[發明專利]一種基于虛擬力的主從跟隨與避碰方法

在審

• 申請號: 202110596275.6
• 申請日: 2021-05-30
• 公開（公告）號: CN113334379A
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 王越;鄭先杰;羅威;陳歡;樊衛華;郭健
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J18/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 薛云燕

本發明公開了一種基于虛擬力的主從跟隨與避碰方法，該方法為：構建雙機械臂系統運動模型，得到機械臂末端相對于基座的位置和姿態；根據機械臂末端狀態，構建虛擬力場函數，計算雙機械臂末端的虛擬引力與虛擬斥力；采用主從控制模式確定雙機械臂跟隨的約束關系；對機械臂進行虛擬力優化，求虛擬的最終目標點，使雙機械臂系統跳出局值狀態；利用求解的虛擬目標點、障礙物、雙機械臂系統以及目標點之間的虛擬力場來對雙機械臂系統進行避碰規劃；從機械臂根據主從機械臂約束關系確定末端姿態，并將主機械臂加入到從機械臂的障礙物中，再對從機械臂進行軌跡規劃，實現從機械臂跟隨主機械臂。本發明實現了狹窄作業環境下良好的避碰與主從跟隨。

技術領域

本發明屬于機器人雙臂協同和運動規劃技術領域，具體為一種基于虛擬力的主從跟隨與避碰方法。

背景技術

近年來我國配電網進入飛速發展階段，與此同時配電線路所需的運維工作量也大幅增加。狹小空間作業限制了帶電機器人的開發。在帶電作業領域，與日益增長的帶電維護作業量相比，我國目前廣泛采用的人工絕緣桿和絕緣手套作業法明顯效率不足。需要提高配電線路維護機器人的自主性、安全性和靈活性，而雙臂協作技術正是提高機器人自主性與靈活性的關鍵技術。采用機器人代替人工完成帶電作業，不僅可以避免人員傷亡事故的發生，提高作業效率；同時還可以提高電網運行質量，進一步減少供電系統維護人工成本，帶來巨大的經濟效益和社會效益。總之，雙臂協同與避障技術迫在眉睫。

在雙機械臂協作完成帶電作業任務過程中，同時包含各機械臂自身位姿約束以及協作機械臂間的相對運動約束，這些約束是作業任務本身帶來的要求；另一方面，在特定作業任務下，由于機械臂與工件接觸產生的接觸力，以及環境對系統施加的外力干擾，都會增大機械臂間的碰撞，當機械臂夾持工件過程中受力超出安全范圍，容易造成設備的損壞。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于虛擬力的主從跟隨與避碰方法，實現狹窄作業環境下良好的避碰與主從跟隨。

實現本發明目的的技術方案為：一種基于虛擬力的主從跟隨與避碰方法，包括以下步驟：

步驟1、構建雙機械臂系統運動模型，得到機械臂末端相對于基座的位置和姿態；

步驟2、根據機械臂末端狀態，構建虛擬力場函數，計算雙機械臂末端的虛擬引力與虛擬斥力；

步驟3、通過計算出虛擬引力和斥力，采用主從控制模式確定雙機械臂跟隨的約束關系；

步驟4、對機械臂進行虛擬力優化，求虛擬的最終目標點，使雙機械臂系統跳出局值狀態；

步驟5、利用求解的虛擬目標點、障礙物、雙機械臂系統以及目標點之間的虛擬力場來對雙機械臂系統進行避碰規劃，判斷是否發生碰撞，實現避碰；

步驟6、從機械臂根據主從機械臂約束關系確定末端姿態，并將主機械臂加入到從機械臂的障礙物中，再對從機械臂進行軌跡規劃，實現從機械臂跟隨主機械臂。

本發明與現有技術相比，其顯著優點為：(1)突破了狹窄作業環境下，雙臂易出現碰撞、難以主從跟隨的問題；(2)引入了雙機械臂約束關系，能夠實現雙機械臂主從跟隨；(3)運用了優化的虛擬力，引入虛擬目標點，保證機械臂系統不會陷入局部極值狀態，實現避碰。

下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。

附圖說明

圖1為本發明基于虛擬力的主從跟隨與避碰方法的流程圖。

圖2為本發明中連桿坐標系的關節圖。

具體實施方式

本發明一種基于虛擬力的主從跟隨與避碰方法，包括以下步驟：

步驟1、構建雙機械臂系統運動模型，得到機械臂末端相對于基座的位置和姿態；