用于室内立体清洁的机械臂实时规划与控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种用于室内立体清洁的机械臂实时规划与控制方法及系统，包括移动底盘模块，机械臂模块和视觉模块；机械臂模块接收到任务指令后开始工作，视觉模块将被清洁物体信息与周围环境信息传递给机械臂模块，如果机械臂完成了预设清洁路径，那么工作流程结束，该任务执行完成；如果机械臂未完成预设清洁路径，则在预设路径下继续运动，根据从视觉模块获取的环境信息与机械臂状态规划出下一时刻机械臂位姿，并控制机械臂到达该位姿。本发明专利技术通过将用于避障的姿态运动约束映射至机械臂腕关节处的位置运动约束，提升了机械臂的适应性与智能性，降低了机械臂对环境的强依赖，在面对复杂的周边环境时，也能保证机械臂正常工作。作。作。

Real time planning and control method and system of manipulator for indoor three-dimensional cleaning

【技术实现步骤摘要】
用于室内立体清洁的机械臂实时规划与控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及机器人清洁领域，具体地，涉及一种用于室内立体清洁的机械臂实时规划与控制方法及系统。

技术介绍

[0002]复合型机器人是一种集成移动机器人和通用机械臂两项功能为一身的新型机器人，移动机器人代替了人腿脚的行走功能，通用机械臂代替了人胳膊的抓取功能。因此，复合型机器人集合了两种类型机器人的优势，移动机器人仅能完成一些定点巡逻，报警等单一任务，而通用机械臂仅能完成一些抓取、码垛、喷涂等固定动作，当二者结合为复合型机器人后，两者的优势相加起到了1+1>2的效果，能够应用于更加复杂的任务场景中，在不同的工作地点之间来回切换，完成多种类型的任务。
[0003]将复合型机器人应用到室内立体空间清洁任务中正逐渐成为机器人技术发展的必然趋势，能够极大补充目前市场上扫地机器人未完成的清洁空间。复合型机器人配合相机，通过赋予机械臂视觉功能以此来提升机械臂的智能性，但是目前主流的机械臂运动规划与控制方案中，均是对机械臂实行离线运动规划，流程一般是先通过相机获取目标位置于周围障碍物，再通过概率搜索方法得到一条安全路径，保障机械臂能够无碰撞的到达目标位置。但是上述方法并不适用于规划清洁轨迹，在进行清洁任务时，安装于机械臂末端的清洁工具通常需要在笛卡尔空间中运动复杂的轨迹，这些轨迹用于保证清洁工具能够全覆盖被清洁面，因此准确而言，清洁任务仅需要三个自由度的约束，既保证清洁工具末端按照既定轨迹运动即可。上述“点对点”式的离线规划并不能应用于机械臂清洁任务中。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种用于室内立体清洁的机械臂实时规划与控制方法及系统，在获取了目标位置与障碍物位置后，利用机械臂的冗余自由度，通过将用于避障的姿态运动约束映射至机械臂腕关节处的位置运动约束，既保证了清洁工具能够按照指定位置约束运动，又能实时调整自身构型，避开运动过程中的障碍物，提升机械臂运动过程中的安全性。
[0005]本专利技术提供了一种用于室内立体清洁的机械臂实时规划与控制方法，包括：
[0006]步骤1：当机械臂控制器接收到任务指令后开始工作；
[0007]步骤2：机械臂控制器通过视觉图像分析获取的被清洁物体信息与周围环境信息，设定预设清洁路径；
[0008]步骤3：机械臂控制器控制机械臂抓取清洁工具根据预设清洁路径进行清洁；
[0009]步骤4：机械臂控制器判定机械臂是否完成预设清洁路径；如果机械臂完成了预设清洁路径，执行步骤6；如果机械臂未完成预设清洁路径，执行步骤5；
[0010]步骤5：机械臂在预设路径下继续运动，并根据环境信息与机械臂状态，规划出下一时刻机械臂位姿并控制机械臂到达该位姿；接着返回步骤3；
[0011]步骤6：机械臂控制器接收到完成任务指令后，结束工作流程。
[0012]进一步地，所述预设清洁路径包括对机械臂的第一约束和第二约束：第一约束安装于机械臂的清洁工具末端位置，第二约束安装于机械臂腕部位置；根据第一约束环境位置信息规划出能够全覆盖被清洁物体表面的清洁工具末端轨迹；基于所述清洁工具末端轨迹根据第二约束的环境位置信息、冗余自由度规划出避免与周围环境发生碰撞的清洁路径。
[0013]进一步地，所述步骤3机械臂控制器控制移动底盘运动至预设清洁路径的指定位置，同时机械臂运动至进行拍照构型的采集点，通过视觉图像分析获取被清洁物体位置信息，再控制机械臂抓取清洁工具并清洁被清洁物体。
[0014]进一步地，所述步骤5中的下一时刻机械臂位姿并控制机械臂到达该位姿，是通过智能规划与控制算法计算出满足位置约束的关节速度与满足避障要求的关节速度，再根据机械臂实际位姿与期望位姿，不断迭代求解的。
[0015]进一步地，所述智能规划与控制算法一方面根据清洁工具末端期望线速度与位置偏差补偿速度的结合获得机械臂的期望线速度，利用实时求解获得的机械臂的期望线速度结合清洁工具末端线速度雅克比矩阵获得关于满足位置约束的关节速度；
[0016]另一方面根据满足位置约束的关节速度、机械臂腕部线速度雅克比矩阵与设置不同速度的增益相结合获得对应的满足避障要求的关节速度；最后对根据满足位置约束的关节速度与满足避障要求的关节速度进行矩阵运算与积分，获得机械臂各关节速度与位置。
[0017]进一步地，所述满足避障要求的关节速度根据机器人清洁时的构型，机械臂清洁过程中的避障要求简化并映射为对于机械臂腕部的位置约束；所述不同速度的增益包括避障补偿速度与末端线速度混合增益、避障补偿速度增益。
[0018]进一步地，所述位置偏差补偿速度通过清洁工具末端目标位置与清洁工具末端实际位置的距离差与位置偏差补偿速度的增益矩阵的结合计算而得。
[0019]进一步地，所述构型为机械臂与清洁工具构成的连杆模型，通过机械臂正向运动学实时求解得到各连杆两端点的实际位置；
[0020]进一步地，所述机械臂的期望线速度为机械臂笛卡尔空间内的期望线速度。
[0021]本专利技术还提供了一种用于室内立体清洁的机械臂实时规划与控制系统，采用所述用于室内立体清洁的机械臂实时规划与控制方法，包括移动底盘模块，机械臂模块和视觉模块；
[0022]所述移动底盘模块包括激光雷达，驱动电机的通用性设备，能够保证移动底盘单独完成SLAM，导航，运动规划的功能；
[0023]所述机械臂模块包括机械臂本体、机械臂控制器，所述机械臂本体设有夹爪，保证机械臂能够完成抓取、转移、放下清洁工具的操作；所述机械臂控制器设有机械臂实时规划与运动控制程序；
[0024]所述视觉模块包括深度相机，能够提供目标平面与立体的点云数据，并能够根据这些数据获取目标特征点；
[0025]所述机械臂模块接收到任务指令后开始工作，视觉模块将被清洁物体信息与周围环境信息传递给机械臂模块，如果机械臂完成了预设清洁路径，那么工作流程结束，该任务执行完成；如果机械臂未完成预设清洁路径，则在预设路径下继续运动，根据从视觉模块获
取的环境信息与机械臂状态规划出下一时刻机械臂位姿，并控制机械臂到达该位姿。
[0026]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0027]1、本专利技术提高了清洁机器人的部署效率，部署人员仅需根据被清洁面尺寸制定相应位置约束即可，本专利技术自动实现机械臂姿态约束；
[0028]2、提高了清洁机器人的使用安全性，极大程度的保证执行清洁任务过程中自身安全性；
[0029]3、提升了机械臂的适应性与智能性，降低了机械臂对环境的强依赖，在面对复杂的周边环境时，也能保证机械臂正常工作。
附图说明
[0030]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0031]图1为本专利技术用于室内立体清洁的机械臂实时规划与控制系统的逻辑示意图；
[0032]图2为本专利技术工作流程框架图的逻辑示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于室内立体清洁的机械臂实时规划与控制方法，其特征在于，包括：步骤1：当机械臂控制器接收到任务指令后开始工作；步骤2：机械臂控制器通过视觉图像分析获取的被清洁物体信息与周围环境信息，设定预设清洁路径；步骤3：机械臂控制器控制机械臂抓取清洁工具根据预设清洁路径进行清洁；步骤4：机械臂控制器判定机械臂是否完成预设清洁路径；如果机械臂完成了预设清洁路径，执行步骤6；如果机械臂未完成预设清洁路径，执行步骤5；步骤5：机械臂在预设路径下继续运动，并根据环境信息与机械臂状态，规划出下一时刻机械臂位姿并控制机械臂到达该位姿；接着返回步骤3；步骤6：机械臂控制器接收到完成任务指令后，结束工作流程。2.根据权利要求1所述的用于室内立体清洁的机械臂实时规划与控制方法，其特征在于，所述预设清洁路径包括对机械臂的第一约束和第二约束：第一约束安装于机械臂的清洁工具末端位置，第二约束安装于机械臂腕部位置；根据第一约束环境位置信息规划出能够全覆盖被清洁物体表面的清洁工具末端轨迹；基于所述清洁工具末端轨迹根据第二约束的环境位置信息、冗余自由度规划出避免与周围环境发生碰撞的清洁路径。3.根据权利要求1所述的用于室内立体清洁的机械臂实时规划与控制方法，其特征在于，所述步骤3机械臂控制器控制移动底盘运动至预设清洁路径的指定位置，同时机械臂运动至进行拍照构型的采集点，通过视觉图像分析获取被清洁物体位置信息，再控制机械臂抓取清洁工具并清洁被清洁物体。4.根据权利要求1所述的用于室内立体清洁的机械臂实时规划与控制方法，其特征在于，所述步骤5中的下一时刻机械臂位姿并控制机械臂到达该位姿，是通过智能规划与控制算法计算出满足位置约束的关节速度与满足避障要求的关节速度，再根据机械臂实际位姿与期望位姿，不断迭代求解的。5.根据权利要求4所述的用于室内立体清洁的机械臂实时规划与控制方法，其特征在于，所述智能规划与控制算法一方面根据清洁工具末端期望线速度与位置偏差补偿速度的结合获得机械臂的期望线速度，利用实时求解获得的机械臂的期望线速度结合清洁工具末端线速度雅克比矩阵获得关于满足位置约束的关节速度；另一方面根据满足位置约束的关节速度、机械臂腕部线速度雅克比矩阵与设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖志祥，郭震，
申请(专利权)人：上海景吾酷租科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：