一种机器人主动避撞系统及方法技术方案

本申请实施例公开了一种机器人主动避撞系统及方法，优化人体与机械臂之间的距离的计算方法；在每个机器人环节上建立了一个控制屏障函数和系统优化方法，使得机器人系统是对安全距离非常敏感：当系统远离最小安全距离时，系统允许精确跟踪预设的控制输入，而当连杆和障碍物之间的距离接近最小碰撞距离时，它将修改机械臂的运行轨迹，以确保人机共享空间的人的安全。最大限度地减小了期望加速度输入与指令加速度输入之间的差异，使机器人在检测到发生碰撞前，主动躲避人体，同时保持对期望轨迹的跟踪。的跟踪。的跟踪。

【技术实现步骤摘要】
一种机器人主动避撞系统及方法


[0001]本申请实施例涉及人机协作
，具体涉及一种机器人主动避撞系统及方法。

技术介绍

[0002]人机协作单元中，人类操作员和机器人共享一个工作空间，系统设计的首要条件是必须满足人类的安全，同时还应避免对系统和环境造成损害。这将对机器人系统的关节、工作空间、速度、力或扭矩产生限制，并需要一个控制方案，以确保在任务执行期间遵守限制。
[0003]当前，最广泛使用的控制方案是基于优化的模型预测控制和参考调节器强制执行输入、输出和状态约束。然而，系统动力学中的大量约束或非线性可能会影响求解的实时性。不变性控制方法通过将系统控制的不变性保持在状态空间的约束，容许子集内来实施输出和状态约束，但是在实际系统上的实现时，由于开关控制规则的原因而导致边界处的抖振。通过创建虚拟斥力的方法，比如也可以设计势函数和虚拟夹具强化输出和状态约束。
[0004]然而，这两种方法在确定排斥控制作用时都忽略了固有的系统动力学，对于高阶动力学、高加速度或惯性，这些动力学对约束的逼近有着实质性的影响，无论是势场还是虚拟夹具都不能保证一直遵守约束。

技术实现思路

[0005]为此，本申请实施例提供一种机器人主动避撞系统及方法，提出了一种基于安全控制屏障函数的控制结构，设计主动避撞约束执行控制器并串联在现有的控制回路中，在人机之间添加一个虚拟的安全屏障，在保障人机协作安全的同时，改变机械臂运行轨迹，从而提高人机协作单元的生产效率。
[0006]为了实现上述目的，本申请实施例提供如下技术方案：
[0007]根据本申请实施例的第一方面，提供了一种机器人主动避撞系统，所述系统包括：
[0008]数据获取模块，用于通过人体传感器获取人体骨骼坐标数据；
[0009]机械臂离线路径规划模块，用于在ROS测试系统环境中进行机械臂离线路径规划，将规划的结果传送至机械臂控制器，以使得机械臂按照规划的路径运行；
[0010]虚拟人体模型构造模块，用于按照关节分布将人体虚拟成一个个胶囊连接体，并对应人体传感器获取人体骨骼坐标数据；并将机械臂的关节虚拟成胶囊的形式；
[0011]数据滤波融合模块，用于根据数据滤波融合算法得到一组人体骨骼的时间序列，将所述时间序列传送至ROS测试系统；
[0012]人机距离计算模块，用于所述ROS测试系统计算骨骼数据中与机械臂每个胶囊中点以及机械臂末端执行器的距离，并确定出最短的距离；
[0013]优化模块，用于通过碰撞测试程序启动控制屏障函数的避撞算法，并利用凸优化设计的代码产生器进行控制系统优化，将优化结果发送至ROS路径规划器，以生成目标轨迹
路径；
[0014]主动避撞模块，用于机械臂基于目标轨迹路径进行运动，以完成人体主动避让。
[0015]可选地，所述主动避撞模块具体用于：
[0016]当检测到机器人主动避撞系统远离最小安全距离时，允许精确跟踪预设的控制输入；利用安全屏障函数，将避撞约束添加到机器人控制回路中，当人机距离小于最小安全距离时，将修改机械臂的运行轨迹，生成新的路径规划，以完成人体主动避让。
[0017]可选地，所述控制屏障函数的避撞算法包括一个对数项来形成屏障和一个依赖于的可调项，通过调整参数a
E
和b
E
，来调整系统和约束的距离；
[0018]给定加速度输入，则机器人每个连杆的容许控制值集定义按照如下公式：
[0019][0020][0021][0022]将机器人第i个连杆的每个约束重写为：
[0023][0024][0025]式中，h
i
(x
i
)和是约束函数及其一次导数。
[0026]可选地，所述利用凸优化设计的代码产生器进行控制系统优化，包括：
[0027]有线性约束的二次优化问题允许计算将用作控制输入的关节加速度；优化问题的
目标是最小化指令控制输入和期望的末端执行器笛卡尔加速度之间的差异；
[0028]优化过程按照如下公式定义：
[0029][0030][0031][0032][0033][0034][0035][0036]其中J
rob
为串联机器人从底座到末端执行器的全部关节运动的雅可比矩阵，Δt为采样周期；为了获得可行的运动，在约束条件中加入关节加速度和速度边界α和β。
[0037]可选地，所述控制屏障函数按照如下步骤进行定义：
[0038]在定义的集合C∈R
n
上，令一个连续可微的h:R
n
→
R；一个局部Lipschitz连续函数B(x):C
→
R是一个安全屏障函数，若它的Lie导数L
f
B(x)和L
g
B(x)满足局部Lipschitz连续，且存在K类函数α1，α2和γ＞0，则对于所有的x∈C：
[0039][0040][0041]既然B(x)
→
∞，当h(x)
→
0且保证当系统状态接近约束时，控制屏障函数停止增长；
[0042]计算与控制值u的关系：
[0043][0044]K
B
(x)为容许控制值集，由于控制屏障函数是在一组容许状态C中定义，因此保证集合C正向不变。
[0045]根据本申请实施例的第二方面，提供了一种机器人主动避撞方法，所述方法包括：
[0046]通过人体传感器获取人体骨骼坐标数据；
[0047]在ROS测试系统环境中进行机械臂离线路径规划，将规划的结果传送至机械臂控制器，以使得机械臂按照规划的路径运行；
[0048]按照关节分布将人体虚拟成一个个胶囊连接体，并对应人体传感器获取人体骨骼坐标数据；并将机械臂的关节虚拟成胶囊的形式；
[0049]据数据滤波融合算法得到一组人体骨骼的时间序列，将所述时间序列传送至ROS测试系统；
[0050]ROS系统与人体传感器通信，以获取人体骨骼坐标数据；
[0051]根据数据滤波融合算法得到一组人体骨骼的时间序列，将所述时间序列传送至ROS测试系统；
[0052]所述ROS测试系统计算骨骼数据中与机械臂每个胶囊中点以及机械臂末端执行器的距离，并确定出最短的距离；
[0053]通过碰撞测试程序启动控制屏障函数的避撞算法，并利用凸优化设计的代码产生器进行控制系统优化，将优化结果发送至ROS路径规划器，以生成目标轨迹路径；
[0054]机械臂基于目标轨迹路径进行运动，以完成对人体的主动避让。
[0055]可选地，所述机械臂基于目标轨迹路径进行运动，以完成人体主动避让，包括：
[0056]以固定的末端执行器的一个执行运动来检测人体接近机器人时的行为；
[0057]离线规划机器人轨迹，计算笛卡尔空间中末端执行器的位置和速度；
[0058]利用PD控制器，得到目标加速度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机器人主动避撞系统，其特征在于，所述系统包括：数据获取模块，用于通过人体传感器获取人体骨骼坐标数据；机械臂离线路径规划模块，用于在ROS测试系统环境中进行机械臂离线路径规划，将规划的结果传送至机械臂控制器，以使得机械臂按照规划的路径运行；虚拟人体模型构造模块，用于按照关节分布将人体虚拟成一个个胶囊连接体，并对应人体传感器获取人体骨骼坐标数据；并将机械臂的关节虚拟成胶囊的形式；数据滤波融合模块，用于根据数据滤波融合算法得到一组人体骨骼的时间序列，将所述时间序列传送至ROS测试系统；人机距离计算模块，用于所述ROS测试系统计算骨骼数据中与机械臂每个胶囊中点以及机械臂末端执行器的距离，并确定出最短的距离；优化模块，用于通过碰撞测试程序启动控制屏障函数的避撞算法，并利用凸优化设计的代码产生器进行控制系统优化，将优化结果发送至ROS路径规划器，以生成目标轨迹路径；主动避撞模块，用于机械臂基于目标轨迹路径进行运动，以完成人体主动避让。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主动避撞模块具体用于：当检测到机器人主动避撞系统远离最小安全距离时，允许精确跟踪预设的控制输入；利用安全屏障函数，将避撞约束添加到机器人控制回路中，当人机距离小于最小安全距离时，将修改机械臂的运行轨迹，生成新的路径规划，以完成人体主动避让。3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制屏障函数的避撞算法包括一个对数项来形成屏障和一个依赖于的可调项，通过调整参数a
E
和b
E
，来调整系统和约束的距离；给定加速度输入，则机器人每个连杆的容许控制值集定义按照如下公式：给定加速度输入，则机器人每个连杆的容许控制值集定义按照如下公式：
将机器人第i个连杆的每个约束重写为：将机器人第i个连杆的每个约束重写为：式中，h
i
(x
i
)和是约束函数及其一次导数。4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述利用凸优化设计的代码产生器进行控制系统优化，包括：有线性约束的二次优化问题允许计算将用作控制输入的关节加速度；优化问题的目标是最小化指令控制输入和期望的末端执行器笛卡尔加速度之间的差异；优化过程按照如下公式定义：优化过程按照如下公式定义：优化过程按照如下公式定义：优化过程按照如下公式定义：优化过程按照如下公式定义：优化过程按照如下公式定义：优化过程按照如下公式定义：其中J
rob
为串联机器人从底座到末端执行器的全部关节运动的雅可比矩阵，Δt为采样周期；为了获得可行的运动，在约束条件中加入关节加速度和速度边界α和β。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制屏障函数按照如下步骤进行定义：在定义的集合C∈R
n
上，令一个连续可微...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎冠，
申请(专利权)人：华北科技学院中国煤矿安全技术培训中心，
类型：发明
国别省市：