[发明专利]一种协作机器人实时避障方法

说明书

本发明公开了一种协作机器人实时避障方法，本方法通过预先建立避障模型，以构造描述机器人实时避障的不等式描，选取速度最小范数为冗余度解析方案，设计机械臂的运动控制方式，对机械臂的物理约束进行建模，将机械臂的避障问题建模，对机械臂的的避障问题模型进行优化求解，得到机器人机械臂的关节角速度控制量，并发送给机械臂控制器，控制机械臂实现对障碍物的躲避。本方法不需要进行离线规划；所提出的避障算法能够实现对静态、动态障碍物的避障，同时不影响其末端执行器需要执行的操作，两者并行进行，并不矛盾；所提出的避障算法能够同时避免机械臂的物理超限，即关节角度、角速度均不超过其实际限制。

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，具体涉及一种协作机器人实时避障方法。

背景技术

随着科技的发展，以协作机器人为代表的新一代机器人已广泛应用于工业、农业、医疗、陪伴等领域。区别于传统工业机器人，协作机器人与人类共存于同一个空间内，因此机器人必须有良好的实时避障能力，能够实现复杂多边环境下对静、动态障碍物的实时躲避，保障人机安全。目前大部分针对机器人的避障算法多集中于移动机器人，由于机械臂的结构更加复杂，在避障过程中必须考虑整个本体的避障问题，其算法设计难度大大增加，传统应用于移动机器人的避障算法难以应用于机械臂系统。

目前针对机械臂的避障方法多基于人工势场法，其中机器人的目标位置对末端执行器产生一个类似引力的作用，同时障碍物对机器人产生类似斥力的作用。但是该类方法一般存在局部极小值问题。而且针对协作机器人这类具有冗余自由度的机械臂而言，并没有针对其自由度冗余特性设计避障策略。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种协作机器人实时避障方法，可适用于具有冗余自由度的机械臂。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种协作机器人实时避障方法，包括：

在机械臂的本体各连杆上均匀选取一组关键点A_i，并定义一个半径d₁，使以点A_i为球心、d₁为半径的一系列球体组成的集合A＝{A_i|i＝1，...，α}能够完全包围机械臂的本体；

获取障碍物位置的图像信息，并将所获取到的机械臂和障碍物位置图像简化为关键点B_j，使以点B_j为球心、d₂为半径的一系列球体组成的集合B＝{B_i|i＝1，...，b}能够完全包围障碍物；

构造描述机器人实时避障的不等式描述|A_iB_j|≥d，其中d＝d₁+d₂+Δd，Δd＞0为距离余量，并将不等式描述改写为速度层的不等式描述：

定义D＝|A_iB_j|-d，速度层的不等式为：

其中是的单位向量；J_ai为机械臂上关键点A_i对应的雅克比矩阵；g(|D|)是一个k类函数；是指实数集。

选取速度最小范数为冗余度解析方案，优化关节角速度范数

令x_d(t)、分别为期望的位置与速度，x(t)为机械臂末端执行器当前的位置，使机械臂的关节角速度满足下式，以使得机械臂的末端执行按照预设的轨迹运行

其中，J(θ)为机械臂的雅克比矩阵，k为正常数，θ，分别为机械臂的关节角度与角速度；

构建机械臂的避障问题建模为：

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