[发明专利]一种基于SCS包围结构的机器人碰撞检测方法

说明书

本发明涉及一种基于SCS包围结构的机器人碰撞检测方法。采用D‑H方法建立的机器人各杆坐标系；采用包括两个球体和一个圆柱体的SCS包围结构，对机器人连杆和关节分别进行包围；求机器人各个SCS包围结构的两个球心坐标；将滚轴工件模型以及各个SCS包围结构向世界坐标系中的XY、YZ、XZ三个平面投影，判断滚轴工件模型与各个SCS包围结构的投影在三个平面上是否均相交；如果是，则检测到碰撞发生，重新规划机器人路径；否则，判断是否到达路径终点；如果已到达路径终点，则表明未检测到碰撞发生；如果未到达路径终点，则更新机器人状态。本发明可以比较紧密地对机器人连杆和关节进行包围，普遍适用于在三维空间中连续不定向旋转的柱形结构，加快机器人碰撞检测速度，提高机器人工作的精度和效率。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体的说是一种基于SCS(Sphere-Cylinder-Sphere，球体-圆柱体-球体)包围结构的机器人碰撞检测方法。

背景技术

机器人技术是实现先进制造技术的重要基础之一，正不断向高精度、高效率、高协调性方向发展。机器人技术中的多自由度机器人是工业机器人的一种。为了提高机器人运动过程中的安全性，需要设计相应的碰撞检测，避免机器人与工件之间发生碰撞，从而使机器人在各种作业情况下都能安全快速准确地到达给定的位置。

早期的碰撞检测大多是基于格子或者BSP树的。基于格子的碰撞检测实现简单但精度不够，不属于严格意义的3D碰撞检测。基于BSP树的碰撞检测需要很长的处理时间，占用较多的资源容量。

当前多采用基于包围体的碰撞检测算法。包围体技术是在1976年由Clark提出的，基本思想是用一个简单的几何形体将动画场景中的几何形体围住，通过构造树状层次结构来逼近真实的包围体。基于层次包围体的碰撞检测算法根据包围体类型的不同可以区分为：包围球体、AABB轴对齐包围体、OBB有向包围体、K-DOP包围体等。OBB和K-DOP包围体方法虽然紧密性较好，但复杂度比较高，旋转更新慢，不适合多关节机器人在运动过程中需持续旋转这一特点。包围球的方法不需要旋转更新，AABB的旋转更新快，适合工业机器人的碰撞检测，但二者包装的紧密性较差，降低了碰撞检测的精度。由于机器人的关节以及连杆多为柱形，并且机器人在运动过程中各关节和连杆需要不断旋转，持续求解包围体位置比较复杂，因而直接用于碰撞检测的包围球和AABB轴对齐包围体方法有一定的局限性。

发明内容

为了克服机器人现有包围体碰撞检测算法的计算速度慢，检测精度低等缺点，本发明提供一种基于SCS包围结构的机器人碰撞检测方法，根据机器人的结构特点，可以大幅度提高碰撞检测效率，同时在一定程度上提高机器人工作过程中的安全性和碰撞检测精度。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于SCS包围结构的机器人碰撞检测方法，包括以下步骤：

步骤1：采用D-H方法建立的机器人各杆坐标系；

步骤2：采用包括两个球体和一个圆柱体的SCS包围结构，对机器人连杆和关节分别进行包围；

步骤3：求机器人各个SCS包围结构的两个球心坐标；

步骤4：将滚轴工件模型以及各个SCS包围结构向世界坐标系中的XY、YZ、XZ三个平面投影，判断滚轴工件模型与各个SCS包围结构的投影在三个平面上是否均相交；

步骤5：如果是，则检测到碰撞发生，重新规划机器人路径，返回步骤3；否则，判断是否到达路径终点；

步骤6：如果已到达路径终点，则表明未检测到碰撞发生；如果未到达路径终点，则更新机器人状态，返回步骤3。

所述采用D-H方法建立的机器人各杆坐标系，具体为：

坐标系{i-1}到坐标系{i}的变化矩阵为：