WO2023066253A1 - 机械臂控制方法、装置以及机械臂 - Google Patents

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WO2023066253A1
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target
arm
mechanical arm
joint
dragging
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金鑫
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瑞龙诺赋(上海)医疗科技有限公司
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Definitions

  • the embodiments of the present application relate to the technical field of robotic arm control, for example, to a robotic arm control method, device, and robotic arm.
  • the doctor sends control commands to the robotic arm through the operating table.
  • the end of the robotic arm is equipped with medical equipment.
  • the doctor needs to drag the robotic arm so that the end can move to the desired position of the patient's surgical entrance planned by the doctor. .
  • the manual dragging mode of the robotic arm is fast and intuitive.
  • Manual dragging is usually used to make the robot quickly reach a specific posture, such as installing a sterile cuff or cannula.
  • This dragging method is not limited to the medical field, and other industrial robots also need to have this function; and for the robotic arm, when the mechanical When the arm has redundant degrees of freedom, it can better avoid collisions and increase the working space.
  • Embodiments of the present application provide a method and device for controlling a robotic arm, as well as a robotic arm, which avoids motion uncertainty of multiple joints of the robotic arm when the robotic arm with redundant degrees of freedom performs manual dragging.
  • an embodiment of the present application provides a method for controlling a robotic arm, which is applied to a manual dragging control system of a robotic arm, wherein, when the robotic arm moves in three-dimensional space, the number of joints of the robotic arm is greater than or equal to 4 , when the mechanical arm moves in a plane, the number of joints of the mechanical arm is greater than or equal to 3, and the control method of the mechanical arm includes a dragging preparation stage and a dragging stage, wherein:
  • the drag preparation stage includes:
  • the dragging phase includes:
  • the embodiment of the present application also provides a mechanical arm control device, which is applied to the manual drag control system of the mechanical arm, wherein, when the mechanical arm moves in three-dimensional space, the number of joints of the mechanical arm is greater than or equal to 4, when the mechanical arm moves in a plane, the number of joints of the mechanical arm is greater than or equal to 3, and the control device of the mechanical arm includes:
  • a characteristic value determination unit is configured to select an arm body of the mechanical arm as a target arm body, and determine the position of the target arm body as a position feature value;
  • An expression establishing unit configured to determine the relationship between the position feature value and the positions of multiple joints of the manipulator based on the forward kinematics of the manipulator, and obtain a first calculation expression of the position feature value
  • a target joint determining unit is configured to select a joint of the mechanical arm as a target joint, and the target joint is a control object in the dragging phase;
  • a target value determining unit configured to determine a target value of the feature value of the position
  • a position acquisition unit configured to acquire the positions of multiple joints other than the target joint at the current moment
  • the position calculation unit is configured to substitute the target value of the position feature value and the positions of other multiple joints except the target joint into the first calculation expression to solve the problem, and obtain the position of the target joint from the mechanical arm to The next position when the current position is dragged.
  • the embodiment of the present application further provides a manual dragging control system
  • the manual dragging control system includes the robotic arm control device described in any one of the above-mentioned embodiments.
  • the embodiment of the present application also provides a mechanical arm, the mechanical arm includes:
  • processors one or more processors
  • a storage device configured to store one or more programs
  • the one or more processors implement the method for controlling the robotic arm as described in any of the above embodiments.
  • the embodiment of the present application further provides a computer-readable storage medium, on which a computer program is stored, and when the program is executed by a processor, the method for controlling the robotic arm as described in any one of the above-mentioned embodiments is implemented.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of motion uncertainty when manually dragging a robotic arm provided by an embodiment of the present application
  • FIG. 2 is a flow chart of a method for controlling a robotic arm provided in an embodiment of the present application
  • FIG. 3 is a structural diagram of a mechanical arm provided in an embodiment of the present application.
  • Fig. 4 is a schematic diagram of dragging a robotic arm using a robotic arm control method provided by an embodiment of the present application
  • FIG. 5 is a flow chart of another method for controlling a robotic arm provided in an embodiment of the present application.
  • FIG. 6 is a flow chart of another method for controlling a robotic arm provided in an embodiment of the present application.
  • FIG. 7 is a flow chart of another method for controlling a robotic arm provided in an embodiment of the present application.
  • FIG. 8 is a flow chart of another method for controlling a robotic arm provided in an embodiment of the present application.
  • Fig. 9 is a structural diagram of a robotic arm control device provided in an embodiment of the present application.
  • Fig. 10 is a schematic structural diagram of a robotic arm provided by an embodiment of the present application.
  • the end may have 2 or 3 degrees of freedom. If the manipulator moves in three dimensions, its end may have 3 to 6 degrees of freedom. If the number of joints of a manipulator is more than the degree of freedom at the end, it is considered that the manipulator has redundant degrees of freedom. While the redundant degrees of freedom increase the working space of the manipulator, it will also lead to When the position of the end of the arm is reached, the positions that can be achieved by the multiple joints of the manipulator are not fixed, but there are many possibilities.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of motion uncertainty when manually dragging a robotic arm provided by an embodiment of the present application. Referring to Figure 1, when the end of the robotic arm is manually dragged to a new position, there are many possibilities for the joint position of the robotic arm. As shown by the dotted line in Figure 1, the operator cannot predict the corresponding motion of multiple joints when manually dragging the end of the robotic arm, which will increase the difficulty of manipulator operation and increase the risk of collision when manually dragging.
  • FIG. 2 is a flow chart of the method for controlling a robotic arm provided in an embodiment of the present application.
  • the manipulator control method is applied to the manual drag control system of the manipulator, wherein, when the manipulator moves in three-dimensional space, the number of joints of the manipulator is greater than or equal to 4, and when the manipulator moves in a plane, the number of joints of the manipulator is greater than Or equal to 3, the control method of the mechanical arm includes a drag preparation stage and a drag stage, as shown in Figure 2, the control method of the mechanical arm includes the following steps:
  • the preparation phase for drag and drop includes:
  • the target arm select an arm of the mechanical arm as the target arm, and then determine the position of the selected target arm as the position feature value ⁇ , where the position of the target arm can be in the preset (x, y, z ) coordinate system, or an angle value relative to a preset reference object, that is, one of the position information of the target arm is selected as the position characteristic value ⁇ .
  • Fig. 3 is a structural diagram of a robotic arm provided in an embodiment of the present application.
  • the mechanical arm in Figure 3 includes four joints A, B, C, and D, where the positions of the four joints A, B, C, and D are q 1 , q 2 , q 3 , and q 4 ;
  • Joint A of the robotic arm is fixed on the ground.
  • the robotic arm includes four arms L1, L2, L3 and L4.
  • the end P of the robotic arm is the user's dragging point. When a drag force F is applied to the end P, the movement of the robotic arm can be controlled.
  • the manipulator shown in FIG. 3 is a manipulator in three-dimensional space, and its number of joints is four. Obviously, the manipulator shown in Fig. 3 is a manipulator with redundant degrees of freedom.
  • the arm L3 may be used as the target arm, and the position feature value ⁇ may be selected as the angle between the target arm L3 and the horizontal plane.
  • the forward kinematics of the manipulator is a calculation method to obtain the spatial position of any point on the manipulator by calculating the joint angle of the manipulator.
  • the first calculation expression for obtaining the position feature value includes:
  • the working process of the above-mentioned dragging preparation stage can be pre-set before the robot leaves the factory; it can also be saved after setting once according to the user's needs during the use of the robot arm, so that it does not need to be changed in the subsequent use.
  • the work of the drag preparation stage is carried out once before each drag; the setting work of the drag preparation stage can also be carried out before each drag stage according to actual needs, and will not be repeated here.
  • the target arm in the process of dragging the end of the mechanical arm, it is necessary to select a target value for the position characteristic value ⁇ of the target arm, that is, to determine that when the end of the mechanical arm is dragged, the target arm should move keep the position. For example, if the initial value ⁇ 0 of the target arm is selected as the target value of the position feature value ⁇ , it means that when the end of the mechanical arm is dragged, the position of the target arm remains at the initial position.
  • the joint position here can be a space coordinate position or an angle. Due to the limitation of the structure of the mechanical arm shown in FIG. 3 , the joint positions referred to in this application are all angles.
  • the above method can be used to calculate the next position q i of the target joint i, and then control the movement of the target joint i based on the calculation results.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of dragging a robotic arm using a robotic arm control method provided by an embodiment of the present application. From the comparison of Fig. 4 and Fig. 1, it can be seen that when the robotic arm control method provided by the embodiment of the present application is used to drag the robotic arm, the uncertainty of the movement of the robotic arm can be eliminated, so that multiple joints of the robotic arm can be controlled move within the range.
  • the embodiment of the present application avoids the movement uncertainty of multiple joints of the mechanical arm when the mechanical arm with redundant degrees of freedom is manually dragged.
  • multiple joints Being able to move within the expected range of motion reduces the difficulty of manipulator operation and reduces the risk of collisions when manually dragging the manipulator.
  • Fig. 5 is a flow chart of another method for controlling a mechanical arm provided in the embodiment of the present application. As shown in Fig. 5, the above step S101 includes:
  • the target arm body of the manipulator can choose any one of the arm bodies L1, L2, L3 and L4, but since one end of the joint A is fixed on the ground, the degree of freedom of the arm body L1 is smaller than that of the other three.
  • the degree of freedom of each arm in order to control the movement of the robotic arm more precisely, three arms other than the arm L1 can be selected as the target arm.
  • the arm L4 can be used as the target arm.
  • S302. Determine the position information of one of the following target arm bodies as the position feature value ⁇ : the position of the target arm body relative to the ground, the angle of the target arm body relative to the ground, and the position of the target arm body relative to the mechanical arm except the target arm body The position of any other arm, the angle of the target arm relative to any other arm of the manipulator except the target arm.
  • its position feature value ⁇ can have the following four options: relative to the position of the ground, relative to the angle of the ground, and relative to the mechanical arm except the target arm.
  • the position of any other arm and the angle of any other arm except the target arm relative to the manipulator For example, if a (x, y, z) coordinate system is established in advance, as shown in FIG. 4 , then the angle of the target arm L4 relative to the ground can be selected as the target arm L4 position characteristic value ⁇ based on the preset coordinate system.
  • Fig. 6 is a flow chart of another mechanical arm control method provided by the embodiment of the present application.
  • the above-mentioned S104 step determines the target value of the position characteristic value ⁇ including:
  • the initial value ⁇ 0 of the target arm at the start of dragging is selected as the target value of the position characteristic value ⁇ , it means that when the end of the mechanical arm is dragged, the target arm remains at the initial position,
  • the initial value of the target arm body can be calculated based on the forward kinematics of the manipulator and the initial position values of multiple joints.
  • Fig. 7 is a flow chart of another method for controlling the mechanical arm provided by the embodiment of the present application. After the next position when dragging, the control method of the robotic arm also includes:
  • Fig. 8 is a flow chart of another method for controlling the manipulator provided by the embodiment of the present application. After the next position when dragging, the control method of the robotic arm also includes:
  • next positions of the target joint i obtained by solving the first calculation expression is greater than or equal to two when the mechanical arm is dragged from the current position, select a plurality of next positions corresponding to the target joint i The nearest next position of the current position controls the movement of the target joint i.
  • the first calculation expression is a second-order linear equation
  • the number of the next positions of the target joint i solved at this time may be two, or may be greater than two, namely The number of solutions of the second-order linear equation is greater than or equal to 2, and the next position closest to the current position of the target joint i among the multiple next positions is selected to move the target joint i.
  • the calculated next position can be 10° or 170° relative to the ground, then select 10° as the next position of the target joint i to control the target joint i of the mobile.
  • Fig. 9 is a structural diagram of a mechanical arm control device provided by an embodiment of the present application, the mechanical arm control device is applied to a manual dragging control system of a mechanical arm, wherein when the mechanical arm moves in three-dimensional space, the number of joints of the mechanical arm greater than or equal to 4, when the mechanical arm moves in the plane, the number of joints of the mechanical arm is greater than or equal to 3, as shown in Figure 9, the mechanical arm control device includes:
  • the characteristic value determination unit 71 is configured to select an arm body of the mechanical arm as the target arm body, and determine the position of the target arm body as the position feature value;
  • the expression establishment unit 72 is configured to determine the relationship between the position feature value and the positions of multiple joints of the manipulator based on the forward kinematics of the manipulator, and obtain the first calculation expression of the position feature value;
  • the target joint determination unit 73 is configured to select a joint of the mechanical arm as the target joint, and the target joint is the control object in the dragging phase;
  • Target value determination unit 74 configured to determine the target value of the position feature value
  • the position acquisition unit 75 is configured to acquire the positions of multiple joints other than the target joint at the current moment
  • the position calculation unit 76 is configured to substitute the target value of the position feature value and the positions of other multiple joints except the target joint into the first calculation expression for solution, and obtain the next position of the target joint when the mechanical arm is dragged from the current position. Location.
  • the characteristic value determination unit 71 is configured to: select an arm body of the mechanical arm as the target arm body; determine the position information of one of the following target arm bodies as the position feature value: the position of the target arm body relative to the ground, the position of the target arm body The angle of the target arm relative to the ground, the position of the target arm relative to any other arm of the manipulator except the target arm, and the angle of the target arm relative to any other arm of the manipulator except the target arm.
  • the target value determining unit 74 is configured to: determine the initial position of the target arm body as the target value of the position characteristic value.
  • the mechanical arm control device further includes:
  • the control movement unit is configured to control the movement of the target joint based on the calculated next position of the target joint when the mechanical arm is dragged from the current position.
  • the control movement unit selects the next position closest to the current position of the target joint among the multiple next positions to control the movement of the target joint.
  • the manipulator control method provided in the embodiment of the present application has the same technical features as the manipulator control device provided in the above embodiment, so the same situation can be avoided and the same technical effect can be achieved.
  • An embodiment of the present application also provides a manual dragging control system, which includes the robotic arm control device described in any one of the above embodiments.
  • the manual drag control system provided in the embodiment of the present application includes the robotic arm control device in the above embodiment, so the manual drag control system provided in the embodiment of the present application also has the beneficial effects described in the above embodiment, and will not be repeated here repeat.
  • Fig. 10 is a schematic structural diagram of a mechanical arm provided by an embodiment of the present application.
  • the mechanical arm includes a processor 81, a memory 82, an input device 83 and an output device 84; the number of processors 81 in the mechanical arm Can be one or more, take a processor 81 as an example among Fig. 10; Processor 81, memory 82, input device 83 and output device 84 in the mechanical arm can be connected by bus or other ways, in Fig. 10 by bus connection as an example.
  • the memory 82 can be configured to store software programs, computer-executable programs and modules, such as the program instructions/modules corresponding to the method for controlling the manipulator in the embodiment of the present application (for example, in the control device for the manipulator).
  • the processor 81 runs the software programs, instructions and modules stored in the memory 82 to execute various functional applications and data processing of the manipulator, that is, to realize the above-mentioned manipulator control method.
  • the computer readable storage medium may be a non-transitory computer readable storage medium.
  • the memory 82 may mainly include a program storage area and a data storage area, wherein the program storage area may store an operating system and at least one application required by a function; the data storage area may store data created according to the use of the terminal, and the like.
  • the memory 82 may include a high-speed random access memory, and may also include a non-volatile memory, such as at least one magnetic disk storage device, flash memory device, or other non-volatile solid-state storage devices.
  • memory 82 may include memory located remotely from processor 81 , and such remote memory may be connected to the robotic arm via a network. Examples of the aforementioned networks include, but are not limited to, the Internet, intranets, local area networks, mobile communication networks, and combinations thereof.
  • the input device 83 can be configured to receive input numbers or character information, and generate key signal input related to user settings and function control of the robotic arm.
  • the output device 84 may include a display device such as a display screen.
  • the embodiment of the present application also provides a storage medium containing computer-executable instructions, and the computer-executable instructions are configured to execute a method for controlling a robotic arm when executed by a computer processor.
  • the method for controlling the robotic arm includes a dragging preparation phase and a dragging phase, wherein:
  • the drag preparation phase includes:
  • a storage medium containing computer-executable instructions provided in the embodiments of the present application the computer-executable instructions are not limited to the above-mentioned method operations, and can also execute the mechanical arm control method provided in any embodiment of the present application. related operations.
  • the multiple units and modules included are only divided according to functional logic, but are not limited to the above-mentioned division, as long as the corresponding functions can be realized; in addition, multiple The specific names of each functional unit are only for the convenience of distinguishing each other, and are not used to limit the protection scope of the present application.
  • connection should be understood in a broad sense, for example, it can be a fixed connection or a detachable connection, or Integral connection; it can be mechanical connection or electrical connection; it can be direct connection or indirect connection through an intermediary, and it can be the internal communication of two components.

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Abstract

一种机械臂控制方法、装置以及机械臂，控制方法包括拖拽准备阶段以及拖拽阶段，其中，拖拽准备阶段包括确定目标臂体以及目标臂体的位置特征值，并确定位置特征值与多个关节位置的关系表达式，并确定目标关节作为拖拽阶段的控制对象；拖拽阶段包括确定位置特征值的目标值以及当前时刻除目标关节外的其他多个关节的位置；将获取到的参数代入第一计算表达式求解，得到目标关节在机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置。

Description

机械臂控制方法、装置以及机械臂
本申请要求在2021年10月22日提交中国专利局、申请号为202111231646.7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
本申请实施例涉及机械臂控制技术领域，例如涉及一种机械臂控制方法、装置以及机械臂。
背景技术
随着科技的进步，微创手术机器人技术逐渐成熟，并被广泛应用。医生通过操作台向机械臂发送控制命令，机械臂末端安装有医疗器械，医生对患者实施手术操作之前，需要拖动机械臂以使其末端能够运动至医生规划的患者手术入口部位的期望位姿。相比于其他方式，如使用示教器摇杆控制等，机械臂的手动拖拽模式快速而直观。
手动拖拽通常用于使机器人快速到达特定的姿态，如安装无菌袖套或者套管，该拖曳方式不仅限于医疗领域，其他工业机器人也需要有这个功能；并且对于机械臂来说，当机械臂具有冗余自由度时，能够更好避免碰撞，增加工作空间。
但是，手动拖拽有冗余自由度的机械臂时，机械臂多个关节的运动存在不确定性，难以预期，增加机器人的操作难度。
发明内容
本申请实施例提供一种机械臂控制方法、装置以及机械臂，避免了具有冗余自由度机械臂在进行手动拖拽时机械臂的多个关节存在运动不确定性的情况。
第一方面，本申请实施例提供了一种机械臂控制方法，应用于机械臂的手动拖拽控制系统，其中，所述机械臂在三维空间运动时，所述机械臂关节数量大于或等于4，所述机械臂在平面内运动时，所述机械臂的关节数量大于或等于3，所述机械臂控制方法包括拖拽准备阶段以及拖拽阶段，其中：
所述拖拽准备阶段包括：
选取所述机械臂的一个臂体为目标臂体，并将所述目标臂体的位置确定为位置特征值；
基于机械臂正向运动学确定所述位置特征值与所述机械臂多个关节位置的关系，得到所述位置特征值的第一计算表达式；
选取所述机械臂的一个关节作为目标关节，所述目标关节为在所述拖拽阶段的控制对象；
在所述拖拽准备阶段完成后，进入所述拖拽阶段，所述拖拽阶段包括：
确定所述位置特征值的目标值；
获取当前时刻除所述目标关节外的其他多个关节的位置；
将所述位置特征值的目标值以及除所述目标关节外的其他多个关节的位置代入所述第一计算表达式求解，得到所述目标关节在所述机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置。
第二方面，本申请实施例还提供了一种机械臂控制装置，应用于机械臂的手动拖拽控制系统，其中，所述机械臂在三维空间运动时，所述机械臂的关节数量大于或等于4，所述机械臂在平面内运动时，所述机械臂的关节数量大于或等于3，所述机械臂控制装置包括：
特征值确定单元，设置为选取所述机械臂的一个臂体为目标臂体，并将所述目标臂体的位置确定为位置特征值；
表达式建立单元，设置为基于机械臂正向运动学确定所述位置特征值与所述机械臂多个关节位置的关系，得到所述位置特征值的第一计算表达式；
目标关节确定单元，设置为选取所述机械臂的一个关节作为目标关节，所述目标关节为在拖拽阶段的控制对象；
目标值确定单元，设置为确定所述位置特征值的目标值；
位置获取单元，设置为获取当前时刻除所述目标关节外的其他多个关节的位置；
位置计算单元，设置为将所述位置特征值的目标值以及除所述目标关节外的其他多个关节的位置代入所述第一计算表达式求解，得到所述目标关节在所述机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置。
第三方面，本申请实施例还提供了一种手动拖拽控制系统，所述手动拖拽控制系统包括上述任一实施例所述的机械臂控制装置。
第四方面，本申请实施例还提供了一种机械臂，所述机械臂包括：
一个或多个处理器；
存储装置，设置为存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述任一实施例所述的机械臂控制方法。
第五方面，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述任一实施例所述的机械臂控制方法。
附图说明
图1是本申请实施例提供的手动拖拽机械臂时具有运动不确定性的示意图；
图2是本申请实施例提供的一种机械臂控制方法的流程图；
图3是本申请实施例提供的一种机械臂的结构图；
图4是本申请实施例提供的利用机械臂控制方法拖拽机械臂的示意图；
图5是本申请实施例提供的另一种机械臂控制方法的流程图；
图6是本申请实施例提供的又一种机械臂控制方法的流程图；
图7是本申请实施例提供的又一种机械臂控制方法的流程图；
图8是本申请实施例提供的又一种机械臂控制方法的流程图；
图9是本申请实施例提供的一种机械臂控制装置的结构图；
图10是本申请实施例提供的一种机械臂的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于限定特定顺序。本申请下述多个实施例可以单独执行，多个实施例之间也可以相互结合执行，本申请实施例对此不作具体限制。
对于一个末端有M个自由度的机械臂来说，如果机械臂在平面内运动，其末端可能有2个或3个自由度。如果机械臂在三维空间运动，其末端可能有3个至6个自由度。如果一个机械臂的关节数量多于末端的自由度，则认为该机械臂有冗余自由度，冗余自由度在增加了机械臂的工作空间的同时，也会导致在给定一个确定的机械臂末端位置时，机械臂的多个关节所能达到的位置并不是固定的，而是存在多种可能性。
因此对于具有冗余自由度的机械臂来说，当手动拖拽有冗余自由度的机械臂的末端时，机械臂多个关节的运动对于操作者存在不确定性。图1是本申请实施例提供的手动拖拽机械臂时具有运动不确定性的示意图。参见图1，当手动拖拽机械臂末端到一个新的位置后，机械臂的关节位置存在多种可能性。如图1中虚线所示，因此操作者无法预测在手动拖拽机械臂末端时多个关节所对应的运动，这会增加机械臂操作的难度，以及增加手动拖拽时产生碰撞的风险。
本申请实施例提供了一种机械臂控制方法，图2是本申请实施例提供的一种机械臂控制方法的流程图。该机械臂控制方法应用于机械臂的手动拖拽控制系统，其中，机械臂在三维空间运动时，机械臂的关节数量大于或等于4，机械臂在平面内运动时，机械臂的关节数量大于或等于3，机械臂控制方法包括拖拽准备阶段以及拖拽阶段，如图2所示，该机械臂控制方法包括如下步骤：
在拖拽准备阶段包括：
S101，选取机械臂的一个臂体为目标臂体，并将目标臂体的位置确定为位置特征值ζ。
例如，选取机械臂的一个臂体作为目标臂体，然后将所选取的目标臂体的位置确定为位置特征值ζ，其中，该目标臂体的位置可以为在预设(x，y，z)坐标系下的位置坐标，也可以是相对于某一预设参照物的角度值，即从该目标臂体的位置信息中选择其中一个作为位置特征值ζ。
图3是本申请实施例提供的一种机械臂的结构图。参加图3，图3中的机械臂包括有A、B、C、D四个关节，其中，A、B、C、D四个关节的位置分别为q 1、q 2、q 3、q 4；机械臂的A 关节固定于地面，机械臂包括有L1、L2、L3和L4四个臂体，机械臂的末端P为用户的拖拽点。当给末端P施加一个拖拽力F时，能够控制机械臂运动。图3中所示的机械臂为在三维空间中的机械臂，其关节数量为4。显然，图3中所示的机械臂为具有冗余自由度的机械臂。示例性地，本申请实施例可以将臂体L3作为目标臂体，选择位置特征值ζ为目标臂体L3与水平面的夹角。
S102，基于机械臂正向运动学确定位置特征值ζ与机械臂多个关节位置q n的关系，得到位置特征值ζ的第一计算表达式。
例如，机械臂正向运动学是一种通过机械臂的关节角计算得到机械臂上任一点的空间位置的计算方法。
例如，基于机械臂正向运动学确定位置特征值ζ与机械臂多个关节位置q n的关系，得到位置特征值的第一计算表达式包括：
基于机械臂正向运动学确定位置特征值的第一计算表达式为ζ＝ζ(q 1，q 2，......q n)，其中，ζ为位置特征值，q为机械臂的关节位置，q n表示机械臂第n个关节的位置，n∈[1，N]，N为机械臂的关节数量。
S103，选取机械臂的一个关节作为目标关节i，目标关节i为在拖拽阶段的控制对象。
例如，在得到位置特征值ζ的第一计算表达式ζ＝ζ(q 1，q 2，......q n)之后，选取机械臂的其中一个关节i为目标关节，其中，i≤n，则目标关节i的关节位置为q i，并将确定出的目标关节i作为在拖拽阶段的控制对象。至此，拖拽准备阶段完成。
需要说明的是，上述拖拽准备阶段的工作过程可以在机械臂出厂前根据需要预先设置完成；也可以在用户使用的过程中根据用户需要在设置一次后保存下来，则后续使用中不需要在每次拖拽前均进行一次拖拽准备阶段的工作；还可以根据实际需要在每次拖拽阶段开始前进行一次拖拽准备阶段的设置工作，在此不再赘述。
在拖拽准备阶段完成后，进入拖拽阶段，拖拽阶段包括：
S104，确定位置特征值ζ的目标值。
例如，在对机械臂的末端进行拖拽的过程中，需要对目标臂体的位置特征值ζ选取一个目标值，即确定在对机械臂的末端进行拖拽时，目标臂体在移动时应保持的位置。示例性地，若选择目标臂体的初始值ζ 0为位置特征值ζ的目标值，即表明在对机械臂的末端进行拖拽时，目标臂体的位置保持初始位置不动。
S105，获取当前时刻除目标关节i外的其他多个关节的位置。
示例性地，参见图3，以选取关节C为目标关节为例，由于关节C为机械臂的第三个关节，即n＝3，则其关节位置为q 3，在拖拽过程中，获取关节A、B、D的关节位置q 1，q 2，q 4。 需要说明的是，这里的关节位置可以为空间坐标位置，也可以为角度，由于图3中所示机械臂的结构所限，本申请中所指的关节位置均为角度。
S106，将位置特征值ζ的目标值以及除目标关节i外的其他多个关节的位置代入第一计算表达式求解，得到目标关节i在机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置。
例如，在确定出位置特征值ζ的目标值之后，将位置特征值ζ的目标值以及除目标关节i外的其他多个关节的位置代入第一计算表达式ζ＝ζ(q 1，q 2，......q n)，此时，对于第一计算表达式来说，其中的未知量只有目标关节i的位置q i，因此只需要对第一计算表达式进行求解即可得到目标关节i的下一位置。此后在机械臂的拖拽阶段中的每一时刻，都可以利用上述方法对目标关节i的下一位置q i进行计算，然后基于计算结果控制目标关节i移动。图4是本申请实施例提供的利用机械臂控制方法拖拽机械臂的示意图。由图4和图1对比可知，使用本申请实施例所提供的机械臂控制方法对机械臂进行拖拽时，可以消除机械臂移动的不确定性，使得机械臂的多个关节可以在可控的范围内移动。
本申请实施例避免了具有冗余自由度机械臂在进行手动拖拽时机械臂的多个关节存在运动不确定性的情况，具有冗余自由度的机械臂在被手动拖拽时多个关节能够在预期运动范围内进行运动，降低了机械臂的操作难度，减少了手动拖拽机械臂时产生碰撞的风险。
在上述多个技术方案的基础上，图5是本申请实施例提供的另一种机械臂控制方法的流程图，如图5所示，上述S101步骤包括：
S301，选取机械臂的一个臂体为目标臂体。
示例性地，参见图3，机械臂的目标臂体可以选择臂体L1、L2、L3和L4中的任意一个，但由于关节A的一端固定于地面，则臂体L1的自由度小于其他三个臂体的自由度，为了机械臂移动控制的更加精准，可以选择除了臂体L1外的其他三个臂体作为目标臂体，本申请实施例可以将臂体L4作为目标臂体。
S302，将以下之一的目标臂体的位置信息确定为位置特征值ζ：目标臂体相对于地面的位置、目标臂体相对于地面的角度、目标臂体相对于机械臂除目标臂体外的其他任一臂体的位置、目标臂体相对于机械臂除目标臂体外的其他任一臂体的角度。
示例性地，参见图3，对于目标臂体L4来说，其位置特征值ζ可以有下述四个选择：相对于地面的位置、相对于地面的角度、相对于机械臂除目标臂体外的其他任一臂体的位置以及相对于机械臂除目标臂体外的其他任一臂体的角度。例如，预先建立一个(x，y，z)坐标系，如图4所示，则可以基于该预设坐标系选择目标臂体L4相对于地面的角度作为目标臂体L4位置特征值ζ。
在上述多个技术方案的基础上，图6是本申请实施例提供的又一种机械臂控制方法的流 程图，如图6所示，上述S104步骤确定位置特征值ζ的目标值包括：
S401，将目标臂体在拖拽开始时的初始位置确定为位置特征值的目标值。
示例性地，若选择目标臂体在拖拽开始时的初始值ζ 0为位置特征值ζ的目标值，即表明在对机械臂的末端进行拖拽时，目标臂体保持初始位置不动，其中，目标臂体的初始值可以基于机械臂正向运动学以及多个关节的初始位置值计算得到。
在上述多个技术方案的基础上，图7是本申请实施例提供的又一种机械臂控制方法的流程图，如图7所示，在上述S106步骤得到目标关节在机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置之后，机械臂控制方法还包括：
S501，基于计算得到的目标关节i在机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置控制目标关节i移动。
例如，如果目标关节i为直线运动关节，则第一计算表达式为一阶线性方程，可以直接求解得到目标关节i在机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置，则可以基于计算得到的目标关节i的下一位置控制目标关节i移动。
需要说明的是，在基于目标关节i的下一位置控制目标关节i移动的同时，还需要控制除目标关节i外的其他多个关节动作，此时，需要根据机械臂的当前位置和转动速度计算其他多个关节的重力矩、摩擦力矩以及阻尼力矩，并在计算得到多个关节的对应的力矩之后，通过关节控制器控制多个关节基于计算得到的对应的力矩动作，其中，摩擦力矩和阻尼力矩可以同时计算出来作为关节移动的控制依据，也可以只计算摩擦力矩和阻尼力矩的其中之一作为关节移动的控制依据，在此不再赘述。
在上述多个技术方案的基础上，图8是本申请实施例提供的又一种机械臂控制方法的流程图，如图8所示，在上述S106步骤得到目标关节在机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置之后，机械臂控制方法还包括：
S601，若基于第一计算表达式求解得到的目标关节i在机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置的数量为大于或等于两个，则选择多个下一位置中与目标关节i的当前位置最近的下一位置控制目标关节i移动。
例如，若目标关节i为转动关节，则第一计算表达式为一个二阶线性方程，此时求解出的目标关节i的下一位置的数量可能是两个，也可能是大于两个，即二阶线性方程的解的数量为大于或等于2，则选取多个下一位置中，与目标关节i的当前位置最近的下一位置移动目标关节i。例如，以求解出的下一位置的数量为2为例，计算得到的下一位置可以为相对地面来说10°或170°，则选取10°作为目标关节i的下一位置控制目标关节i的移动。
图9是本申请实施例提供的一种机械臂控制装置的结构图，该机械臂控制装置应用于机 械臂的手动拖拽控制系统，其中，机械臂在三维空间运动时，机械臂的关节数量大于或等于4，机械臂在平面内运动时，机械臂的关节数量大于或等于3，如图9所示，该机械臂控制装置包括：
特征值确定单元71，设置为选取机械臂的一个臂体为目标臂体，并将目标臂体的位置确定为位置特征值；
表达式建立单元72，设置为基于机械臂正向运动学确定位置特征值与机械臂多个关节位置的关系，得到位置特征值的第一计算表达式；
目标关节确定单元73，设置为选取机械臂的一个关节作为目标关节，目标关节为在拖拽阶段的控制对象；
目标值确定单元74，设置为确定位置特征值的目标值；
位置获取单元75，设置为获取当前时刻除目标关节外的其他多个关节的位置；
位置计算单元76，设置为将位置特征值的目标值以及除目标关节外的其他多个关节的位置代入第一计算表达式求解，得到目标关节在机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置。
例如，特征值确定单元71设置为：选取机械臂的一个臂体为目标臂体；将以下之一的目标臂体的位置信息确定为位置特征值：目标臂体相对于地面的位置、目标臂体相对于地面的角度、目标臂体相对于机械臂除目标臂体外的其他任一臂体的位置、目标臂体相对于机械臂除目标臂体外的其他任一臂体的角度。
例如，表达式建立单元72设置为：基于机械臂正向运动学确定位置特征值的第一计算表达式为ζ＝ζ(q 1，q 2，......q n)，其中，ζ为位置特征值，q为机械臂的关节位置，q n表示机械臂第n个关节的位置，n∈[1，N]，N为机械臂的关节数量。
例如，目标值确定单元74设置为：将目标臂体的初始位置确定为位置特征值的目标值。
例如，在位置计算单元76得到目标关节在机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置之后，机械臂控制装置还包括：
控制移动单元，设置为基于计算得到的目标关节在机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置控制目标关节移动。
例如，在位置计算单元76得到目标关节在机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置之后，若位置计算单元76基于第一计算表达式求解得到的目标关节在机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置的数量为大于或等于两个，则控制移动单元选择多个下一位置中与目标关节的当前位置最近的下一位置控制目标关节移动。
本申请实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。
本申请实施例提供的机械臂控制方法，与上述实施例提供的机械臂控制装置具有相同的技术特征，所以也能避免相同的情况，达到相同的技术效果。
本申请实施例还提供了一种手动拖拽控制系统，手动拖拽控制系统包括上述任一实施例所述的机械臂控制装置。
本申请实施例提供的手动拖拽控制系统包括上述实施例中的机械臂控制装置，因此本申请实施例提供的手动拖拽控制系统也具备上述实施例中所描述的有益效果，此处不再赘述。
图10是本申请实施例提供的一种机械臂的结构示意图，如图10所示，该机械臂包括处理器81、存储器82、输入装置83和输出装置84；机械臂中处理器81的数量可以是一个或多个，图10中以一个处理器81为例；机械臂中的处理器81、存储器82、输入装置83和输出装置84可以通过总线或其他方式连接，图10中以通过总线连接为例。
存储器82作为一种计算机可读存储介质，可设置为存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的机械臂控制方法对应的程序指令/模块(例如，机械臂控制装置中的特征值确定单元71、表达式建立单元72、位置获取单元73以及位置计算单元74)。处理器81通过运行存储在存储器82中的软件程序、指令以及模块，从而执行机械臂的多种功能应用以及数据处理，即实现上述的机械臂控制方法。计算机可读存储介质可以为非暂态计算机可读存储介质。
存储器82可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器82可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器82可包括相对于处理器81远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至机械臂。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入装置83可设置为接收输入的数字或字符信息，以及产生与机械臂的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置84可包括显示屏等显示设备。
本申请实施例还提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时设置为执行一种机械臂控制方法。
例如，该机械臂控制方法包括拖拽准备阶段以及拖拽阶段，其中：
拖拽准备阶段包括：
选取机械臂的一个臂体为目标臂体，并将目标臂体的位置确定为位置特征值；
基于机械臂正向运动学确定位置特征值与机械臂多个关节位置的关系，得到位置特征值的第一计算表达式；
选取机械臂的一个关节作为目标关节，目标关节为在拖拽阶段的控制对象；
在拖拽准备阶段完成后，进入拖拽阶段，拖拽阶段包括：
确定位置特征值的目标值；
获取当前时刻除目标关节外的其他多个关节的位置；
将位置特征值的目标值以及除目标关节外的其他多个关节的位置代入第一计算表达式求解，得到目标关节在机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置。
当然，本申请实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上所述的方法操作，还可以执行本申请任意实施例所提供的机械臂控制方法中的相关操作。
通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本申请可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请多个实施例所述的方法。
值得注意的是，上述搜索装置的实施例中，所包括的多个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，多个功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。
在本申请实施例的描述中，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，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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申请中的具体含义。

Claims (10)

  1. 一种机械臂控制方法，应用于机械臂的手动拖拽控制系统，其中，所述机械臂在三维空间运动时，所述机械臂关节数量大于或等于4，所述机械臂在平面内运动时，所述机械臂的关节数量大于或等于3，所述机械臂控制方法包括拖拽准备阶段以及拖拽阶段，其中：
    所述拖拽准备阶段包括：
    选取所述机械臂的一个臂体为目标臂体，并将所述目标臂体的位置确定为位置特征值；
    基于机械臂正向运动学确定所述位置特征值与所述机械臂多个关节位置的关系，得到所述位置特征值的第一计算表达式；
    选取所述机械臂的一个关节作为目标关节，所述目标关节为在所述拖拽阶段的控制对象；
    在所述拖拽准备阶段完成后，进入所述拖拽阶段，所述拖拽阶段包括：
    确定所述位置特征值的目标值；
    获取当前时刻除所述目标关节外的其他多个关节的位置；
    将所述位置特征值的目标值以及除所述目标关节外的其他多个关节的位置代入所述第一计算表达式求解，得到所述目标关节在所述机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置。
  2. 根据权利要求1所述的机械臂控制方法，其中，所述选取所述机械臂的一个臂体为目标臂体，并将所述目标臂体的位置确定为位置特征值，包括：
    选取所述机械臂的一个臂体为所述目标臂体；
    将以下之一的所述目标臂体的位置信息确定为所述位置特征值：所述目标臂体相对于地面的位置、所述目标臂体相对于地面的角度、所述目标臂体相对于所述机械臂除所述目标臂体外的其他任一臂体的位置、所述目标臂体相对于所述机械臂除所述目标臂体外的其他任一臂体的角度。
  3. 根据权利要求1所述的机械臂控制方法，其中，所述基于机械臂正向运动学确定所述位置特征值与所述机械臂多个关节位置的关系，得到所述位置特征值的第一计算表达式，包括：
    基于机械臂正向运动学确定所述位置特征值的第一计算表达式为ζ＝ζ(q 1，q 2，......q n)，其中，ζ为所述位置特征值，q为所述机械臂的关节位置，q n表示所述机械臂第n个关节的位置，n∈[1，N]，N为所述机械臂的关节数量。
  4. 根据权利要求1所述的机械臂控制方法，其中，所述确定所述位置特征值的目标值，包括：
    将所述目标臂体在拖拽开始时的初始位置确定为所述位置特征值的目标值。
  5. 根据权利要求1所述的机械臂控制方法，在得到所述目标关节在所述机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置之后，所述机械臂控制方法还包括：基于计算得到的所述目标关节在 所述机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置控制所述目标关节移动。
  6. 根据权利要求1所述的机械臂控制方法，在得到所述目标关节在所述机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置之后，所述机械臂控制方法还包括：
    响应于确定基于所述第一计算表达式求解得到的目标关节在所述机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置的数量为大于或等于两个，选择多个下一位置中与所述目标关节的当前位置最近的下一位置控制所述目标关节移动。
  7. 一种机械臂控制装置，应用于机械臂的手动拖拽控制系统，其中，所述机械臂在三维空间运动时，所述机械臂的关节数量大于或等于4，所述机械臂在平面内运动时，所述机械臂的关节数量大于或等于3，所述机械臂控制装置包括：
    特征值确定单元，设置为选取所述机械臂的一个臂体为目标臂体，并将所述目标臂体的位置确定为位置特征值；
    表达式建立单元，设置为基于机械臂正向运动学确定所述位置特征值与所述机械臂多个关节位置的关系，得到所述位置特征值的第一计算表达式；
    目标关节确定单元，设置为选取所述机械臂的一个关节作为目标关节，所述目标关节为在拖拽阶段的控制对象；
    目标值确定单元，设置为确定所述位置特征值的目标值；
    位置获取单元，设置为获取当前时刻除所述目标关节外的其他多个关节的位置；
    位置计算单元，设置为将所述位置特征值的目标值以及除所述目标关节外的其他多个关节的位置代入所述第一计算表达式求解，得到所述目标关节在所述机械臂从当前位置被拖拽时的下一位置。
  8. 一种手动拖拽控制系统，所述手动拖拽控制系统包括上述权利要求7所述的机械臂控制装置。
  9. 一种机械臂，包括：
    一个或多个处理器；
    存储装置，设置为存储一个或多个程序；
    当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-6中任一所述的机械臂控制方法。
  10. 一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一所述的机械臂控制方法。
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