一种机械臂空间动态避障感应手环及控制系统技术方案

本发明专利技术涉及一种机械臂空间动态避障感应手环及控制系统，所述感应手环包括多面体手环本体和设置于所述多面体手环本体上测距传感器，所述测距传感器设有多个，分布于所述多面体手环本体的内侧壁上，且各所述测距传感器的探测面互不重叠；所述控制系统包括：感应手环；控制模块，用于根据所述感应手环上各测距传感器采集的距离数据，计算获得障碍物空间位姿数据；数据处理模块，用于存储所述障碍物空间位姿数据，分析获得障碍物位置数据，显示所述障碍物位置数据并输出。与现有技术相比，本发明专利技术在不接触障碍物的情况下能够判断障碍物位置，实现避障功能，满足多自由度机械手臂在运动空间中避开障碍物的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种机械臂空间动态避障感应手环及控制系统
本专利技术涉及一种机械臂避障方法，尤其是涉及一种机械臂空间动态避障感应手环及控制系统。
技术介绍
在复杂的环境作业过程中，机械手臂周围可能会出现各种形态的障碍物。这就需要机械手臂能够具有准确地探知周围障碍物的位置以及形状并且避开障碍物的能力。多自由度的机械手臂可以实现避开障碍物、提高工作范围内的灵活性。而障碍物的位置形状的信息是机械臂能够实现自主运行的控制的重要数据，目前采用电机阻抗力度感知障碍物的位置，通过机械手臂接触障碍物，然后障碍物给机械手臂反作用力探知障碍物的存在。又或者通过色差摄像头，发现周围环境的与障碍物的色差变化感知障碍物的形状。虽然这些方法能够简单获取障碍物存在的信息，满足机械手臂避开障碍物的需求，但为了能够使多自由度手臂自主运行、提前预知并避开障碍物、完成复杂动作、运动平稳以及减少机械手臂周围的盲区，就需要设计出其他的方式对障碍物位置和形状的感知。由于需要考虑整个多自由度的机械手臂的灵活性，所以避障系统一般会受整个机械手臂的重量、体积、能耗的限制。随着如今计算机控制和传感器技术种类的快速发展，各种在智能机器人避障技术上的应用不断改善。其中应用最多的是测距传感器的技术获得障碍物的位置和形状信息。目前，测距传感器已被广泛应用于生活中汽车的倒车雷达和汽车自动驾驶、小型无人飞机的高度测量等各种行业。常见的就是在机械手臂上放置单个测距传感器点对式直线或者是在一个特定方向上测量障碍物的距离，这种应用具有幻影干扰不能准确对障碍物进行准确识别的弱点。使用视觉成像的摄像头感应有可能解决识别准确度问题，然而该方案对体积、重量、成本要求相对高，无法应用于现实生活生产中。因此，需要研发一种新的障碍物检测方式。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种机械臂空间动态避障感应手环及控制系统。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种机械臂空间动态避障感应手环，包括多面体手环本体和设置于所述多面体手环本体上测距传感器，所述测距传感器设有多个，分布于所述多面体手环本体的内侧壁上，且各所述测距传感器的探测面互不重叠。进一步地，所述多面体手环本体的内侧壁设置用于安装所述测距传感器的卡槽。进一步地，该感应手环还包括设置于多面体手环本体内、用于与机械臂实现连接的法兰。进一步地，所述测距传感器包括超声波测距传感器。本专利技术还提供一种机械臂空间动态避障控制系统，包括：感应手环；控制模块，用于根据所述感应手环上各测距传感器采集的距离数据，计算获得障碍物空间位姿数据；数据处理模块，用于存储所述障碍物空间位姿数据，分析获得障碍物位置数据，显示所述障碍物位置数据并输出。进一步地，所述控制模块包括相连接的数据接收单元和障碍位姿求解器，所述障碍位姿求解器计算获得障碍物空间位姿数据的具体过程为：1)建立固定于机械臂基座上的基坐标系和以所述感应手环中心为坐标原点的手环坐标系；2)获得所述基坐标系和手环坐标系之间的变换矩阵；3)获取感应手环上各测距传感器采集的距离数据，根据所述距离数据获得障碍物在手环坐标系中的空间位姿；4)基于所述变换矩阵将所述障碍物在手环坐标系中的空间位姿转换为障碍物在基坐标系中的空间位姿。进一步地，所述变换矩阵为复合旋转、平移、自旋转和自平移的变换矩阵。进一步地，所述步骤3)中，根据各所述测距传感器的距离数据获得障碍物的多个点数据，通过两点连线获得障碍物在手环坐标系中的空间位姿。进一步地，所述数据处理模块包括：数据存储单元，用于存储所述障碍物空间位姿数据；数据分析计算单元，用于根据所述障碍物空间位姿数据，分析获得障碍物位置数据；数据显示单元，用于根据所述障碍物位置数据进行图像仿真并显示。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：第一，本专利技术通过对手环的设计，可以使测距传感器能够测量沿手环半径方向的距离参数，保证测距传感器模块的探测面不会发生重叠而导致N个传感器之间探测相互之间紊乱的问题。第二，本专利技术手环采用多个测距传感器测量技术设计，在空间立体上通过多个按照几何关系设置的测距传感器同时探知障碍物的位置和形状，具有体积小，重量轻，成本低的同时外，还有能够提高检测精度和检测范围的特点，就非常符合工作复杂的自由度机械手臂的需求。所以，对采用多个测距传感器在障碍物探测得的位置形状的模糊信息的设计研究非常应用价值和前景。第三，本专利技术控制方法简单，无需大量复杂的计算，具有较好的实时性，不需要接触即可准确探测周围障碍物的位置，实现避开障碍物，提高工作范围内的灵活性。第四，本专利技术可以有效地提高探测障碍物位置的准确度，能够通过估算手臂本体空间姿态，消除多自由度手臂把自身的手臂视为障碍物的误判，提高机械臂的安全性能，使用寿命等。第五，本专利技术具有测量范围广，结构新颖，体积小，重量轻可装卸等优点，适用于现实生活生产中。第六，本专利技术鲁棒性好，避障成功率高。附图说明图1为机械臂空间动态避障感应手环构架图；图2为机械臂空间动态避障感应手环整体图；图3为机械臂空间动态避障控制系统的原理图；图4为单个传感器感应到障碍物处理方式图；图5为两个传感器感应到障碍物处理方式图；图6为多个传感器感应到障碍物处理方式图；图7为测距传感器探测到空间中障碍物面的描述图；图8为机械臂基坐标系与手环坐标系的变换；图9为手环坐标系的自旋转；图10为避障手环上测距传感器各路感应模拟图；图11为第一次采集仿真示意图；图12为第二次采集仿真示意图；图13为第三次采集仿真示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。本专利技术提供一种机械臂空间动态避障感应手环，如图1和图2所示，包括多面体手环本体和设置于多面体手环本体上测距传感器，测距传感器设有多个，分布于多面体手环本体的内侧壁上，测距传感器能够测量沿手环半径方向的距离参数，且各测距传感器的探测面互不重叠，从而避免多个传感器之间探测相互之间紊乱的问题。测距传感器的数量、类型以通信方式都不限定。在某些实施例中，多面体手环本体的内侧壁设置用于安装测距传感器的卡槽。在某些实施例中，该感应手环还包括设置于多面体手环本体内、用于与机械臂实现连接的法兰。法兰的内部直径根据自由度机械手臂的手臂末端直径确定。在某些实施例中，各测距传感器均匀分布于所述多面体手环本体的每一面上。本实施例中，多面体手环本体为八面体手环本体。本专利技术还提供一种机械臂空间动态避障控制系统，如图3所示，包括：感应手环1，包括测距传感器；控制模块2，用于根据感应手环上各测距传感器采集的距离数据，计算获得障碍物空间位姿数据；数据处理模块3，用于存储障碍物空间位姿数据，分析获得障碍物位置数据，显示障碍物位置数据并输出。该控制系统中，测距传感器采集探测到障碍物的距离数据发送到控制模块，进行空间坐标转换求解其在手环坐标系中的位姿以及在机械臂基坐标中的位姿；空间数据处理结果通过串口等方式发送到数据处理模块，进行存储以及进行数据分析和计算，分析得出障碍物的位置数据在显示模块中显示，输出数据结果到机械臂中。控制模块3包括相连接的数据接收单元201和障碍位姿求解器202，该障碍位姿求解器202本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机械臂空间动态避障感应手环，其特征在于，包括多面体手环本体和设置于所述多面体手环本体上测距传感器，所述测距传感器设有多个，分布于所述多面体手环本体的内侧壁上，且各所述测距传感器的探测面互不重叠。

【技术特征摘要】
1.一种机械臂空间动态避障感应手环，其特征在于，包括多面体手环本体和设置于所述多面体手环本体上测距传感器，所述测距传感器设有多个，分布于所述多面体手环本体的内侧壁上，且各所述测距传感器的探测面互不重叠。2.根据权利要求1所述的机械臂空间动态避障感应手环，其特征在于，所述多面体手环本体的内侧壁设置用于安装所述测距传感器的卡槽。3.根据权利要求1所述的机械臂空间动态避障感应手环，其特征在于，该感应手环还包括设置于多面体手环本体内、用于与机械臂实现连接的法兰。4.根据权利要求1所述的机械臂空间动态避障感应手环，其特征在于，所述测距传感器包括超声波测距传感器。5.一种机械臂空间动态避障控制系统，其特征在于，包括：如权利要求3所述的感应手环；控制模块，用于根据所述感应手环上各测距传感器采集的距离数据，计算获得障碍物空间位姿数据；数据处理模块，用于存储所述障碍物空间位姿数据，分析获得障碍物位置数据，显示所述障碍物位置数据并输出。6.根据权利要求5所述的机械臂空间动态避障控制系统，其特征在于，所述控制模块包括相连接的数据接收单元和障碍位姿求解器...

【专利技术属性】
技术研发人员：安康，方厚招，朱志明，方祖华，王丽慧，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：上海,31