[发明专利]一种基于主从式的工业机器人协作作业方法

权利要求书

1.一种基于主从式的工业机器人协作作业方法，其特征在于：通过主从式工业机器人的协作控制，以模拟人类两只手的运动，实现协作搬运、零件装配类作业，在主从式协作控制过程中，主工业机器人的运动要事先规划好，也即事先给定主工业机器人及主机械手的运动轨迹，再通过它们与从工业机器人及从机械手的位置和姿态约束关系，计算出从工业机器人及从机械手的运动轨迹；其中，主从工业机器人及主从机械手的运动约束关系根据不同的作业而不同，要针对不同的作业设计相应的约束条件，并且还要使用三维仿真软件对主从式工业机器人及主从机械手模型的所有运动轨迹进行精确的仿真控制，以确保实现主从式工业机器人及主从机械手的安全控制；所述主从式工业机器人的协作作业，包括以下三个部分：

1)协作控制

根据主从式工业机器人之间的位置和姿态约束关系来控制它们各自的运动轨迹，也即主/从工业机器人的运动要考虑到从/主工业机器人的运动，它们要相互配合以期达到高效协作完成某一特定作业的目的；针对所述的抓取、搬运、装配类作业，主从式工业机器人相互之间采取的行动要同步进行，以便它们能够协作地完成作业；

2)轨迹规划

事先给定主工业机器人的运动轨迹，再通过主工业机器人与从工业机器人之间的约束关系，计算出从工业机器人的运动轨迹，并且改进多项式运动轨迹规划，以减缓主从式工业机器人因运动轨迹规划曲线不平滑而造成关节和减速机齿轮抖动导致的磨损程度和简化编程；此外，主从式工业机器人及机械手的运动约束关系根据不同的协作作业而不同，针对不同的协作作业要设计相应的约束条件；

3)作业实施

先使用三维仿真软件对主从式工业机器人模型进行各种精确的三维仿真控制，验证各种协作作业的可行性，以便使主从式工业机器人控制更安全；操作者对主工业机器人操作时，要将运动指令通过通信端口传送给从工业机器人，从工业机器人接收到命令后跟踪主工业机器人运动，完成抓取、搬运、装配相关作业，同时将自己的工作状态返回给操作者。

2.根据权利要求1所述的一种基于主从式的工业机器人协作作业方法，其特征在于，所述协作控制包括以下三部分：

1)协作作业分解

主从式协作时，操作者对主工业机器人进行操作，并将运动指令通过通信端口传送给从工业机器人，从工业机器人接收到命令后跟踪主工业机器人运动，同时从工业机器人将自己的工作状态返回给操作者；基于主从式的工业机器人协作作业方式分为松耦合作业和紧耦合作业两种：(a)松藕合作业，分为两类：①子作业有先后顺序的作业，这种类型的作业是指主从式工业机器人执行的子作业在时间上有明显的先后顺序，有些子作业必须在某个或某些作业完成后再执行；②子作业无先后顺序的作业，这种类型的作业较常见，它们的特点是将作业分解为许多相互独立的子作业，主从式工业机器人之间不需要任何配合，只需要跟单个工业机器人控制一样去完成每个独立的子作业；(b)紧耦合作业，分为两类：①不可分紧耦合作业，这类作业无法分解成由单个工业机器人完成的一串子作业，必须由主从式工业机器人一起共同完成；②可分紧耦合作业，是指将作业分解为若干个相互关联和相互依赖的子作业；紧耦合作业的特点是，要求主从式工业机器人相互配合，紧密协作共同完成同一个作业，主从式工业机器人不能独立地执行作业，它们都受到彼此之间的运动约束；

2)虚拟现实模式

根据主从式工业机器人的协作作业要求，从工业机器人通常需要完成抓取、移动、放置作业；考虑将虚拟现实模式下，主工业机器人对从工业机器人的控制和自主抓取结合起来完成抓取作业；在作业空间里，先通过虚拟现实技术由主工业机器人引导从工业机器人靠近被抓物体，形成预抓取姿态，然后在被抓物体的局部小空间里，由从工业机器人自主地完成抓取作业；主从式工业机器人的虚拟现实模式，是指操作者在直接控制主工业机器人的运动，主工业机器人的位置和姿态运动信息通过通信端口传递给从工业机器人，使从工业机器人完成与主工业机器人相匹配的运动；同时从工业机器人与环境相交互产生的作用力也通过通信端口反馈给主工业机器人，并通过主工业机器人传递给操作者，使操作者能感知从工业机器人的操作信息，产生身临其境的感觉；整个主从式工业机器人是一个力反馈的闭环系统；

3)协作抓取规划

主从机械手抓取策略包括抓取操作定性分析、孩童抓取、基于知识库自主抓取，如下：

(a)抓取操作定性分析；影响抓取稳定性有六个因素，其中前三个因素：物体表面局部特征、手指表面局部特征、接触点间距离都会直接影响抓取稳定性；前两者影响接触点的相关曲率，因此相对而言，更小的物体表面曲率，更小的手指指面曲率，更小的接触点距离，均会有更稳定的抓取；在抓取作业时，①考虑抓取物体较平坦的部位，称其为大接触区域优先原则；②考虑使得手指张开距离更小的操作，称其为接近币心优先原则；另外三个因素：物体和手指的表面材料特性、物体质量、夹持力大小，它们与抓取稳定性的关系在于影响不稳定抓取的不稳定程度；前两者在机械手执行抓取前已经确定，所以只考虑抓取时所施加的夹持力控制；当抓取物体时，由于条件限制，无法保证稳定的抓取，但又能进行抓取作业，这时控制所施加的夹持力就显得必要，称其为不稳定夹持力控制原则；对于刚体而言，在稳定抓取时，手指施加的力不会破坏物体本身；但对于易碎或易变形物体，不仅要考虑稳定抓取，更要考虑夹持力大小控制，避免破坏物体本身，称其为具有破坏性的夹持力控制原则；因此，在对机械手抓取规划时，必须遵循以下原则：①大接触区域优先原则：为保证抓取稳定性，应优先保证手指和物体有较大的接触面积；②接近币心优先原则：为保证抓取稳定性，应优先保证两接触点与币心距离和较小；③不稳定夹持力控制原则：为了不使不稳定抓取的不稳定性恶化，在保证能完成抓取的条件下，应尽量不增加夹持力；④具有破坏性的夹持力控制原则：当夹持力增加对物体本身具有破坏性时，应保证在完成抓取的情祝下，尽量不增加夹持力；

(b)孩童抓取；机械手的智能抓取其关键在于对于被抓物体的识别；从工业机器人中加入大量的传感器，包括视觉、触觉、力觉传感器，通过多传感器融合技术，建立被抓物体的数学模型，将作业环境中的物体模块化；当从工业机器人开始自主操作时，通过定位摄像机对被抓物体进行扫描，确定目标物的位置、形状信息，然后模仿人类抓取未知物体的模式，进行“孩童抓取”；这里的“孩童抓取”是相对人类知识抓取的一种初级抓取方法，在开始时，他并不知道自己要抓的东西是什么，应该如何抓，脑子里没有该物体成熟的抓取方案；但是，通过不断尝试后是能够实现抓取作业；对于物体进行初次抓取时，必须充分利用主动感知技术获取物体的形状，材质以及质量信息，把这些信息模块化，再与抓取模式一起存入知识库中；当更换物体后，先对目标物进行识别，然后首先搜索库中的资料，如有类似，就进行知识抓取，否则，新进行“孩童抓取”，建立新的抓取模式，存入知识库中；

(c)基于知识库的从工业机器人自主抓取；建立知识库是实现从工业机器人自主抓取的必要步骤，如前所述，知识库包括抓取物的特征参数和从工业机器人实现抓取作业的动作指令；然而要使从工业机器人能实现知识抓取则必须结合抓取原则，通过推理机根据抓取物的变化推导出相应的抓取策略：①建立知识库，根据机械手所能夹持的实际情况，初步把物体分成规则形状物体和特殊物体，把规则形状物体再分成刚体和非刚体；这样通过“孩童抓取”，就能针对何种基本形状的物体对应有其特征参数及恰当抓取模式；对特殊物体则必须单独训练，作为一个独立的情况，只有满足这一特殊情祝，才运用这样的抓取模式；②产生有效抓取的推理过程，当由主工业机器人引导从工业机器人靠近被抓物体后，就转为从工业机器人自主抓取模式，由传感器获取物体几何形状、物体质量和物体表面刚度物性后，与知识库中存有的所有情况进行比较，判断是否存在有类似的情况，存在则进行从工业机器人的自主抓取，不存在则重新进行“孩童抓取”，然后判断是否是规则物体，是则进一步判断是否是刚性物体，不是规则物体则进行特殊物体抓取模式，对于规则刚性物体，则根据知识库中存在的对应抓取模式，结合尺寸变化，推导出相应的抓取模式；对应规则非刚性物体，不仅要根据物体尺寸变化，还要结合物体材质来推导相应的抓取办法；对特殊物体，则完全根据特殊物体的抓取方式，以“对号入座”方式查找其特有的抓取模式。