[發(fā)明專利]一種機器人主動避撞系統(tǒng)及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110698331.7
• 申請日: 2021-06-23
• 公開（公告）號: CN113370210A
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黎冠
• 申請（專利權(quán)）人: 華北科技學(xué)院(中國煤礦安全技術(shù)培訓(xùn)中心）
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京悅和知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11714
• 代理人: 司麗春

本申請實施例公開了一種機器人主動避撞系統(tǒng)及方法，優(yōu)化人體與機械臂之間的距離的計算方法；在每個機器人環(huán)節(jié)上建立了一個控制屏障函數(shù)和系統(tǒng)優(yōu)化方法，使得機器人系統(tǒng)是對安全距離非常敏感：當(dāng)系統(tǒng)遠離最小安全距離時，系統(tǒng)允許精確跟蹤預(yù)設(shè)的控制輸入，而當(dāng)連桿和障礙物之間的距離接近最小碰撞距離時，它將修改機械臂的運行軌跡，以確保人機共享空間的人的安全。最大限度地減小了期望加速度輸入與指令加速度輸入之間的差異，使機器人在檢測到發(fā)生碰撞前，主動躲避人體，同時保持對期望軌跡的跟蹤。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請實施例涉及人機協(xié)作技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種機器人主動避撞系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

人機協(xié)作單元中，人類操作員和機器人共享一個工作空間，系統(tǒng)設(shè)計的首要條件是必須滿足人類的安全，同時還應(yīng)避免對系統(tǒng)和環(huán)境造成損害。這將對機器人系統(tǒng)的關(guān)節(jié)、工作空間、速度、力或扭矩產(chǎn)生限制，并需要一個控制方案，以確保在任務(wù)執(zhí)行期間遵守限制。

當(dāng)前，最廣泛使用的控制方案是基于優(yōu)化的模型預(yù)測控制和參考調(diào)節(jié)器強制執(zhí)行輸入、輸出和狀態(tài)約束。然而，系統(tǒng)動力學(xué)中的大量約束或非線性可能會影響求解的實時性。不變性控制方法通過將系統(tǒng)控制的不變性保持在狀態(tài)空間的約束，容許子集內(nèi)來實施輸出和狀態(tài)約束，但是在實際系統(tǒng)上的實現(xiàn)時，由于開關(guān)控制規(guī)則的原因而導(dǎo)致邊界處的抖振。通過創(chuàng)建虛擬斥力的方法，比如也可以設(shè)計勢函數(shù)和虛擬夾具強化輸出和狀態(tài)約束。

然而，這兩種方法在確定排斥控制作用時都忽略了固有的系統(tǒng)動力學(xué)，對于高階動力學(xué)、高加速度或慣性，這些動力學(xué)對約束的逼近有著實質(zhì)性的影響，無論是勢場還是虛擬夾具都不能保證一直遵守約束。

發(fā)明內(nèi)容

為此，本申請實施例提供一種機器人主動避撞系統(tǒng)及方法，提出了一種基于安全控制屏障函數(shù)的控制結(jié)構(gòu)，設(shè)計主動避撞約束執(zhí)行控制器并串聯(lián)在現(xiàn)有的控制回路中，在人機之間添加一個虛擬的安全屏障，在保障人機協(xié)作安全的同時，改變機械臂運行軌跡，從而提高人機協(xié)作單元的生產(chǎn)效率。

為了實現(xiàn)上述目的，本申請實施例提供如下技術(shù)方案：

根據(jù)本申請實施例的第一方面，提供了一種機器人主動避撞系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

數(shù)據(jù)獲取模塊，用于通過人體傳感器獲取人體骨骼坐標數(shù)據(jù)；

機械臂離線路徑規(guī)劃模塊，用于在ROS測試系統(tǒng)環(huán)境中進行機械臂離線路徑規(guī)劃，將規(guī)劃的結(jié)果傳送至機械臂控制器，以使得機械臂按照規(guī)劃的路徑運行；

虛擬人體模型構(gòu)造模塊，用于按照關(guān)節(jié)分布將人體虛擬成一個個膠囊連接體，并對應(yīng)人體傳感器獲取人體骨骼坐標數(shù)據(jù)；并將機械臂的關(guān)節(jié)虛擬成膠囊的形式；

數(shù)據(jù)濾波融合模塊，用于根據(jù)數(shù)據(jù)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(tǒng)；

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

優(yōu)化模塊，用于通過碰撞測試程序啟動控制屏障函數(shù)的避撞算法，并利用凸優(yōu)化設(shè)計的代碼產(chǎn)生器進行控制系統(tǒng)優(yōu)化，將優(yōu)化結(jié)果發(fā)送至ROS路徑規(guī)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。

可選地，所述主動避撞模塊具體用于：

當(dāng)檢測到機器人主動避撞系統(tǒng)遠離最小安全距離時，允許精確跟蹤預(yù)設(shè)的控制輸入；利用安全屏障函數(shù)，將避撞約束添加到機器人控制回路中，當(dāng)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(guī)劃，以完成人體主動避讓。

可選地，所述控制屏障函數(shù)的避撞算法包括一個對數(shù)項來形成屏障和一個依賴于的可調(diào)項，通過調(diào)整參數(shù)a_E和b_E，來調(diào)整系統(tǒng)和約束的距離；