[发明专利]一种机器人主动避撞系统及方法

说明书

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。

技术领域

本申请实施例涉及人机协作技术领域，具体涉及一种机器人主动避撞系统及方法。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

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。

为了实现上述目的，本申请实施例提供如下技术方案：

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：

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。

可选地，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。

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；