一种双臂机器人协作控制方法技术

一种双臂机器人协作控制方法，方法为：确定运动学坐标系、对机器人双臂的运动约束分析、通过双臂干涉碰撞检测方法对上述控制方法进行检测。本发明专利技术提出的双臂协作方法，弥补单臂机器人应用上的缺陷，面向更多的适用场景。本发明专利技术采用双臂协同的控制方式，并且加入了碰撞检测的算法，实现双臂干涉自检测的功能。本发明专利技术采用的是胶囊包络盒的一个双臂干涉避碰算法，在精度方面优于传统的长方体包络盒以及球体包络盒方法。球体包络盒方法。球体包络盒方法。

【技术实现步骤摘要】
一种双臂机器人协作控制方法


[0001]本专利技术涉及机器人控制方法，尤其涉及一种双臂机器人协作控制方法。

技术介绍

[0002]常见的工业机器人，以及协作机器人都是以一种单臂的形式呈现在大众的面前，因此在功能方面存在一定的局限性。现有的单臂应用场景在宏观上可以理解为特殊的双臂应用场景，例如流水线传送带以及加工平台可以理解为固定的一个手臂，假设这条固定的手臂是灵活的，那就是本专利技术说要强调的双臂机器人的应用。双臂机器人在控制上比单臂更加的复杂，不仅要考虑到双臂的工作空间，还需要考虑到双臂之间的干涉等问题，而目前该类技术还未发展成为一个较为成熟的模式。本专利技术中提到的双臂协同控制中，加入了双臂之间避碰的方法，该方法并未使用任何附加的外部传感器，在成本方面有较大的优势。
[0003](1)双臂机器人应用市场远高于单臂机器人，在工作中会更加灵活，单臂机器人能用的场景，双臂也能适用。
[0004](2)现有的双臂机器人不仅要考虑到工作可达空间、灵活性，还要考虑到双臂之间的干涉问题。对于单臂的位置控制是不需要考虑该问题，而对于双臂的位置控制，不仅要考虑协作空间的干涉，还要考虑双臂各个关节之间的一个干涉情况。因此避碰是双臂务必自带的功能，也是双臂协同控制中不可或缺的功能。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种面向更多的适用场景，弥补单臂机器人应用上的缺陷的双臂机器人协作控制方法，其具体方法为：
[0006]步骤一：确定运动学坐标系；
[0007]确定机器人基座坐标系{0}，以及末端坐标系{6}，机械臂基座坐标系{0}在世界坐标系{W}；
[0008]械臂基座坐标系{0}在世界坐标系{W}下的位姿变换如下式所示：
[0009]W
T6＝
W T
00
T6[0010]并通过齐次变换得到末端{6}在世界坐标系{W}下的位姿矩阵，变换关系如下式所示：
[0011][0012]步骤二：对机器人双臂的运动约束分析；
[0013]该分析是协同运动的基础，图中坐标系分别位于两个机械臂基座的中心(W)，两个机械臂基座(0L，0R)，两个机械臂末端(L，R)，被夹持物体的质心(O)。
[0014]被夹持物体的质心坐标系可以分别通过左臂及右臂进行表述，如下所示：
[0015][0016]其中
W
T
O
是{O}相对于{W}的变换算子；
W
T
0L
是{0L}相对于{W}的百变换算子；
0L
T
L
、
0R
T
R
是{L}相对于{0L}，及{R}相对于{0R}的变换算子；
L
T
O
、
R
T
O
是{O}相对于{L}及{R}的变换算子。
[0017]因此基座固定的情况下，基座坐标系{0}相当于世界坐标系{W}的描述是常值。进一步假设物体坐标系{O}相对于世界坐标系{W}的转化关系为已知量，则可以求解出两个机械臂的末端相对于机器人基座坐标系的转化矩阵如下：
[0018][0019]上式给出了被夹持物体运动状态已知的情况下，双臂的末端与物体的位姿关系，可以通过被夹持物体的运动确定双臂末端各自的运动。除此之外，双臂的协同控制，不仅需要位置的控制协同，还需要实现双臂实时的协同操作，因此需要满足双臂的速度在协同运动中的一致性。进一步推导分析得到双臂末端在世界坐标系下的速度为：
[0020][0021]其中，
W
v
L
、
W
v
R
分别表示的是左、右臂末端相对于{W}的速度；
W
v
O
、
W
ω
O
分别表示的是物体质心相对于{W}的速度、角速度；
W
P
0L
、
W
P
0R
分别表示的是左、右臂相对于{W}的位置转化矩阵；
o
P
L
、
o
P
R
分别表示的是左、右臂相对于物体质心的位置变换矩阵；
W
R
O
表示的是物体质心相对于{W}的旋转算子。
[0022]双臂末端夹持住物体的时候，被视为刚体之间的接触，因此默认为两者之间相对静止，因而双臂末端的角速度与物体的角速度相同。表示如下：
[0023]W
ω
O
＝
W
ω
L
＝
W
ω
R
。
[0024]第三步：通过双臂干涉碰撞检测方法对上述控制方法进行检测；
[0025]通过Matlab进行简单的一个双臂的工作空间的绘制如图3所示；图3即为双臂的一个工作空间，可以明显的得到，左右臂的工作空间存在一个交集，也就是图3中右图椭球重合的部分空间，称该部分空间为双臂协作空间。
[0026]双臂协作空间在运动时容易发生碰撞，需要进行碰撞检测算法实现避碰，本专利技术采用胶囊法进行避碰算法的建模，如图4左臂第一个关节所示。以此类推，左、右臂各有5个胶囊包络盒，其余胶囊包络盒未在图中画出。
[0027]因此左臂的胶囊包络盒分别命名为A、B、C、D、E；右臂的胶囊包络盒分别命名为a、b、c、d、e；所以双臂的碰撞检测分别针对左、右臂胶囊包络盒的两两配对进行计算，例如Ce表示的是左臂的胶囊包络盒C与右臂的胶囊包络盒c之间的碰撞检测，只要满足所有配对的检测通过，则判定为未干涉。反之，只要任意其中一对胶囊包络盒检测异常，则判定为存在干涉。
[0028]通过计算每一对胶囊包络盒的距离作为检测标准，距离大于两胶囊包络盒圆柱半径之和的，则检测通过。由此将判断机器人的两个构件之间是否发生碰撞转化为判断构件
的简化模型之间是否发生碰撞。在已知胶囊的两个半球球心坐标的情况下，可以得到一条空间中的线段，可以通过判断两个胶囊模型的线段在空间之中的距离与两个简化模型的圆柱半径之和的大小，来确定两个构件之间是否发生碰撞。
[0029]胶囊空间线段之间的最短距离的计算，假设线段L
i
，起点为s
i
，坐标为[x
i
,y
i
,z
i
]，终点为s
i+1
，坐标为[x
i+1
,y
i+1
,z
i+1
]；对于另一线段L
j
，起点为s
j
，坐标为[x
j
,y
j
,z
j
]，终点为s
j+1
，坐标为[x
j+1
,y
j+1
,z
j+1
]。则线段上的某点坐标可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双臂机器人协作控制方法，其具体方法为：步骤一：确定运动学坐标系；确定机器人基座坐标系{0}，以及末端坐标系{6}，机械臂基座坐标系{0}在世界坐标系{W}；机械臂基座坐标系{0}在世界坐标系{W}下的位姿变换如下式所示：
W
T6＝
W
T
00
T6并通过齐次变换得到末端{6}在世界坐标系{W}下的位姿矩阵，变换关系如下式所示：0T6＝(
W
T0)
‑
1W
T6；步骤二：对机器人双臂的运动约束分析；该分析是协同运动的基础，坐标系分别位于两个机械臂基座的中心(W)，两个机械臂基座(0L，0R)，两个机械臂末端(L，R)，被夹持物体的质心(O)；第三步：通过双臂干涉碰撞检测方法对上述控制方法进行检测；采用胶囊法进行避碰算法的建模，将左臂的胶囊包络盒分别命名为A、B、C、D、E；右臂的胶囊包络盒分别命名为a、b、c、d、e；所以双臂的碰撞检测分别针对左、右臂胶囊包络盒的两两配对进行计算；通过计算每一对胶囊包络盒的距离作为检测标准，距离大于两胶囊包络盒圆柱半径之和的，则检测通过。2.按照权利要求1所述的一种双臂机器人协作控制方法，其特征在于机器人双臂的运动约束分析具体方法如下：被夹持物体的质心坐标系可以分别通过左臂及右臂进行表述，如下所示：其中
W
T
O
是{O}相对于{W}的变换算子；
W
T
0L
是{0L}相对于{W}的变换算子；
0L
T
L
、
0R
T
R
是{L}相对于{0L}，及{R}相对于{0R}的变换算子；
L
T
O
、
R
T
O
是{O}相对于{L}及{R}的变换算子；因此基座固定的情况下，基座坐标系{0}相当于世界坐标系{W}的描述是常值。进一步假设物体坐标系{O}相对于世界坐标系{W}的转化关系为已知量，则可以求解出两个机械臂的末端相对于机器人基座坐标系的转化矩阵如下：上式给出了被夹持物体运动状态已知的情况下，双臂的末端与物体的位姿关系，可以通过被夹持物体的运动确定双臂末端各自的运动。除此之外，双臂的协同控制，不仅需要位置的控制协同，还需要实现双臂实时的协同操作，因此需要满足双臂的速度在协同运动中的一致性；进一步推导分析得到双臂末端在世界坐标系下的速度为：
其中，
W
v
...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘中学，黄尧，
申请(专利权)人：上海智殷自动化科技有限公司，
类型：发明
国别省市：