[发明专利]一种机器人主动避撞系统及方法

权利要求书

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：

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：

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∈Rⁿ上，令一个连续可微的h:Rⁿ→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_fB(x)和L_gB(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：

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；

计算与控制值u的关系：

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。