一种控制多关节移动机器人避障的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种控制多关节移动机器人避障的方法及装置，该方法包括：在机器人按照预先规划的全局最优路径从起始点向目标点移动的过程中，利用视觉导航和红外避障相互协调控制机器人运动，当视觉系统检测到预设距离内有障碍物时，暂停机器人底座的前进，参考预先建立的各个关节的运动学几何模型，自动逐级调节各个关节的运动姿态，在各个关节的可行域内摆动关节，从末端执行器到底座，逐级避开障碍物，通过伺服系统控制各个关节的位姿和底盘运动方向，继续控制机器人向目标点移动，直到机器人到达目标点，在红外避障过程中同时调整各个关节和底座的运动姿态，避免后续反复调整，提高了多关节移动机器人的避障效率。

【技术实现步骤摘要】
一种控制多关节移动机器人避障的方法及装置
本专利技术涉及机器人
，具体而言，涉及一种控制多关节移动机器人避障的方法及装置。
技术介绍
目前，随着社会经济的快速发展及社会智能化的不断推进，随之智能机器人应运而生，智能机器人是能够在道路和野外连续地实时自主运动的机器人，已成为当今科技研究领域的热点，主要目的是研究应用人工智能技术，从而使智能机器人在复杂多变的环境下实现自主推理、规划和控制；另外，随着机器人应用范围的日益扩大和智能化逐步加强，智能机器人逐渐向拟人化的方向发展，因而，多关节移动机器人应用越来越广泛，在复杂多变的环境下多关节移动机器人在行驶过程中随时可能遇到障碍物，因此，需要对机器人进行避障路径的规划使其避开障碍物，进而顺利的到达目的地。当前，相关技术中提供了一种控制多关节移动机器人避障的方法，该方法包括：首先，对机器人进行全局路径规划，即控制机器人由起始位置运动至终止位置，通过机器人的视觉系统采集到运动路径的周围环境及固定障碍物的图像信息，生成整个运动路径的环境图像，根据采集到的环境图像通过最短路径算法确定全局路径；然后，机器人从起始位置点出发，通过在机器人底座上安装红外感应传感器，当红外感应传感器检测到有障碍物时，规划探索机器人的底座避开障碍物在全局点附近运动的可行域，但只考虑了机器人的底座的运动及避障，对于空间上机器人的多维多关节的避障并未进行规划，由于现有的多关节移动机器人的红外传感器和视觉系统均安装在机器人的底座上，当机器人遇到障碍物时，只能通过改变底座的运动方向来避障，而且每次运动姿态的调整仅仅保证底座可以避障，无法保证机械臂一定能避障，因而需要底座的运动姿态需要反复调整。在实现本专利技术的过程中，专利技术人发现相关技术中至少存在以下问题：相关技术中当机器人感知到障碍物时，只对底座进行避障处理，导致各个关节在继续移动过程中将与障碍物产生碰撞，从而需要不断调整行驶路径，规划得到的避障路径准确度低，既增加了调整的时间，又降低了避障效率，无法实现使多关节移动机器人快速准确地避开障碍物。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例的目的在于提供一种控制多关节移动机器人避障的方法及装置，以避免后续反复调整，提高多关节移动机器人的避障效率。第一方面，本专利技术实施例提供了一种控制多关节移动机器人避障的方法，该方法包括：通过多关节移动机器人的末端执行器上设置的视觉系统采集上述机器人所在位置的环境图像，并根据采集到的上述环境图像控制上述机器人按照预先规划的全局最优路径从起始点向目标点的移动；其中，上述机器人的各个关节对应有运动学几何模型，上述运动学几何模型是通过分析上述机器人各个关节的相对运动，采用经典D-H法预先建立的；在上述机器人移动的过程中，当上述视觉系统检测到预设距离内有障碍物时，暂停上述机器人底座的前进；获取上述运动学几何模型对应的局部坐标系，在上述局部坐标系下，根据上述机器人各个关节对应的转角、相邻关节间间距、杆件长度、杆件扭角，以及检测到上述障碍物的视觉系统所在位置调节上述机器人各个关节的转角，直到每个关节均避开上述障碍物；根据调节后的上述转角确定全局坐标系下的各个关节的运动姿态；通过上述视觉系统采集上述机器人当前位置的环境图像，并根据各个关节的上述运动姿态调整上述机器人向上述目标点移动的全局最优路径，按照调整后的上述全局最优路径继续控制上述机器人向上述目标点移动，直到上述机器人到达上述目标点。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述根据调节后的上述转角确定全局坐标系下的各个关节的运动姿态包括：确定各个关节对应的运动学几何模型建立的局部坐标系中相邻坐标系之间的齐次变换矩阵公式其中，di表示关节i与关节i-1间距离，θi表示关节i的转角，ai表示关节i与关节i-1间的杆件长度，αi表示关节i的杆件扭角，Transz(di)表示i-1坐标系变换到i坐标系下沿z轴平移di距离得到的平移矩阵，Rotz(θi)表示i-1坐标系变换到i坐标系下沿z轴逆时针旋转θi角度得到的旋转矩阵，Transx(ai)表示i-1坐标系变换到i坐标系下沿x轴平移ai距离得到的平移矩阵，Rotx(αi)表示i-1坐标系变换到i坐标系下沿x轴逆时针旋转αi角度得到的旋转矩阵；根据上述齐次变换矩阵公式和各个关节避开障碍物时对应的转角、相邻关节间间距、杆件长度和杆件扭角计算得到关节i-1坐标系转换至关节i坐标系的矩阵；根据上述关节i-1坐标系转换至关节i坐标系的矩阵和运动姿态计算公式计算得到在局部坐标系下关节i的运动姿态，其中，i表示关节编号，Ti表示第i个关节在局部坐标系下的运动姿态，表示i-1坐标系变换至i坐标系得到的变换矩阵；根据在局部坐标系下各个关节的上述运动姿态和计算公式Pi＝P×Ti计算得到全局坐标系下各个关节的运动姿态，其中，Pi表示第i个关节在全局坐标系下的运动姿态，Ti表示第i个关节在局部坐标系下的运动姿态，P表示多关节移动机器人底座在全局坐标系下的运动姿态的矩阵表达式且结合第一方面的第一种可能的实施方式，本专利技术实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述根据各个关节的上述运动姿态调整上述机器人向上述目标点移动的全局最优路径包括：根据全局坐标系下各个关节的上述运动姿态确定上述机器人在全局坐标系下的避障运动轨迹；根据上述避障运动轨迹调整上述机器人向上述目标点移动的全局最优路径。结合第一方面至第一方面的第二种可能的实施方式中的任一种实施方式，本专利技术实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述在局部坐标系下，根据上述机器人各个关节对应的转角、相邻关节间间距、杆件长度、杆件扭角，以及检测到上述障碍物的视觉系统所在位置调节上述机器人各个关节的转角，直到每个关节均避开上述障碍物包括：选择上述机器人的末端执行器上的关节作为第一调节关节；在上述第一调节关节的可行域内根据视觉系统建立的障碍物模型调节上述第一调节关节的转角，存储使上述第一调节关节首次避开障碍物所对应的转角；由上述第一调节关节带动与上述第一调节关节相邻的关节运动，继续调节与上述第一调节关节相邻的关节的转角，存储使与上述第一调节关节相邻的关节首次避开障碍物所对应的转角，依次循环，直到当前需要调节的关节为底座。第二方面，本专利技术实施例还提供了一种控制多关节移动机器人避障的装置，该装置包括：第一控制模块，用于通过多关节移动机器人的末端执行器上设置的视觉系统采集上述机器人所在位置的环境图像，并根据采集到的上述环境图像控制上述机器人按照预先规划的全局最优路径从起始点向目标点的移动；其中，上述机器人的各个关节对应有运动学几何模型，上述运动学几何模型是通过分析上述机器人各个关节的相对运动，采用经典D-H法预先建立的；暂停模块，用于在上述机器人移动的过程中，当上述视觉系统检测到预设距离内有障碍物时，暂停上述机器人底座的前进；调节模块，用于获取上述运动学几何模型对应的局部坐标系，在上述局部坐标系下，根据上述机器人各个关节对应的转角、相邻关节间间距、杆件长度、杆件扭角，以及检测到上述障碍物的视觉系统所在位置调节上述机器人各个关节的转角，直到每个关节均避开上述障碍物；确定模块，用于根据调节后的上述转角确定全局坐标系下的各个关节的运动姿态本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制多关节移动机器人避障的方法，其特征在于，所述方法包括：通过多关节移动机器人的末端执行器上设置的视觉系统采集所述机器人所在位置的环境图像，并根据采集到的所述环境图像控制所述机器人按照预先规划的全局最优路径从起始点向目标点的移动；其中，所述机器人的各个关节对应有运动学几何模型，所述运动学几何模型是通过分析所述机器人各个关节的相对运动，采用经典D‑H法预先建立的；在所述机器人移动的过程中，当所述视觉系统检测到预设距离内有障碍物时，暂停所述机器人底座的前进；获取所述运动学几何模型对应的局部坐标系，在所述局部坐标系下，根据所述机器人各个关节对应的转角、相邻关节间间距、杆件长度、杆件扭角，以及检测到所述障碍物的视觉系统所在位置调节所述机器人各个关节的转角，直到每个关节均避开所述障碍物；根据调节后的所述转角确定全局坐标系下的各个关节的运动姿态；通过所述视觉系统采集所述机器人当前位置的环境图像，并根据各个关节的所述运动姿态调整所述机器人向所述目标点移动的全局最优路径，按照调整后的所述全局最优路径继续控制所述机器人向所述目标点移动，直到所述机器人到达所述目标点。

【技术特征摘要】
1.一种控制多关节移动机器人避障的方法，其特征在于，所述方法包括：通过多关节移动机器人的末端执行器上设置的视觉系统采集所述机器人所在位置的环境图像，并根据采集到的所述环境图像控制所述机器人按照预先规划的全局最优路径从起始点向目标点的移动；其中，所述机器人的各个关节对应有运动学几何模型，所述运动学几何模型是通过分析所述机器人各个关节的相对运动，采用经典D-H法预先建立的；在所述机器人移动的过程中，当所述视觉系统检测到预设距离内有障碍物时，暂停所述机器人底座的前进；获取所述运动学几何模型对应的局部坐标系，在所述局部坐标系下，根据所述机器人各个关节对应的转角、相邻关节间间距、杆件长度、杆件扭角，以及检测到所述障碍物的视觉系统所在位置调节所述机器人各个关节的转角，直到每个关节均避开所述障碍物；根据调节后的所述转角确定全局坐标系下的各个关节的运动姿态；通过所述视觉系统采集所述机器人当前位置的环境图像，并根据各个关节的所述运动姿态调整所述机器人向所述目标点移动的全局最优路径，按照调整后的所述全局最优路径继续控制所述机器人向所述目标点移动，直到所述机器人到达所述目标点。2.根据权利要求1所述的控制多关节移动机器人避障的方法，其特征在于，所述根据调节后的所述转角确定全局坐标系下的各个关节的运动姿态包括：确定各个关节对应的运动学几何模型建立的局部坐标系中相邻坐标系之间的齐次变换矩阵公式其中，di表示关节i与关节i-1间距离，θi表示关节i的转角，ai表示关节i与关节i-1间的杆件长度，αi表示关节i的杆件扭角，Transz(di)表示i-1坐标系变换到i坐标系下沿z轴平移di距离得到的平移矩阵，Rotz(θi)表示i-1坐标系变换到i坐标系下沿z轴逆时针旋转θi角度得到的旋转矩阵，Transx(ai)表示i-1坐标系变换到i坐标系下沿x轴平移ai距离得到的平移矩阵，Rotx(αi)表示i-1坐标系变换到i坐标系下沿x轴逆时针旋转αi角度得到的旋转矩阵；根据所述齐次变换矩阵公式和各个关节避开障碍物时对应的转角、相邻关节间间距、杆件长度和杆件扭角计算得到关节i-1坐标系转换至关节i坐标系的矩阵；根据所述关节i-1坐标系转换至关节i坐标系的矩阵和运动姿态计算公式计算得到在局部坐标系下关节i的运动姿态，其中，i表示关节编号，Ti表示第i个关节在局部坐标系下的运动姿态，表示i-1坐标系变换至i坐标系得到的变换矩阵；根据在局部坐标系下各个关节的所述运动姿态和计算公式Pi＝P×Ti计算得到全局坐标系下各个关节的运动姿态，其中，Pi表示第i个关节在全局坐标系下的运动姿态，Ti表示第i个关节在局部坐标系下的运动姿态，P表示多关节移动机器人底座在全局坐标系下的运动姿态的矩阵表达式且3.根据权利要求2所述的控制多关节移动机器人避障的方法，其特征在于，所述根据各个关节的所述运动姿态调整所述机器人向所述目标点移动的全局最优路径包括：根据全局坐标系下各个关节的所述运动姿态确定所述机器人在全局坐标系下的避障运动轨迹；根据所述避障运动轨迹调整所述机器人向所述目标点移动的全局最优路径。4.根据权利要求1-3任一项所述的控制多关节移动机器人避障的方法，其特征在于，所述在局部坐标系下，根据所述机器人各个关节对应的转角、相邻关节间间距、杆件长度、杆件扭角，以及检测到所述障碍物的视觉系统所在位置调节所述机器人各个关节的转角，直到每个关节均避开所述障碍物包括：选择所述机器人的末端执行器上的关节作为第一调节关节；在所述第一调节关节的可行域内根据视觉系统建立的障碍物模型调节所述第一调节关节的转角，存储使所述第一调节关节首次避开障碍物所对应的转角；由所述第一调节关节带动与所述第一调节关节相邻的关节运动，继续调节与所述第一调节关节相邻的关节的转角，存储使与所述第一调节关节相邻的关节首次避开障碍物所对应的转角，依次循环，直到当...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴雄明，段炼，付帅，李洪，
申请(专利权)人：湖南拓视觉信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43