机械臂Constrain Space的控制方法技术

本发明专利技术涉及机械臂运动控制技术领域，具体涉及一种机械臂Constrain Space的控制方法，S1、确定机械臂的工作平面；S2、在工作平面内，根据障碍物的位置分布信息确定机械臂转动的安全区域；S3、在安全区域内设置机械臂的运动路径；S4、建立手臂的空间模型与机械臂的空间模型，并获取手臂与机械臂的映射关系；S5、获取手臂关节的三维坐标，根据手臂与机械臂之间的映射关系计算对应的机械臂关节的三维坐标；S6、由机械臂关节的三维坐标计算机械臂的关节值；S7、根据关节值控制机械臂沿着运动路径行进。本发明专利技术解决了现有技术中受限于算法缺乏灵活性等固有缺陷在两个自由度的情况下控制精度、灵活性低的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
机械臂ConstrainSpace的控制方法
本专利技术涉及机械臂运动控制
，具体涉及一种机械臂ConstrainSpace的控制方法。
技术介绍
目前，机器人在工业生产中的应用越来越广泛，并逐渐渗入到人们的日常生活中，比如扫地机器人。随着人们对性能要求的不断提高，机器人逐渐从基础自动化走向智能化，这极大地提高了算法、硬件、软件上的升级压力；同时，在机械臂在实际使用中，仍然需要使用者规划机械臂的运动姿态、运动路径。比如说，文件CN106003027A公开了一种机械臂运动路径的设置方法，包括：根据障碍物的位置分布信息确定机械臂转动的圆环形安全区域；确定机械臂端部的起始位置和终点位置，根据起始位置和终点位置分别确定机械臂端部在圆环形安全区域内的转动起点和转动终点；计算机械臂端部从起始位置运动到转动起点的第一运动路径以及机械臂端部从转动终点运动到终点位置的第二运动路径；根据第一运动路径、第二运动路径和转动路径设置机械臂运动路径；其中，转动路径为机械臂端部从转动起点弧形转动到转动终点之间的路径。即使对于简单的工序，在使用机械臂的过程中也需要大量的计算，上述方案提高了路径设置的效率，而且路径的中间点固定为两个，也便于算法实现。通过这样的方式确定的路径，基本都位于一个平面上，也即只有两个自由度，也即ConstrainSpace，其中一个自由度被固定。现有技术中对机械臂运动控制主要是采用人工智能方面的算法进行，受限于算法缺乏灵活性等固有缺陷，即使在两个自由度的情况下控制精度也不高，难以满足实际需要。<br>
技术实现思路
本专利技术提供一种机械臂ConstrainSpace的控制方法，解决了现有技术中受限于算法缺乏灵活性等固有缺陷在两个自由度的情况下控制精度、灵活性低的技术问题。本专利技术提供的基础方案为：机械臂ConstrainSpace的控制方法，包括步骤：S1、确定机械臂的工作平面；S2、在工作平面内，根据障碍物的位置分布信息确定机械臂转动的安全区域；S3、在安全区域内设置机械臂的运动路径；S4、建立手臂的空间模型与机械臂的空间模型，并获取手臂与机械臂的映射关系；S5、获取手臂关节的三维坐标，根据手臂与机械臂之间的映射关系计算对应的机械臂关节的三维坐标；S6、由机械臂关节的三维坐标计算机械臂的关节值；S7、根据关节值控制机械臂沿着运动路径行进。本专利技术的工作原理及优点在于：建立手臂的空间模型与机械臂的空间模型后，可以得到手臂与机械臂的映射关系；通过这种映射关系，在手臂关节的三维坐标基础上就可以计算出对应的机械臂关节的三维坐标，接着即可获取机械臂的关节值。通过关节值对机械臂的运动进行控制，提高了机械臂控制的灵活性；考虑到手臂与机械臂的映射关系，使得机械臂的控制具有良好的生物仿真性，提高了运动平面的控制精度。另外，运动路径在安全区域内设置，可避免机械臂在运动过程中不会发生碰撞，既提高了路径设置的灵活性，同时也便于算法实现。本专利技术既提高了机械臂控制的灵活性，又提高了运动平面的控制精度，解决了现有技术中受限于算法缺乏灵活性等固有缺陷在两个自由度的情况下控制精度、灵活性低的技术问题。进一步，S5中获取手臂关节的三维坐标具体包括：通过视觉传感器采集视觉范围内的彩色图像和深度图像；进行三维人体姿态识别并提取出人体骨架模型；根据人体骨架模型获取手臂关节的三维坐标。有益效果在于：通过这样的方式，得到的手臂关节的三维坐标准确可靠并反映了生物仿真特性，也使得后续机械臂关节的三维坐标计算更加准确，从而有利于提高控制的精度和灵活性。进一步，S6中采用空间向量法计算机械臂的关节值：将机械臂关节的三维坐标转换为空间向量；利用空间向量法计算机械臂的关节值。有益效果在于：空间向量是空间中具有大小和方向的量，同时包含位置关系度量大小，通过这样的方式能够减少计算量，提高运算效率。进一步，S7中根据关节值控制机械臂具体步骤为：采用上位机获取机械臂的关节值；通过ROS控制系统将机械臂的关节值发送给Arbotix-M控制板，由Arbotix-M控制板根据机械臂的关节值产生控制信号，并将控制信号发送到机械臂的舵机；通过舵机接收控制信号并驱动电机。有益效果在于：由于上位机、ROS控制系统和Arbotix-M控制板在机器人领域应用广泛、可靠性高、技术成熟，采用这样的方式可以很好地实现控制效果。进一步，S5中将手臂关节的三维坐标与机械臂关节的三维坐标转换到同一坐标系。有益效果在于：通过这样的方式，将坐标转换到同一坐标系就不用再进行坐标变换的计算，从而有利于减少计算量，避免不必要的运算。进一步，S3中在安全区域内设置机械臂的运动路径具体包括：根据机械臂端部的起始位置和终点位置确定在安全区域内的转动起点和转动终点；确定机械臂端部从起始位置运动到转动起点的第一运动路径；确定机械臂端部从转动终点运动到终点位置的第二运动路径；确定机械臂端部从转动起点弧形转动到转动终点之间的转动路径；根据第一运动路径、第二运动路径和转动路径设置机械臂的运动路径。有益效果在于：通过这样的方式，可以精确控制机械臂的运动轨迹，而且实现起来比较简单。进一步，S2中确定的安全区域为圆环形。有益效果在于：由于机械臂在水平面旋转一周的轨迹为圆形，将安全区域设置为圆环形，既符合机械臂的运动规律，又便于实现。进一步，S2中根据障碍物的位置分布信息确定安全区域具体包括：将机械臂基座在工作平面的投影的几何中心确定为圆环的圆心；将圆心位于圆环的圆心，且与机械臂基座在工作平面的投影外切的外切圆的半径作为圆环内径；将圆心位于圆环的圆心，且与障碍物在工作平面的投影内切的内切圆的半径作为圆环外径。有益效果在于：通过这样的方式，采用了两个相切的条件，能够保证所得到的安全区域最大。进一步，转动起点位于起始位置与圆环圆心的连线上，转动终点位于终点位置与圆环圆心的连线上。有益效果在于：通过这样的方式，有圆环圆心作为参照点，便于实施。进一步，转动起点和转动终点分别位于内环半径与外环半径的中点。有益效果在于：这样设计简单快捷、容易实施。附图说明图1为本专利技术机械臂ConstrainSpace的控制方法实施例的流程图。具体实施方式下面通过具体实施方式进一步详细的说明：实施例1本专利技术机械臂ConstrainSpace的控制方法实施例基本如附图1所示，包括步骤：S1、确定机械臂的工作平面；S2、在工作平面内，根据障碍物的位置分布信息确定机械臂转动的安全区域；S3、在安全区域内设置机械臂的运动路径；S4、建立手臂的空间模型与机械臂的空间模型，并获取手臂与机械臂的映射关系；S5、获取手臂关节的三维坐标，根据手臂与机械臂之间的映射关系计算对应的机械臂关节的三维坐标；S6、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.机械臂Constrain Space的控制方法，其特征在于，包括步骤：/nS1、确定机械臂的工作平面；/nS2、在工作平面内，根据障碍物的位置分布信息确定机械臂转动的安全区域；/nS3、在安全区域内设置机械臂的运动路径；/nS4、建立手臂的空间模型与机械臂的空间模型，并获取手臂与机械臂的映射关系；/nS5、获取手臂关节的三维坐标，根据手臂与机械臂之间的映射关系计算对应的机械臂关节的三维坐标；/nS6、由机械臂关节的三维坐标计算机械臂的关节值；/nS7、根据关节值控制机械臂沿着运动路径行进。/n

【技术特征摘要】
1.机械臂ConstrainSpace的控制方法，其特征在于，包括步骤：
S1、确定机械臂的工作平面；
S2、在工作平面内，根据障碍物的位置分布信息确定机械臂转动的安全区域；
S3、在安全区域内设置机械臂的运动路径；
S4、建立手臂的空间模型与机械臂的空间模型，并获取手臂与机械臂的映射关系；
S5、获取手臂关节的三维坐标，根据手臂与机械臂之间的映射关系计算对应的机械臂关节的三维坐标；
S6、由机械臂关节的三维坐标计算机械臂的关节值；
S7、根据关节值控制机械臂沿着运动路径行进。


2.如权利要求1所述的机械臂ConstrainSpace的控制方法，其特征在于，S5中获取手臂关节的三维坐标具体包括：通过视觉传感器采集视觉范围内的彩色图像和深度图像；进行三维人体姿态识别并提取出人体骨架模型；根据人体骨架模型获取手臂关节的三维坐标。


3.如权利要求2所述的机械臂ConstrainSpace的控制方法，其特征在于，S6中采用空间向量法计算机械臂的关节值：将机械臂关节的三维坐标转换为空间向量；利用空间向量法计算机械臂的关节值。


4.如权利要求3所述的机械臂ConstrainSpace的控制方法，其特征在于，S7中根据关节值控制机械臂具体步骤为：采用上位机获取机械臂的关节值；通过ROS控制系统将机械臂的关节值发送给Arbotix-M控制板，由Arbotix-M控制板根据机械臂的关节值产生控制信号，并将控制信号发送到机械臂的舵机；通过舵机接收控制信号并驱动电机。


5.如权利要求4所述的机械臂ConstrainSpace的...

【专利技术属性】
技术研发人员：晁战云，罗元泰，袁洪跃，钟启明，万钟平，赖晗，李元杰，
申请(专利权)人：华通科技有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13