their destruction and disruption of the production process.

Известен способ управления манипулятором [RU 2761923 C1, 14.12.2021], имеющий две системы технического зрения, две навигационные системы, которые оснащены гироскопами, и датчики положения. Для получения точной информации о расположении рабочих органов и объектов, с которыми взаимодействует манипулятор, в способе применяется пересчет координат из второй в первую систему координат. Таким образом осуществляется вычисление реальных координат объекта, с которым манипулятор в дальнейшем производит необходимые манипуляции.A known method of manipulator control [RU 2761923 C1, 12/14/2021], which has two vision systems, two navigation systems that are equipped with gyroscopes, and position sensors. To obtain accurate information about the location of the working bodies and objects with which the manipulator interacts, the method uses the recalculation of coordinates from the second to the first coordinate system. Thus, the real coordinates of the object are calculated, with which the manipulator subsequently performs the necessary manipulations.

Недостатком способа является появление такой ситуации, при которой объект, с которым предстоит взаимодействие, не виден первой и второй системе технического зрения, поскольку находится вне их предела досягаемости.The disadvantage of this method is the occurrence of such a situation in which the object with which the interaction is to be performed is not visible to the first and second vision systems, since it is outside their reach.

Известен способ управления по меньшей мере двумя роботами, имеющими соответствующие рабочие пространства, включающие в себя по меньшей мере одну общую область [RU 2593816 C2, 10.08.2016] и для осуществления имеющий центральный блок управления роботами. Способ заключается в том, что у каждого робота имеются запрещенные, отслеживаемые и смешанные области контакта, причем рабочее пространство каждого робота моделируют, принимая во внимание объекты, присутствовавшие в рабочем пространстве робота. Способ осуществляется путем отправки сигналов центральному блоку управления роботом, когда он собирается войти в смешанную область и второй выходной сигнал, когда он непосредственно входит в смешанную область. При этом статус каждой смешанной области изменяется динамически для каждого робота во время функционирования робота посредством отправки с центрального блока управления входного сигнала роботу, который представляет смешанную область запрещенной или отслеживаемой для упомянутого робота, в зависимости от того, свободна ли упомянутая смешанная область или нет от других объектов.There is a known method for controlling at least two robots having corresponding workspaces, including at least one common area [RU 2593816 C2, 10.08.2016] and for implementation having a central control unit for robots. The method consists in that each robot has prohibited, tracked and mixed contact areas, and the workspace of each robot is modeled taking into account the objects that were present in the workspace of the robot. The method is carried out by sending signals to the central control unit of the robot when it is about to enter the mixed area and a second output signal when it directly enters the mixed area. At the same time, the status of each mixed area changes dynamically for each robot during the operation of the robot by sending an input signal from the central control unit to the robot, which represents the mixed area prohibited or tracked for the mentioned robot, depending on whether the mentioned mixed area is free or not from others. objects.

Недостатком известного способа является необходимость моделирования рабочего пространства каждого робота с учетом присутствующих в зоне досягаемости объектов, а также невозможность работы одного робота в той зоне, где уже работает другой робот. Это накладывает ограничения на применимость к тем технологическим процессам, где требуется совместная работа манипуляторов в одной области и имеется динамика изменения пространства вокруг роботов. Также недостатком является возможное накапливание ошибки позиционирования, что в прототипе не компенсируется и может привести к разрушению роботов.The disadvantage of the known method is the need to simulate the workspace of each robot, taking into account the objects present in the reach area, as well as the impossibility of one robot working in the area where another robot is already working. This imposes restrictions on applicability to those technological processes where the joint work of manipulators in one area is required and there is a dynamic change in the space around the robots. Also, the disadvantage is the possible accumulation of positioning errors, which in the prototype is not compensated and can lead to the destruction of the robots.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ управления манипулятором, в рабочей зоне которого расположены другие манипуляторы и физические объекты, с которыми они взаимодействуют [CN 107921642 A, 17.04.2018]. Способ включает формирование сигналов заданного перемещения манипулятора посредством блока управления манипулятором, которые отрабатывают исполнительными механизмами звеньев манипулятора, при этом с помощью фотокамер, установленных на звеньях манипулятора, осуществляют фотофиксацию окружающего пространства, полученные фотоизображения передают через блок управления на персональный компьютер, в котором по встроенным в него алгоритмам производят идентификацию окружающего пространства с определением расстояния от звеньев манипулятора до ближайшего объекта или другого манипулятора, причем при невозможности беспрепятственного перемещения манипулятор останавливают и включают режим ожидания, после чего осуществляют корректировку начальной траектории движения манипулятора с обеспечением беспрепятственного перемещения в заданные координаты положения, новую траекторию беспрепятственного движения преобразуют в набор команд управления, поступающих в блок управления манипулятором, выводят манипулятор из режима ожидания и осуществляют его движение по новой траектории. Данный способ принят за прототип.The closest method of the same purpose to the claimed invention in terms of the totality of features is the method of controlling the manipulator, in the working area of which there are other manipulators and physical objects with which they interact [CN 107921642 A, 04/17/2018]. The method includes generation of signals of a specified movement of the manipulator by means of a control unit of the manipulator, which are processed by the actuators of the manipulator links, while using cameras installed on the links of the manipulator, photographic fixation of the surrounding space is carried out, the obtained photographic images are transmitted through the control unit to a personal computer, in which the built-in the algorithms identify the surrounding space with the determination of the distance from the links of the manipulator to the nearest object or another manipulator, and if it is impossible to move freely, the manipulator is stopped and the standby mode is turned on, after which the initial trajectory of the manipulator movement is corrected to ensure unhindered movement to the specified position coordinates, a new trajectory unobstructed movement is converted into a set of control commands received by the manipulator control unit, the manipulator is brought out of the standby mode and its movement is carried out along a new trajectory. This method is taken as a prototype.

Недостатком прототипа является отсутствие возможности фотофиксации всего окружающего пространства, так как фотокамеры располагаются на звеньях манипулятора статичным образом. В результате появляется высокая вероятность столкновения с окружающими физическими объектами вокруг манипулятора, что может привести к разрушению звеньев манипулятора и нарушению технологического процесса, который он исполняет.The disadvantage of the prototype is the inability to photograph the entire surrounding space, as the cameras are located on the links of the manipulator in a static manner. As a result, there is a high probability of collision with the surrounding physical objects around the manipulator, which can lead to the destruction of the links of the manipulator and disruption of the technological process that it performs.

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатка прототипа, а в частности, обеспечение возможности фотофиксации всего окружающего пространства.The objective of the present invention is to eliminate the disadvantage of the prototype, and in particular, to provide the possibility of photographing the entire surrounding space.

Решение этой задачи является актуальным в связи с увеличением спроса на автоматизацию и роботизацию производства, при котором главным критерием выступает обеспечение безопасности использования технических средств.The solution of this problem is relevant in connection with the increase in demand for automation and robotization of production, in which the main criterion is to ensure the safety of the use of technical means.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе управления манипулятором, в рабочей зоне которого расположены другие манипуляторы и физические объекты, с которыми они взаимодействуют, включающий формирование сигналов заданного перемещения манипулятора посредством блока управления манипулятором, которые отрабатывают исполнительными механизмами звеньев манипулятора, при этом с помощью фотокамер, установленных на звеньях манипулятора, осуществляют фотофиксацию окружающего пространства, полученные фотоизображения передают через блок управления на персональный компьютер, в котором по встроенным в него алгоритмам производят идентификацию окружающего пространства с определением расстояния от звеньев манипулятора до ближайшего объекта или другого манипулятора, причем при невозможности беспрепятственного перемещения манипулятор останавливают и включают режим ожидания, после чего осуществляют корректировку начальной траектории движения манипулятора с обеспечением беспрепятственного перемещения в заданные координаты положения, новую траекторию беспрепятственного движения преобразуют в набор команд управления, поступающих в блок управления манипулятором, выводят манипулятор из режима ожидания и осуществляют его движение по новой траектории, согласно изобретению каждое звено манипулятора снабжают поворотным механизмом, а упомянутые фотокамеры размещают на поворотных механизмах на поворотных механизмах с возможностью вращения вокруг звена манипулятора из одного крайнего углового положения в другое крайнее угловое положение с обеспечением угла охвата не менее 180 градусов и перемещения вдоль него с помощью соответствующих двигателей, причем при движении звена манипулятора в заданном направлении для упомянутой фотофиксации разворачивают фотокамеру этого звена по направлению движения и перемещают ее вдоль этого звена от одного крайнего положения к другому с частотой, достаточной для идентификации окружающего пространства и обнаружения объектов, препятствующих движению этого звена, при этом в упомянутом режиме ожидания осуществляют сканирование всего окружающего пространства посредством всех фотокамер, которыми оснащен манипулятор.The problem was solved due to the fact that in the known method of manipulator control, in the working area of which other manipulators and physical objects with which they interact are located, including the formation of signals of a given movement of the manipulator by means of the manipulator control unit, which are worked out by the actuators of the manipulator links, when At the same time, with the help of cameras installed on the links of the manipulator, photographic fixation of the surrounding space is carried out, the resulting photographs are transmitted through the control unit to a personal computer, in which, using the algorithms built into it, the surrounding space is identified with the determination of the distance from the links of the manipulator to the nearest object or other manipulator, and if it is impossible to move freely, the manipulator is stopped and the standby mode is switched on, after which the initial trajectory of the manipulator movement is corrected to ensure unhindered movement to the specified position coordinates, the new trajectory of unhindered movement is converted into a set of control commands received by the manipulator control unit, the manipulator is brought out of the standby mode and carry out its movement along a new trajectory, according to the invention, each link of the manipulator is provided with a rotary mechanism, and the said cameras are placed on the rotary mechanisms on the rotary mechanisms with the possibility of rotation around the manipulator link from one extreme angular position to another extreme angular position with a coverage angle of at least 180 degrees and moving along it with the help of the corresponding motors, and when the manipulator link moves in a given direction for the mentioned photographic fixation, the camera of this link is turned in the direction of movement and moved along this link from one extreme position to another with a frequency sufficient to identify the surrounding space and detect objects , preventing the movement of this link, while in the said standby mode, the entire surrounding space is scanned by means of all cameras with which the manipulator is equipped.

На фигуре схематически изображена ячейка с двумя манипуляторами. На фигуре введены следующие обозначения:The figure schematically shows a cell with two manipulators. The figure has the following designations:

1 - Манипулятор №11 - Manipulator No. 1

2 - Манипулятор №22 - Manipulator №2

3 - Поворотный механизм на звене манипулятора3 - Swivel mechanism on the manipulator link

4 - Фотокамера4 - Camera

5 - Физический объект5 - Physical object

6 - Область досягаемости манипуляторов6 - Manipulator reach area

7 - Блок управления манипуляторами7 - Manipulator control unit

8 - Персональный компьютер8 - Personal computer

a - Угол обзора фотокамеры.a - Camera angle of view.

Предлагаемый способ осуществляется в следующей последовательности.The proposed method is carried out in the following sequence.

Манипулятор 1 располагают в одной области пространства с другими манипуляторами 2 и физическими объектами 5, с которыми он взаимодействует (фиг.). Для управления манипуляторами 1, 2 используют блок управления манипуляторами 7, подсоединенный к персональному компьютеру 8. В персональный компьютер 8 встроены алгоритмы, формирующие команды для управления исполнительными механизмами манипуляторов 1, 2, на каждом звене которых имеется поворотный механизм 3. Один из двигателей поворотного механизма 3 вращает установленную на нем фотокамеру 4, вдоль звена манипулятора, а второй вращает эту же фотокамеру 4 вокруг звена манипулятора из одного крайнего положения в другое крайнее угловое положение с обеспечением угла охвата не менее 180 градусов.Manipulator 1 is placed in the same area of space with other manipulators 2 and physical objects 5 with which it interacts (Fig.). To control the manipulators 1, 2, a manipulator control unit 7 is used, connected to a personal computer 8. Algorithms are built into the personal computer 8 that generate commands for controlling the actuators of the manipulators 1, 2, each link of which has a rotary mechanism 3. One of the rotary mechanism motors 3 rotates the camera 4 mounted on it along the manipulator link, and the second one rotates the same camera 4 around the manipulator link from one extreme position to the other extreme angular position with a coverage angle of at least 180 degrees.

При движении звена манипулятора в заданном направлении фотокамеру 4 этого звена разворачивают по направлению движения и перемещают ее вдоль этого звена от одного крайнего положения к другому с частотой, достаточной для идентификации окружающего пространства и обнаружения объектов, препятствующих движению этого звена, и производят фотофиксацию. Фотоизображения пересылают на блок управления 7, а с него передают на персональный компьютер 8, на вход алгоритмам, производящих идентификацию окружающего пространства с определением расстояния от звена манипулятора, от которого получена серия изображений до ближайшего объекта.When the manipulator link moves in a given direction, the camera 4 of this link is turned in the direction of movement and it is moved along this link from one extreme position to another with a frequency sufficient to identify the surrounding space and detect objects that prevent the movement of this link, and photo fixation is performed. The photographic images are sent to the control unit 7, and from it they are transferred to the personal computer 8, to the input of algorithms that identify the surrounding space with the determination of the distance from the link of the manipulator, from which a series of images was received to the nearest object.

После этого производят корректировку изначальной траектории движения при возможности построить ее таким образом, при которой все звенья манипулятора смогут беспрепятственно переместиться в заданные координаты, а при невозможности манипулятор останавливают и включают режим ожидания. В режиме ожидания осуществляют сканирование всего пространства путем его фотофиксации со всех камер, которыми оснащен манипулятор, и как только вычисляется новая траектория беспрепятственного движения, манипулятор выходит из режима ожидания и начинается движение по новой траектории, которая вычисляется алгоритмами в персональном компьютере 8, и которые преобразуют ее в набор команд управления, которые поступают в блок управления манипуляторами 7.After that, the initial trajectory of movement is corrected, if possible, to build it in such a way that all the links of the manipulator can freely move to the specified coordinates, and if it is impossible, the manipulator is stopped and the standby mode is turned on. In the standby mode, the entire space is scanned by photographing it from all cameras with which the manipulator is equipped, and as soon as a new trajectory of unobstructed movement is calculated, the manipulator leaves the standby mode and begins to move along a new trajectory, which is calculated by algorithms in the personal computer 8, and which convert it into the set of control commands that enter the manipulator control unit 7.

Таким образом, заявляемый способ, используя манипуляторы, поворотные механизмы, фотокамеры, блок управления, персональный компьютер и основанный на фотофиксации окружающего пространства с последующим вычислением расстояний до препятствий и специальными алгоритмами, корректирующими движение звеньев манипулятора, позволяет работать в одной области пространства двум и более манипуляторам с любыми окружающими их физическими объектами, обеспечивая безопасность движения звеньев манипулятора.Thus, the inventive method, using manipulators, rotary mechanisms, cameras, a control unit, a personal computer and based on photographic fixation of the surrounding space with subsequent calculation of distances to obstacles and special algorithms that correct the movement of the manipulator links, allows two or more manipulators to work in the same area of space. with any physical objects surrounding them, ensuring the safety of the movement of the manipulator links.

Claims

A method for controlling a manipulator, in the working area of which other manipulators and physical objects with which they interact are located, including the formation of signals of a given movement of the manipulator by means of the manipulator control unit, which are processed by the actuators of the manipulator links, while using cameras mounted on the links of the manipulator, photofixation of the surrounding space, the obtained photographic images are transmitted through the control unit to a personal computer, in which, using the algorithms built into it, the surrounding space is identified with the determination of the distance from the links of the manipulator to the nearest object or another manipulator, and if it is impossible to move freely, the manipulator is stopped and the standby mode is switched on, after that, the initial trajectory of the manipulator movement is corrected to ensure unhindered movement to the specified position coordinates, the new trajectory of unhindered movement is converted into a set of control commands received by the manipulator control unit, the manipulator is brought out of standby mode and its movement is carried out along a new trajectory, characterized in that each link of the manipulator is equipped with a rotary mechanism, and the mentioned cameras are placed on the rotary mechanisms with the possibility of rotation around the link of the manipulator from one extreme angular position to another extreme angular position, ensuring a wrapping angle of at least 180 degrees and moving along it with the help of appropriate motors, moreover, when moving of the manipulator link in a given direction for said photographic fixation, the camera of this link is deployed in the direction of movement and moved along this link from one extreme position to another with a frequency sufficient to identify the surrounding space and detect objects that prevent the movement of this link, while in the said standby mode carry out scanning of all surrounding space by means of all cameras with which the manipulator is equipped.