一种排爆机器人双臂协同控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种排爆机器人双臂协同控制系统，排爆机器人两机械臂可在工作空间中协作完成系统分配到的排爆任务，系统在排爆过程中，智能为两机械臂分配排爆任务，根据排爆数据库的任务知识对当前排爆任务进行任务分解，得到各机械臂操作序列，两机械臂通过排爆知识库得到的任务操作序列对机械臂末端执行器的关节空间坐标进行规划，在机械臂运动过程中同时进行智能避免碰撞操作，避免机械臂运动过程中的碰撞，直至机械臂完成排爆任务结束。采用此排爆机器人双臂协同控制系统进行排爆操作可提高机器人排爆效率，且在复杂的地形环境下，仍可保证排爆任务快速稳定进行。

A dual arm coordinated control system for explosive disposal robot

The invention discloses a two-arm cooperative control system of an explosion-disposal robot, in which the two robotic arms can cooperate to complete the explosion-disposal task assigned by the system in the workspace. In the process of the explosion-disposal, the two robotic arms are intelligently assigned the explosion-disposal task, and the current explosion-disposal task is performed according to the task knowledge of the explosion-disposal database. The operation sequence of each manipulator is obtained by decomposition. The joint space coordinates of the end effector of the manipulator are planned by the task operation sequence obtained from the knowledge base of explosion disposal. The intelligent collision avoidance operation is carried out in the process of the manipulator movement, and the collision in the process of the manipulator movement is avoided until the manipulator is finished. Explosion mission ends. The two-arm cooperative control system can improve the efficiency of detonation removal and ensure the rapid and stable detonation task in complex terrain environment.

【技术实现步骤摘要】
一种排爆机器人双臂协同控制系统
本专利技术属于排爆机器人领域，具体涉及一种排爆机器人双臂协同控制系统。
技术介绍
随着科学技术的发展和社会需求的提高，单臂机器人无法完成恶劣环境下较复杂的工作，特别是针对排爆机器人来说，工作环境往往都相对复杂，因此，研究双排爆机器人成为排爆机器人研究领域的重点之一。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种排爆机器人双臂协同控制系统，本专利技术将双机械臂排爆机器人的机械臂运动过程分为以下几个过程：首先对排爆任务进行确定，智能进行各个机械臂的任务分配；对各个机械臂进行路径规划；机械臂向停驻点进行运动过程中进行智能避碰。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种排爆机器人双臂协同控制系统，步骤如下：S1，建立排爆数据库。机器人通过学习训练传统排爆过程，得出一个排爆数据库；所述排爆数据库包括任务知识数据库、任务库和机械臂知识能力库。S2，获取任务并将任务分配。排爆机器人探寻到未爆物时，得到排爆任务，并采用一种基于trader集中式的双臂空间机器人任务分配方法将任务分配。具体步骤为：S2.1建立机械臂任务能力知识库，包括机械臂能力信息和任务的能力信息；S2.1.1，机械臂的能力。所述机械臂的能力包括能力类型和与能力类型相对应的能力水平。S2.1.1.1，机械臂的能力类型。机械臂具有多种不同的能力，如抓握能力、负载能力、灵活程度、指端力觉能力，视觉能力、腕力觉能力、运算能力、通信能力、灵巧能力，这些能力细化为单个的原子能力，并将这些原子能力组成能力类型集合。机械臂的能力类型集合是由m个原子能力cj组成的能力集合：C＝{cj}，1≤j≤m；S2.1.1.2，机械臂的能力水平。机械臂的每个原子能力都具有一个对应的能力水平，第i个机械臂的原子能力cj的能力水平为Lij，取值范围为0≤Lij≤1，第i个机械臂的第cj项能力越高，则Lij越大，即Lij＝diag{Li1,Li2,…,Lij,…,Lim}。S2.1.2，任务的能力信息。S2.1.2.1，任务对机械臂某一原子能力cj的需求为Nkj；即如果任务需要第cj项能力，Nkj取1，否则取0，即S2.1.2.2，完成任务对机械臂某一原子能力cj的需求强度为Wkj。取值范围为0≤Wkj≤1，第cj项能力对任务的影响越大，则Wkj越大，即Wkj＝diag{Wk1,Wk2,…,Wkj,…,Wkm}。S2.2，根据分解动作序列对应的机械臂能力信息和任务能力信息选择执行动作的机械臂。比较每一个分解动作序列所对应的机器臂能力信息和任务能力信息的大小，当机械臂能力水平大于任务对机械臂能力的需求强度，表示当前机械臂能完成该分解动作。S2.3，使两个机械臂的控制器之间进行通信，分别以对方为参照物，判断将已经分解的任务如何分配给两个机械臂，使两个机械臂可以合作完成。机器人以构建的能力集合为标准，将每一个子任务按序与机械臂能力集合做对比，设当前其中一个子任务为pk，若存在Lij>＝Wkj,则表示机械臂能完成任务，则优先为机械臂A分配此任务，将机械臂A已分配的任务对应的能力Lij值降低或归零，然后进行下一个子任务与机械臂能力集合的对比，优先进行机械臂A的现有能力匹配，当机械臂A能力集合不满足Lij>＝Wkj时，则进行机械臂B的能力集合匹配，机械臂B的能力集合匹配同机械臂A。S3，进行任务分解。机械臂的任务描述表示为一个隐式动作计划，它指定了一个根据隐式基本操作和执行顺序关系的子目标集合，其中机械臂主要用来处理未爆物，动作序列主要包括初始状态、接近未爆物、调整姿态、到达、抓取、提升、旋转、腕部翻转、闭合手爪、暂停工作等子任务，如下表所示：机械臂动作序列表序号子任务1初始2接近3调整4到达5提升6腕部旋转7闭合手爪8暂停工作…………当机械臂获得各自分配的任务之后通过任务知识将其各自任务分为一个子任务序列，同时产生与子任务相对应的动作序列，在机械臂动作序列表中查找到相应的动作序列，对其进行链接得到机械臂的详细动作序列，每一个步骤的动作序列都对应一系列的运动控制函数再进行相应的函数描述。其中，机器人的主要运动控制函数如下：相对于机器人基坐标系的位姿控制、相对于机器人基坐标系的位置向量控制、相对于机器人基坐标系的姿态向量控制、相对于机器人末端坐标系的位置向量控制、相对于机器人末端坐标系的姿态向量控制、关节角度控制、机器人暂停函数、机器人返回初始位形函数、末端执行器闭合，进行工作、末端执行器张开，到其初始状态为止。机械臂的动作序列主要由上述运动函数构成，当机械臂的运动序列确定之后，根据确切情况，确定各个动作的运动参数，用以上运动控制函数进行表示。S4，对机械臂进行路径规划；机械臂上的控制器接收末端执行器的各传感器实时采集的自身位置和方位信息，控制器将接收检测信息并将检测信息通过卡尔曼滤波器进行滤波并预测下一时刻的位置和方位信息，控制器将得到的预测信息传输给另一机械臂的控制器上，实现两个机械臂之间的相互通讯；通过两臂控制器之间的通信使得一个机械臂对于另一个机械臂的反应做出相应的动作、轨迹规划和决策。具体步骤为：S4.1，对末端执行器的关节空间坐标进行规划；通过排爆知识库得到的任务操作序列对机械臂末端执行器的关节空间坐标进行规划；S4.2，机械臂路径规划；采用栅格法进行机械臂的运动路径规划，具体步骤如下：S4.2.1，经过步骤S2和步骤S3，机械臂获取到任务以及子任务序列，也就是得知机械臂的目标点位置；S4.2.2，以机械臂的底座在空间的位置为原点，建立三维坐标系，设置以机械臂底座为中心，机械臂连杆长度之和为半径的球形空间；在球形空间中以i为栅格宽度，将球形空间划分为若干三维栅格；S4.2.3，通过机械臂配备的传感器对当前机械臂附近环境进行信息采集，实时判断障碍物的空间位置，将存在障碍物的栅格定义为障碍栅格，不存在障碍物的栅格定义为自由栅格；S4.2.4，机械臂根据自身当前状态、目标点和自由度分布信息，在现有的自由栅格范围内，使用A*算法搜索出最优的通向目标点的路径。S5，机械臂向停驻点进行运动过程中进行智能避免碰撞；所述碰撞包括机械臂之间的碰撞以及机械臂与障碍物的碰撞；机械臂连杆进行障碍物的探测，并通过状态感知器将环境状态映射为机械臂的内部感知，工作选择器根据当前策略选择避障动作作用于环境，训练决策器通过更新学习策略知识用于后续动作的选择。机械臂通过超声波传感器得到当前障碍物的空间位置，且通过各个关节连杆状态感知器反馈回的信息得到机械臂当前姿态偏差角和转动增量；当机械臂与障碍物或另一机械臂之间的距离di＜d时，其中，d为系统设置的机械臂与障碍物或另一机械臂之间最小距离，机械臂通过栅格法，在当前的自由栅格范围内，通过训练决策器和动作选择器选择动作X，使机械臂与障碍物之间的距离di≥d，完成避障。在每节关节连杆内部都配备有状态感知器，训练决策器和动作选择器三个模块，状态感知器将环境状态映射成其内部感知，动作选择器则是根据当前策略选择合理的动作作用于环境，训练决策器则是根据环境反馈以及内部感知来训练更新策略知识以用于机械臂后续工作动作的选择，且训练决策器提前对各种环境进行感知学习训练构建数据库，确定机械臂避免碰撞时各连杆运动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种排爆机器人双臂协同控制系统，其特征在于，步骤如下：S1，建立排爆数据库；机器人通过学习训练传统排爆过程，得出一个排爆数据库；所述排爆数据库包括任务知识数据库、任务库和机械臂知识能力库；S2，获取任务并将任务分配；排爆机器人探寻到未爆物时，得到排爆任务，并采用一种基于trader集中式的双臂空间机器人任务分配方法将任务分配；S3，进行任务分解；S4，对机械臂进行路径规划；机械臂上的控制器接收末端执行器的各传感器实时采集的自身位置和方位信息，控制器将接收检测信息并将检测信息通过卡尔曼滤波器进行滤波并预测下一时刻的位置和方位信息，控制器将得到的预测信息传输给另一机械臂的控制器上，实现两个机械臂之间的相互通讯；通过两臂控制器之间的通信使得一个机械臂对于另一个机械臂的反应做出相应的动作、轨迹规划和决策；S5，机械臂向停驻点进行运动过程中进行智能避免碰撞；所述碰撞包括机械臂之间的碰撞以及机械臂与障碍物的碰撞；机械臂连杆进行障碍物的探测，并通过状态感知器将环境状态映射为机械臂的内部感知，工作选择器根据当前策略选择避障动作作用于环境，训练决策器通过更新学习策略知识用于后续动作的选择。

【技术特征摘要】
1.一种排爆机器人双臂协同控制系统，其特征在于，步骤如下：S1，建立排爆数据库；机器人通过学习训练传统排爆过程，得出一个排爆数据库；所述排爆数据库包括任务知识数据库、任务库和机械臂知识能力库；S2，获取任务并将任务分配；排爆机器人探寻到未爆物时，得到排爆任务，并采用一种基于trader集中式的双臂空间机器人任务分配方法将任务分配；S3，进行任务分解；S4，对机械臂进行路径规划；机械臂上的控制器接收末端执行器的各传感器实时采集的自身位置和方位信息，控制器将接收检测信息并将检测信息通过卡尔曼滤波器进行滤波并预测下一时刻的位置和方位信息，控制器将得到的预测信息传输给另一机械臂的控制器上，实现两个机械臂之间的相互通讯；通过两臂控制器之间的通信使得一个机械臂对于另一个机械臂的反应做出相应的动作、轨迹规划和决策；S5，机械臂向停驻点进行运动过程中进行智能避免碰撞；所述碰撞包括机械臂之间的碰撞以及机械臂与障碍物的碰撞；机械臂连杆进行障碍物的探测，并通过状态感知器将环境状态映射为机械臂的内部感知，工作选择器根据当前策略选择避障动作作用于环境，训练决策器通过更新学习策略知识用于后续动作的选择。2.根据权利要求1所述的一种排爆机器人双臂协同控制系统，其特征在于：在步骤S2中，具体步骤为：S2.1建立机械臂任务能力知识库，包括机械臂能力信息和任务的能力信息；S2.1.1，机械臂的能力；所述机械臂的能力包括能力类型和与能力类型相对应的能力水平S2.1.2，任务的能力信息；S2.2，根据分解动作序列对应的机械臂能力信息和任务能力信息选择执行动作的机械臂；比较每一个分解动作序列所对应的机器臂能力信息和任务能力信息的大小，当机械臂能力水平大于任务对机械臂能力的需求强度，表示当前机械臂能完成该分解动作；S2.3，使两个机械臂的控制器之间进行通信，分别以对方为参照物，判断将已经分解的任务如何分配给两个机械臂，使两个机械臂可以合作完成；机器人以构建的能力集合为标准，将每一个子任务按序与机械臂能力集合做对比，设当前其中一个子任务为pk，若存在Lij>＝Wkj,则表示机械臂能完成任务，则优先为机械臂A分配此任务，将机械臂A已分配的任务对应的能力Lij值降低或归零，然后进行下一个子任务与机械臂能力集合的对比，优先进行机械臂A的现有能力匹配，当机械臂A能力集合不满足Lij>＝Wkj时，则进行机械臂B的能力集合匹配，机械臂B的能力集合匹配同机械臂A。3.根据权利要求2所述的一种排爆机器人双臂协同控制系统，其特征在于：在步骤S2.1.1中，具体步骤为：S2.1.1.1，机械臂的能力类型；机械臂具有多种不同的能力，如抓握能力、负载能力、灵活程度、指端力觉能力，视觉能力、腕力觉能力、运算能力、通信能力、灵巧能力，这些能力细化为单个的原子能力，并将这些原子能力组成能力类型集合：机械臂的能力类型集合是由m个原子能力cj组成的能力集合：C＝{cj}，1≤j≤m；S2.1.1.2，机械臂的能力水平；机械臂的每个原子能力都具有一个对应的能力水平，第i个机械臂的原子能力cj的能力水平为Lij，取值范围为0≤Lij≤1，第i个机械臂的第cj项能力越高，则Lij越大，即Lij＝diag{Li1,Li2,…,Lij,…,Lim}。4.根据权利要求2所述的一种排爆...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡磊，李琼，雷进辉，徐涛，杨献峰，李国厚，
申请(专利权)人：河南科技学院，
类型：发明
国别省市：河南,41