一种基于融合人体运动学约束的协调图双臂协作控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于融合人体运动学约束的协调图双臂协作控制方法，本发明专利技术同时从动作层面和操作任务层面进行双臂协作控制；在动作协作层面，通过遥操作示教技术获取机器人协作轨迹，通过四元数姿态轨迹映射方法将人类动作映射至机器人端并优化存储；根据轨迹碰撞情况生成协调图，协调图以左右臂操作时间为横纵坐标，设置图中机器人会发生碰撞的机器人配置为黑色，无碰撞配置为白色，形成一个完整的协调图。在协调图内采用RRT

【技术实现步骤摘要】
一种基于融合人体运动学约束的协调图双臂协作控制方法


[0001]本专利技术属于智能机器人领域，尤其涉及人形机器人的双臂协作控制方法。

技术介绍

[0002]随着科技的不断发展，机器人应用至各行各业，所承担的任务越来越复杂。所以机器人技术的一种当前趋势是向具有拟人运动学的双臂机器人方向发展。仿人型双臂机器人由于采用仿人型设计，能够模仿人类动作，相比传统的单臂机器人，具有更大的作业范围，更高的运动灵活性和更大的负载能力，可以执行更加多样化的任务。
[0003]尽管现在有许多很成熟的机械臂控制算法和很多的工业双臂机器人，比如Abb公司的YUMI机器人，Willow Garage公司开发的PR2机器人和RethinkRobotics公司推出的Baxter机器人，但是同时操作双臂依旧很困难。在双臂共同的工作区域内找到一条无碰撞的操作路径称为双臂协作问题，而双臂协作技术是仿人型双臂机器人执行动作的关键。传统的双臂控制多采用双臂轮循操作或RRT
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Connect轨迹规划方法生成轨迹，再添加协作算法达到双臂协作控制。但这两种协作方式均有操作效率较低，系统运算量大，和操作动作不类人等缺点。所以为解决这一问题需要从协作轨迹本身入手，令协作轨迹类人化，不仅能够使得操作类人，同时可以减少轨迹碰撞和系统运算量。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的问题，提供一种双臂协作控制方法，同时从动作和任务层面进行协作。在双臂动作层面，要求双臂同时工作时发生碰撞的概率最小，并且动作要类人化。在完整的任务操作层面，要求完成完整双臂协作任务的操作时间最短，且总碰撞最少。
[0005]一种基于融合人体运动学约束的协调图双臂协作控制方法，包含以下步骤：
[0006]步骤1.1、操作者穿戴自制人体姿态采集服，通过遥操作方式控制人形双臂机器人完成双臂协作任务，进行遥操作动作示教。
[0007]步骤1.2、对步骤1.1所生成的双臂协作的轨迹信息进行滤波处理，而后对轨迹信息进行采样，获取示教轨迹，存入示教轨迹池。
[0008]步骤1.3、完成示教轨迹的生成之后，根据步骤1.2存入示教轨迹池的轨迹构建双臂协调图，并依据示教动作顺序为横纵坐标建立双臂协调图矩阵。
[0009]步骤1.4、根据步骤1.3生成的双臂协调图矩阵结果生成双臂协作对，并存入协作池。
[0010]步骤1.5、机器人从步骤1.4中协作池提取双臂协作图信息，生成对应控制命令，进行双臂协调动作，完成协作任务。
[0011]步骤1.2对步骤1.1所生成的轨迹信息进行滤波处理并采样，为后续进行协调图生成等操作提供动作轨迹信息基础。双臂协作控制中采用各关节角度作为控制信号，操作者穿戴人体姿态采集服进行动作示教，存储其动作映射到机器人本体上的各关节角度为示教轨迹信息。但是由于遥操作示教过程中操作者动作易发生抖动与重复，故而需对示教轨迹
进行滤波。同时为后续建立协调图，需对完整的示教动作轨迹进行采样，将采样点信息作为后续生成协调图的轨迹点信息。
[0012]步骤1.3中要进行协调图的生成，并且以示教动作的顺序为横纵坐标建立完整的双臂协调图矩阵。其中协调图的x,y轴分别为左臂和右臂的时间轨迹参数,而不是一般进行轨迹规划采用的空间轨迹参数.并且在协调图中将手臂之间发生碰撞的机器人关节配置为图中”障碍物”，并标记黑色。然后循环所有动作轨迹生成协调图，并依据示教动作的顺序建立协调图矩阵。
[0013]步骤1.4依据协调图矩阵结果以总碰撞最少为目标，生成双臂协作对，不以操作者动作示教时的动作顺序进行操作，重新对左右臂操作进行配对，生成双臂协作对，并将双臂协作对所对应的协调图存储协作池。
[0014]最后，步骤1.5从双臂协作池中读取双臂协作对的协调图信息，根据各协作对的碰撞信息协作对操作顺序进行重新排序，无碰撞协作对在前，有碰撞协作对在后进行操作，并且根据协调图信息生成对应的操作控制命令控制机器人完成协作操作。
[0015]本专利技术同时从“动作”层面和“操作任务”层面进行双臂协作控制，以追求以最高效率并且无碰撞完成完整协作任务的目标。在动作协作层面，我们通过遥操作示教技术获取机器人协作轨迹，操作者穿戴自制人体姿态采集服遥操作机器人示教完成协作动作，通过四元数姿态轨迹映射方法将人类动作映射至机器人端并优化存储，作为后续协作的初始轨迹。而后根据轨迹碰撞情况生成协调图，协调图以左右臂操作时间为横纵坐标，设置图中机器人会发生碰撞的机器人配置为黑色，无碰撞配置为白色，形成一个完整的协调图。在协调图内采用RRT
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Connect算法结合开源动作规划库(OMPL)中的轨迹优化算法的方式进行轨迹规划，生成协作律，完成动作层面的双臂协作。设计了协作对生成器，根据输入的轨迹特点以及协调图内的碰撞信息对操作对进行重组，重新分配左右臂操作的对应关系，不单纯以输入的左右臂对应关系进行协作。在机器人执行协作过程中于操作顺序层面再进行协作，对输入的协作对根据碰撞情况先进行排序，无碰撞协作对先于有碰撞协作对操作，同时由于在进行无碰撞协作对操作时无协作计算，采用多线程方式进行有碰撞协作对的协作律计算，在完成无碰撞协作对的操作之后，有碰撞协作对根据前面的协作律计算结果进行协作，完成完整的协作操作，使得操作时间最短，操作效率最大化。
附图说明
[0016]图1双臂协作方法示意图
[0017]图2双臂协作系统流程图
[0018]图3惯性式可穿戴人体姿态采集服
[0019]图4为采用带有人体运动学约束的动作协调流程图
[0020]图5协调图
[0021]图6协调图示意图
[0022]图7协作对协调图对比图
[0023]图8机器人从协作池获取协作命令并执行操作流程图
具体实施方式
[0024]下面结合附图对本专利技术方法做进一步说明，如图1所示为本专利技术方法示意图，采用遥操作示教思想，将人体运动学约束融入协调图进行人形机器人双臂协作控股。方法工作流程：参照图2，本专利技术是一种基于融合人体运动学约束的协调图双臂协作控制方法，使得人形双臂机器人能够无碰撞且高效的完成双臂协作任务。该方法的整体流程主要包括：获取示教动作部分，操作者穿着人体姿态采集服进行遥操作动作示教，对示教动作的轨迹进行处理，滤波掉重复和抖动的数据，并以抓取位置为分割进行等量采样，而后将处理后的示教动作轨迹存入示教轨迹池。协作运算部分，从示教轨迹池内提取示教轨迹，根据示教轨迹轮循构建双臂协调图，而后根据协调图结果生成双臂协作对，并将协作对结果存入协作池。最后机器人从协作池提取协作对信息，并进行协调动作。
[0025]1.1操作者穿戴自制人体姿态采集服，通过遥操作方式控制人形双臂机器人完成双臂协作任务，进行遥操作动作示教。
[0026]本专利技术双臂协作方法的创新之一是将人类动作融入协作过程，通过人类自己本身双臂的运动学约束简化机器人协作过程中的运算难度。人体的各关节绕其关节运动轴能够表现出屈伸、收展本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于融合人体运动学约束的协调图双臂协作控制方法，其特征在于：包含以下步骤：步骤1.1、操作者穿戴自制人体姿态采集服，通过遥操作方式控制人形双臂机器人完成双臂协作任务，进行遥操作动作示教；步骤1.2、对步骤1.1所生成的双臂协作的轨迹信息进行滤波处理，而后对轨迹信息进行采样，获取示教轨迹，存入示教轨迹池；步骤1.3、完成示教轨迹的生成之后，根据步骤1.2存入示教轨迹池的轨迹构建双臂协调图，并依据示教动作顺序为横纵坐标建立双臂协调图矩阵；步骤1.4、根据步骤1.3生成的双臂协调图矩阵结果生成双臂协作对，并存入协作池；步骤1.5、机器人从步骤1.4中协作池提取双臂协作图信息，生成对应控制命令，进行双臂协调动作，完成协作任务。2.根据权利要求1所述的一种基于融合人体运动学约束的协调图双臂协作控制方法，其特征在于：步骤1.2对步骤1.1所生成的轨迹信息进行滤波处理并采样，为后续进行协调图生成操作提供动作轨迹信息基础；双臂协作控制中采用各关节角度作为控制信号，操作者穿戴人体姿态采集服进行动作示教，存储其动作映射到机器人本体上的各关节角度为示教轨迹信息；但是由于遥操作示教过程中操作者动作易发生抖动与重复，故而需对示教轨迹进行滤波；同时为后续建立协调图，需对...

【专利技术属性】
技术研发人员：左国玉，胥子宸，龚道雄，刘岩，李宓，吴淳，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：