WO2021174796A1 - 用于带电作业机器人抓取支线场景下的抓取姿态计算方法 - Google Patents

用于带电作业机器人抓取支线场景下的抓取姿态计算方法 Download PDF

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林欢
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  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

一种用于带电作业机器人抓取支线场景下的抓取姿态计算方法，包括：（1）根据抓线点位置预先划分工作空间；（2）在划分的工作空间内确定搜索范围；（3）选择抓线点所属工作空间搜索范围中心作为计算初始位姿的姿态；（4）设定搜索步长，并设定搜索步长的预设值，以计算初始位姿的姿态为起始点，在抓线点所属工作空间的机械臂运动姿态的搜索范围内确定全部搜索姿态；（5）使用碰撞检测筛选确定的全部搜索位姿；（6）使用评价函数对筛选后的搜索位姿进行排序，并进行模拟规划，如果某一候选搜索位姿成功规划，则选出候选搜索位姿；（7）以成功规划的候选搜索位姿作为新的计算初始位姿，减半搜索步长，获得最终搜索位姿。

Description

用于带电作业机器人抓取支线场景下的抓取姿态计算方法
本申请要求在2020年03月05日提交中国专利局、申请号为202010149285.0的中国专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本公开涉及带电作业机器人领域，例如涉及一种用于带电作业机器人抓取支线场景下的抓取姿态计算方法。
背景技术
带电作业机器人是一个新兴行业，带电作业机器人作业目标是在高空中使用机械臂完成电缆的主支线搭接作业，主支线搭接作业中一个基本动作是使用机械臂去接近并抓取支线。机械臂执行动作的方法包括示教方法和使用逆运动学和运动规划算法的方法，在流水线上经常使用的示教方法主要用于固定作业场景。基于带电作业机器人在高空作业的特性，以及作业环境的复杂程度，示教方法是不可能的；而使用逆运动学和运动规划算法虽然比较灵活，但是需要知道明确的目标位姿。
在机器人几何中心建立坐标系，一旦建立了坐标系，就能用一个3X1的位置矢量给坐标系中的任何点定位。通常获取的抓取支线的抓线点就是这样一个位置矢量。然而为了使用工具去到达抓线点，只知道位置信息是不够的，必须描述工具到达抓线点时的姿态，位置和姿态合起来称为位姿。由于工作空间的存在，工具可能有很多可以选择的姿态。其中有些姿态可能无法规划出合适的路径到达，有些姿态可能产生碰撞，有些姿态虽然可以到达也不会产生碰撞，但是运动范围过大，也不适合选择。
对于姿态的描述，采用旋转角、俯仰角和偏转角的定义(又称RPY角)。RPY角来源于(航空)航海领域中方向的表示，将参考坐标系绕x轴旋转角度被称为旋转角，将参考坐标系绕y轴旋转角度被称为俯仰角，将参考坐标系绕z轴旋转角度被称为滚动角。关于这一姿态选择的问题尚且缺乏研究。
发明内容
本公开针对带电作业中抓取支线的实际应用场景，提出了一种用于带电作业机器人抓取支线场景下的抓取姿态计算方法，解决抓取支线作业的目标姿态选择问题，为后续手臂的运动规划提供目标指导。
一种用于带电作业机器人抓取支线场景下的抓取位姿计算方法，包括：
(1)根据抓线点位置预先划分机械臂的工作空间；
(2)在步骤(1)划分的工作空间内确定机械臂运动姿态的搜索范围；
(3)选择抓线点所属工作空间的机械臂运动姿态的搜索范围中心作为计算初始位姿的姿态，初始位置为抓线点位置；
(4)设定搜索步长，并设定搜索步长的预设值，以计算初始位姿的姿态为起始点，在抓线点所属工作空间的机械臂运动姿态的搜索范围内确定全部搜索姿态；全部搜索姿态和一个固定的初始位置构成了全部搜索位姿；
(5)使用碰撞检测作为约束条件筛选步骤(4)确定的全部搜索位姿，剔除发生碰撞的搜索位姿，得到候选搜索位姿；
(6)对步骤(5)处理之后的候选搜索位姿使用运动规划算法对机械臂从计算初始位姿到候选搜索位姿的路径进行模拟规划，如果某一候选搜索位姿成功规划，则跳转至第(7)步；如全部候选搜索位姿规划失败，则返回失败；
(7)以成功规划的候选搜索位姿作为新的计算初始位姿，减半搜索步长，当减半后的搜索步长减至小于等于预设值时，则将最终选出的候选搜索位姿返回；当减半后的搜索步长大于预设值时，则回到第(4)步重复执行相应操作。
步骤(1)中，根据抓线点位置预先划分工作空间，包括：
在机器人几何中心建立坐标系，根据抓线点的x坐标的正负值，首先将工作空间划分成两组，然后根据机械臂的运动范围，在每组里将工作空间划分为9个，分别是：
当x>0时
  x z
A1 x>0.3&&x<0.8 z<-0.25&&z>-0.65
B1 x>＝0.8&&x<＝1.3 z<-0.25&&z>-0.65
C1 x>1.3&&x<1.8 z<-0.25&&z>-0.65
D1 x>0&&x<0.8 z>＝-0.25&&z<＝0.25
E1 x>＝0.8&&x<＝1.3 z>＝-0.25&&z<＝0.25
F1 x>1.3&&x<1.8 z>＝-0.25&&z<＝0.25
G1 x>0.3&&x<0.8 z>0.25&&z<0.65
H1 x>＝0.8&&x<＝1.3 z>0.25&&z<0.65
I1 x>1.3&&x<1.8 z>0.25&&z<0.65
当x<0时
  x z
A2 x<-0.3&&x>-0.8 z<-0.25&&z>-0.65
B2 x>＝-1.3&&x<＝-0.8 z<-0.25&&z>-0.65
C2 x>-1.8&&x<-1.3 z<-0.25&&z>-0.65
D2 x<-0.3&&x>-0.8 z>＝-0.25&&z<＝0.25
E2 x>＝-1.3&&x<＝-0.8 z>＝-0.25&&z<＝0.25
F2 x>-1.8&&x<-1.3 z>＝-0.25&&z<＝0.25
G2 x<-0.3&&x>-0.8 z>0.25&&z<0.65
H2 x>＝-1.3&&x<＝-0.8 z>0.25&&z<0.65
I2 x>-1.8&&x<-1.3 z>0.25&&z<0.65
在工作空间之外的抓线点视为不适宜工作点；
步骤(2)中，在步骤(1)划分的工作空间内确定机械臂运动姿态的搜索范围，得到：
当x>0时
  旋转角 俯仰角 偏转角
A1 -40度～-10度 -40度～-10度 0度
B1 -15度～15度 -40度～-10度 0度
C1 10度～40度 -40度～-10度 0度
D1 -40度～-10度 -15度～15度 0度
E1 -15度～15度 -15度～15度 0度
F1 10度～40度 -15度～15度 0度
G1 -40度～-10度 10度～40度 0度
H1 -15度～15度 10度～40度 0度
I1 10度～40度 10度～40度 0度
当x<0时
  旋转角 俯仰角 偏转角
A1 10度～40度 -40度～-10度 0度
B1 -15度～15度 -40度～-10度 0度
C1 -40度～-10度 -40度～-10度 0度
D1 10度～40度 -15度～15度 0度
E1 -15度～15度 -15度～15度 0度
F1 -40度～-10度 -15度～15度 0度
G1 10度～40度 10度～40度 0度
H1 -15度～15度 10度～40度 0度
I1 -40度～-10度 10度～40度 0度
所述步骤(4)中设定的搜索步长为5度，预设值为1度。
在步骤(5)剔除发生碰撞的搜索位姿后，对每个筛选后的搜索位姿进行如下处理对候选搜索位姿进行排序：
分别计算搜索位姿υ和运动初始位姿
Figure PCTCN2020113906-appb-000001
之间的距离
Figure PCTCN2020113906-appb-000002
和搜索位姿υ和计算初始位姿ψ之间的距离D(υ-ψ)，其中，D为计算距离函数；再将得到的距离进行加权和
Figure PCTCN2020113906-appb-000003
其中，α+β＝1，且β>α；
对每个候选搜索位姿计算得到的加权和数值进行从小到大排序，通过步骤(7)对每个候选搜索位姿根据排序使用运动规划算法对机械臂从计算初始位姿到候选搜索位姿的路径进行模拟规划。
所述运动规划算法使用ompl库来实现。
本公开为带电作业机器人抓取支线场景计算作业目标位姿，指导后续运动规划，本公开搜索精度高，最优姿态判断达到1度。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，阐明本公开。
图1为本公开的流程图。如图1所示，本公开用于带电作业机器人抓取支线场景下的抓取位姿计算方法包括如下步骤：
(1)根据抓线点位置预先划分机械臂的工作空间，包括：
在本例中首先在机器人几何中心建立坐标系，根据抓线点所在位置距离原点的距离在x、y、z轴上的分量确定抓线点的坐标，距离单位为米；根据抓线点的x坐标的正负值，首先将工作空间划分成两组，然后根据机械臂的运动范围，在每组里将工作空间划分为9个(不限于9个)，分别是：
当x>0时
  x z
A1 x>0.3&&x<0.8 z<-0.25&&z>-0.65
B1 x>＝0.8&&x<＝1.3 z<-0.25&&z>-0.65
C1 x>1.3&&x<1.8 z<-0.25&&z>-0.65
D1 x>0&&x<0.8 z>＝-0.25&&z<＝0.25
E1 x>＝0.8&&x<＝1.3 z>＝-0.25&&z<＝0.25
F1 x>1.3&&x<1.8 z>＝-0.25&&z<＝0.25
G1 x>0.3&&x<0.8 z>0.25&&z<0.65
H1 x>＝0.8&&x<＝1.3 z>0.25&&z<0.65
I1 x>1.3&&x<1.8 z>0.25&&z<0.65
当x<0时
  x z
A2 x<-0.3&&x>-0.8 z<-0.25&&z>-0.65
B2 x>＝-1.3&&x<＝-0.8 z<-0.25&&z>-0.65
C2 x>-1.8&&x<-1.3 z<-0.25&&z>-0.65
D2 x<-0.3&&x>-0.8 z>＝-0.25&&z<＝0.25
E2 x>＝-1.3&&x<＝-0.8 z>＝-0.25&&z<＝0.25
F2 x>-1.8&&x<-1.3 z>＝-0.25&&z<＝0.25
G2 x<-0.3&&x>-0.8 z>0.25&&z<0.65
H2 x>＝-1.3&&x<＝-0.8 z>0.25&&z<0.65
I2 x>-1.8&&x<-1.3 z>0.25&&z<0.65
在工作空间之外的抓线点视为不适宜工作点，不同规格的机械臂的最大运动距离不同导致工作空间大小不同，本公开采用的机械臂型号为UR10。
(2)根据机械臂的运动姿态范围，在步骤(1)划分的工作空间里确定机械臂运动姿态的搜索范围，机械臂的运动姿态范围指的是机械臂在运动范围内运动至各位置时的姿态。
当x>0时
  旋转角 俯仰角 偏转角
A1 -40度～-10度 -40度～-10度 0度
B1 -15度～15度 -40度～-10度 0度
C1 10度～40度 -40度～-10度 0度
D1 -40度～-10度 -15度～15度 0度
E1 -15度～15度 -15度～15度 0度
F1 10度～40度 -15度～15度 0度
G1 -40度～-10度 10度～40度 0度
H1 -15度～15度 10度～40度 0度
I1 10度～40度 10度～40度 0度
当x<0时
  旋转角 俯仰角 偏转角
A1 10度～40度 -40度～-10度 0度
B1 -15度～15度 -40度～-10度 0度
C1 -40度～-10度 -40度～-10度 0度
D1 10度～40度 -15度～15度 0度
E1 -15度～15度 -15度～15度 0度
F1 -40度～-10度 -15度～15度 0度
G1 10度～40度 10度～40度 0度
H1 -15度～15度 10度～40度 0度
I1 -40度～-10度 10度～40度 0度
(3)根据抓线点所处的工作空间，确定计算的初始位姿(即位置和姿态，下文简称计算初始位姿)。
此处计算的初始位姿并不等同于运动开始时机械臂实际所在的位姿，运动初始位姿是机械臂在开始运动前的实际位姿下文简称运动初始位姿。计算初始位姿的姿态为工作空间搜索范围的中心，初始位置为抓线点位置，是预先给定的。以区域E1为例，计算初始位姿的姿态为旋转角为0度，俯仰角为0度，偏转角为0度。
(4)以设定搜索步长确定全部搜索姿态：
以计算初始位姿的姿态为起始点，全部搜索姿态必须位于搜索范围中。在本例中开始设定的搜索步长为5度。以区域E1为例，包含全部搜索姿态的搜索空间为
Figure PCTCN2020113906-appb-000004
Figure PCTCN2020113906-appb-000005
全部搜索姿态和一个固定的初始位置构成了全部搜索位姿。
(5)使用定义的约束条件来筛选全部搜索位姿，得到筛选后的搜索位姿；本例中定义的约束条件为碰撞检测，碰撞检测算法采用FCL库，剔除会发生碰撞的搜索位姿。
(6)使用评价函数对筛选后的候选搜索位姿进行排序：
本公开采用以下评价函数对每个筛选后的候选搜索位姿进行计算获得待排序的加权和数值：
a.计算搜索位姿υ和运动初始位姿
Figure PCTCN2020113906-appb-000006
之间的距离
Figure PCTCN2020113906-appb-000007
D为计算距离函数。
b.计算搜索位姿υ和计算初始位姿ψ之间的距离D(υ-ψ)。
c.将步骤a和步骤b中得到的距离进行加权和
Figure PCTCN2020113906-appb-000008
其中α+β＝1。α和β的数值大小与
Figure PCTCN2020113906-appb-000009
和D(υ-ψ)所占比重大小成正比，β>α；在本例中α＝0.4，β＝0.6。
因为D是距离函数，机械臂选择距离近的候选搜索位姿为抓取位姿，即加权和数值小的候选搜索位姿为选择的搜索位姿，所以，根据步骤c得到的加权和数值对筛选后的候选搜索位姿进行从小到大排序。
(7)按照步骤(6)的排序顺序对对应的候选搜索位姿使用运动规划算法对机械臂的计算初始位姿到候选搜索位姿的路径进行模拟规划，此处的运动规划算法使用ompl库来实现。如果某一候选搜索位姿成功规划时，则开始执行第(8)步，不再对其他候选搜索位姿进行模拟规划；如果全部候选搜索位姿规划失败，则返回失败。
(8)以成功规划的候选搜索位姿作为新的计算初始位姿，减半搜索步长，当减半后的搜索步长减至预设值时，本例为1度，则将最终选出的候选搜索位姿返回；当减半后的搜索步长大于预设值时，则回到第(4)步重复执行相应操作。
本公开通过划分工作空间进行搜索，根据抓线点位置和对应的工作空间确定计算的初始位姿，并基于此提出优化的评价函数a、b、c，先条件筛选，再排序，后使用运动规划算法计算的流程进行路径的模拟规划(FCL库和ompl库属于开源库，不属于此专利创新点)。先获得一个抓取位姿，再使用迭代变步长以获得的抓取位姿为初始位姿进行进一步搜索，最终得到最优的抓取位姿。

Claims (5)

  1. 一种用于带电作业机器人抓取支线场景下的抓取姿态计算方法，包括：
    (1)根据抓线点位置预先划分机械臂的工作空间；
    (2)在步骤(1)划分的工作空间内确定机械臂运动姿态的搜索范围；
    (3)选择抓线点所属工作空间的机械臂运动姿态的搜索范围中心作为计算初始位姿的姿态，初始位置为抓线点位置；
    (4)设定搜索步长，并设定搜索步长的预设值，以计算初始位姿的姿态为起始点，在抓线点所属工作空间的机械臂运动姿态的搜索范围内确定全部搜索姿态；
    (5)使用碰撞检测作为约束条件筛选步骤(4)确定的全部搜索位姿，剔除发生碰撞的搜索位姿，得到候选搜索位姿；全部搜索姿态和一个固定的初始位置构成了全部搜索位姿；
    (6)对步骤(5)处理之后的候选搜索位姿使用运动规划算法对机械臂从计算初始位姿到候选搜索位姿的路径进行模拟规划，如果某一候选搜索位姿成功规划，则跳转至第(7)步；如全部候选搜索位姿规划失败，则返回失败；
    (7)以成功规划的候选搜索位姿作为新的计算初始位姿，减半搜索步长，当减半后的搜索步长减至小于等于预设值时，则将最终选出的候选搜索位姿返回；当减半后的搜索步长大于预设值时，则回到第(4)步重复执行相应操作。
  2. 根据权利要求1所述的用于带电作业机器人抓取支线场景下的抓取位姿计算方法，其中，步骤(1)中，根据抓线点位置预先划分工作空间，包括：
    在机器人几何中心建立坐标系，根据抓线点的x坐标的正负值，首先将工作空间划分成两组，然后根据机械臂的运动范围，在每组里将工作空间划分为9个，分别是：
    当x>0时
      x z A1 x>0.3&&x<0.8 z<-0.25&&z>-0.65 B1 x>＝0.8&&x<＝1.3 z<-0.25&&z>-0.65 C1 x>1.3&&x<1.8 z<-0.25&&z>-0.65 D1 x>0&&x<0.8 z>＝-0.25&&z<＝0.25 E1 x>＝0.8&&x<＝1.3 z>＝-0.25&&z<＝0.25
    F1 x>1.3&&x<1.8 z>＝-0.25&&z<＝0.25 G1 x>0.3&&x<0.8 z>0.25&&z<0.65 H1 x>＝0.8&&x<＝1.3 z>0.25&&z<0.65 I1 x>1.3&&x<1.8 z>0.25&&z<0.65
    当x<0时
      x z A2 x<-0.3&&x>-0.8 z<-0.25&&z>-0.65 B2 x>＝-1.3&&x<＝-0.8 z<-0.25&&z>-0.65 C2 x>-1.8&&x<-1.3 z<-0.25&&z>-0.65 D2 x<-0.3&&x>-0.8 z>＝-0.25&&z<＝0.25 E2 x>＝-1.3&&x<＝-0.8 z>＝-0.25&&z<＝0.25 F2 x>-1.8&&x<-1.3 z>＝-0.25&&z<＝0.25 G2 x<-0.3&&x>-0.8 z>0.25&&z<0.65 H2 x>＝-1.3&&x<＝-0.8 z>0.25&&z<0.65 I2 x>-1.8&&x<-1.3 z>0.25&&z<0.65
    在工作空间之外的抓线点视为不适宜工作点；
    步骤(2)中，在步骤(1)划分的工作空间内确定机械臂运动姿态的搜索范围，得到：
    当x>0时
      旋转角 俯仰角 偏转角 A1 -40度～-10度 -40度～-10度 0度 B1 -15度～15度 -40度～-10度 0度 C1 10度～40度 -40度～-10度 0度
    D1 -40度～-10度 -15度～15度 0度 E1 -15度～15度 -15度～15度 0度 F1 10度～40度 -15度～15度 0度 G1 -40度～-10度 10度～40度 0度 H1 -15度～15度 10度～40度 0度 I1 10度～40度 10度～40度 0度
    当x<0时
      旋转角 俯仰角 偏转角 A1 10度～40度 -40度～-10度 0度 B1 -15度～15度 -40度～-10度 0度 C1 -40度～-10度 -40度～-10度 0度 D1 10度～40度 -15度～15度 0度 E1 -15度～15度 -15度～15度 0度 F1 -40度～-10度 -15度～15度 0度 G1 10度～40度 10度～40度 0度 H1 -15度～15度 10度～40度 0度 I1 -40度～-10度 10度～40度 0度
    。
  3. 根据权利要求1所述的用于带电作业机器人抓取支线场景下的抓取位姿计算方法，其中，所述步骤(4)中设定的搜索步长为5度，预设值为1度。
  4. 根据权利要求1所述的用于带电作业机器人抓取支线场景下的抓取位姿计算方法，在步骤(5)剔除发生碰撞的搜索位姿后，还包括：
    对每个筛选后的搜索位姿进行如下处理对候选搜索位姿进行排序：
    分别计算搜索位姿υ和运动初始位姿
    Figure PCTCN2020113906-appb-100001
    之间的距离
    Figure PCTCN2020113906-appb-100002
    和搜索位姿υ和 计算初始位姿ψ之间的距离D(υ-ψ)，其中，D为计算距离函数；再将得到的距离进行加权和
    Figure PCTCN2020113906-appb-100003
    其中，α+β＝1，且β>α；
    对每个候选搜索位姿计算得到的加权和数值进行从小到大排序，通过步骤(7)对每个候选搜索位姿根据排序使用运动规划算法对机械臂的运动初始位姿到候选搜索位姿的路径进行模拟规划。
  5. 根据权利要求1或4所述的用于带电作业机器人抓取支线场景下的抓取位姿计算方法，其中，所述运动规划算法使用ompl库来实现。
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