[发明专利]一种机械臂试探感知的避障方法

说明书

本发明为一种机械臂试探感知的避障方法，该方法包括下述步骤：设定机械臂初始关节角度、目标位置和期望轨迹；建立机械臂的运动学模型；实时检测机械臂是否发生碰撞，如果机械臂没有发生碰撞，将执行轨迹跟踪主任务，机械臂将一直进行末端轨迹的跟踪，不考虑躲避障碍物，到达目标点后停止运动；如果机械臂发生碰撞，将执行避障运动从任务，将控制机械臂原路径返回运动到机械臂之前任意t_k时刻状态，从而迅速脱离碰撞区域，不会继续发生碰撞，再开始执行试探感知的避障策略。该方法先实时获取机械臂当前是否发生碰撞，然后根据碰撞位置建立相应的虚拟碰撞空间，执行试探感知避障，提高工作效率。

技术领域

本发明属于工业机器人路径规划领域，具体是一种机械臂试探感知的避障方法，该避障方法进行实时碰撞检测，对障碍物进行有效的避障规划，实现在非视觉情况下的避障反应。

背景技术

随着机械臂逐渐扩大在各个领域的应用，面对复杂任务要求和未知作业环境，如何保证机械臂本体和环境中物体的安全性是研究的关键问题之一。当机械臂末端在任务轨迹上遇到障碍物时，传统的碰撞检测算法大多基于外部传感器，不仅增加了机械臂成本和控制系统的复杂性，而且在恶劣环境下(在浓雾、黑暗、水下等能见度低或红外、声波传播受限的恶劣环境下)会受到不同程度的干扰，甚至导致任务无法完成。

目前机械臂避碰策略主要包含二个阶段：碰撞检测阶段和安全机制阶段。在未知环境下，实时的碰撞检测及安全机制至关重要。现有碰撞检测研究主要有两种方法：主动避碰和被动避碰。主动避碰是指机械臂在非接触障碍物情况下提前感知障碍物进行避碰运动，该类避碰一般通过相机、雷达、激光测距等外部设备融合避碰算法。但是单一的主动避碰在浓雾、黑暗、水下等能见度低或红外、声波传播受限的恶劣环境下，分别会受到不同程度的影响从而不能满足避碰要求，所以需要被动避碰来解决上述问题。被动避碰是指机械臂在接触到障碍物后的碰撞检测以及采取相应安全反应策略。在该类避碰中，借助力矩传感器、智能皮肤等外部传感器检测外力，会增大系统复杂程度与成本。

目前碰后安全机制研究，主要有立即制动策略，切换控制模式，以及脱离碰撞区域策略三种。立即制动策略是指机械臂控制系统检测到碰撞信号后，机械臂执行紧急停止的策略。如果人机协作过程中机械臂与人发生挤压似的碰撞，虽然机械臂及时停止但是人处于挤压状态，存在安全隐患问题。切换控制模式是指碰撞发生时由位置控制模式切换为力控模式，从而进入零力模式，该方法虽然能够及时停止而且其柔性特性不会对人造成后续危害，但是存在容易造成系统的不稳定的问题。脱离碰撞区域策略是指碰撞后机械臂改变原来的运动轨迹，离开碰撞区域。这些研究的共同点是检测到碰撞后，机械臂所执行的任务会终止，待操作人员离开并确保安全后对机械臂重规划使其继续工作，不利于高效的自动化生产。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种机械臂试探感知的避障方法。该方法先实时获取机械臂当前是否发生碰撞，然后根据碰撞位置建立相应的虚拟碰撞空间，执行试探感知避障。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种机械臂试探感知的避障方法，具体包括下述步骤：

步骤1：设定机械臂初始关节角度、目标位置和期望轨迹；

步骤2：建立机械臂的运动学模型；

步骤3：实时检测碰撞：实时检测机械臂是否发生碰撞，如果机械臂没有发生碰撞，将执行主任务(轨迹跟踪)，转到步骤4；如果机械臂发生碰撞，将执行从任务(避障运动)，转到步骤5；

步骤4：如果机械臂没有发生碰撞，机械臂将一直进行末端轨迹的跟踪，不考虑躲避障碍物，跟踪精度特别高，到达目标点后停止运动；

步骤5：如果机械臂发生碰撞，将控制机械臂原路径返回运动到机械臂之前任意t_k时刻状态，从而迅速脱离碰撞区域，不会继续发生碰撞，再开始执行试探感知的避障策略，进入步骤6；