[發明專利]一種機器人主動避撞系統及方法

在審

• 申請號: 202110698331.7
• 申請日: 2021-06-23
• 公開（公告）號: CN113370210A
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: 黎冠
• 申請（專利權）人: 華北科技學院(中國煤礦安全技術培訓中心）
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京悅和知識產權代理有限公司 11714
• 代理人: 司麗春

1.一種機器人主動避撞系統，其特征在于，所述系統包括：

數據獲取模塊，用于通過人體傳感器獲取人體骨骼坐標數據；

機械臂離線路徑規劃模塊，用于在ROS測試系統環境中進行機械臂離線路徑規劃，將規劃的結果傳送至機械臂控制器，以使得機械臂按照規劃的路徑運行；

虛擬人體模型構造模塊，用于按照關節分布將人體虛擬成一個個膠囊連接體，并對應人體傳感器獲取人體骨骼坐標數據；并將機械臂的關節虛擬成膠囊的形式；

數據濾波融合模塊，用于根據數據濾波融合算法得到一組人體骨骼的時間序列，將所述時間序列傳送至ROS測試系統；

人機距離計算模塊，用于所述ROS測試系統計算骨骼數據中與機械臂每個膠囊中點以及機械臂末端執行器的距離，并確定出最短的距離；

優化模塊，用于通過碰撞測試程序啟動控制屏障函數的避撞算法，并利用凸優化設計的代碼產生器進行控制系統優化，將優化結果發送至ROS路徑規劃器，以生成目標軌跡路徑；

主動避撞模塊，用于機械臂基于目標軌跡路徑進行運動，以完成人體主動避讓。

2.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述主動避撞模塊具體用于：

當檢測到機器人主動避撞系統遠離最小安全距離時，允許精確跟蹤預設的控制輸入；利用安全屏障函數，將避撞約束添加到機器人控制回路中，當人機距離小于最小安全距離時，將修改機械臂的運行軌跡，生成新的路徑規劃，以完成人體主動避讓。

3.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述控制屏障函數的避撞算法包括一個對數項來形成屏障和一個依賴于的可調項，通過調整參數a_E和b_E，來調整系統和約束的距離；

給定加速度輸入，則機器人每個連桿的容許控制值集定義按照如下公式：

將機器人第i個連桿的每個約束重寫為：

式中，h_i(x_i)和是約束函數及其一次導數。

4.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述利用凸優化設計的代碼產生器進行控制系統優化，包括：

有線性約束的二次優化問題允許計算將用作控制輸入的關節加速度；優化問題的目標是最小化指令控制輸入和期望的末端執行器笛卡爾加速度之間的差異；

優化過程按照如下公式定義：

其中J_rob為串聯機器人從底座到末端執行器的全部關節運動的雅可比矩陣，Δt為采樣周期；為了獲得可行的運動，在約束條件中加入關節加速度和速度邊界α和β。

5.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述控制屏障函數按照如下步驟進行定義：

在定義的集合C∈Rⁿ上，令一個連續可微的h:Rⁿ→R；一個局部Lipschitz連續函數B(x):C→R是一個安全屏障函數，若它的Lie導數L_fB(x)和L_gB(x)滿足局部Lipschitz連續，且存在K類函數α₁，α₂和γ＞0，則對于所有的x∈C：

既然B(x)→∞，當h(x)→0且保證當系統狀態接近約束時，控制屏障函數停止增長；

計算與控制值u的關系：

K_B(x)為容許控制值集，由于控制屏障函數是在一組容許狀態C中定義，因此保證集合C正向不變。