一种铰接模型的辨识方法及机器人操作方法技术

本发明专利技术公开了一种铰接模型的辨识方法及机器人操作方法，包括步骤：(1)末端执行器抓取铰接物体把手并拉动，并记录每一时刻的末端执行器位姿；(2)计算得到各时刻两个刚性部件之间的位姿关系作为训练样本；(3)设定铰接物体的铰接模型，并根据两个刚性部件之间的变换自由度得到某一铰接模型某一时刻的两个刚性部件之间的位姿关系出现的概率；(4)计算得到某一铰接模型两个刚性部件位姿关系的似然函数，并选择能够让似然函数取得最大值的铰接模型作为最终的铰接模型。本发明专利技术通过机器人对铰接物体的主动操作自动生成其运动模型并完成参数辨识的过程，大大简化了机器人对未知铰接模型的物体的操作，拓宽了机器人在复杂环境中的应用范围。应用范围。应用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种铰接模型的辨识方法及机器人操作方法


[0001]本专利技术涉及机器人领域，尤其涉及一种铰接模型的辨识方法及及机器人操作方法。

技术介绍

[0002]家庭环境是服务型机器人的关键应用领域。为了完成给定的任务，机器人往往需要操作各种类型的物体。但是其中很多的物体并不是刚体，如冰箱、门、抽屉等。这些物体都具有可以运动的部分，将这种可视为多个刚体通过一定的方式连接在一起并能发生相对运动的物体称为铰接物体，如何操作这些物体对于机器人来说是巨大的挑战。
[0003]现有中一种最常见的方式是使机器人底盘运动到指定的位置，通过拖动示教的方式采集机器人在操作铰接物体时的运动轨迹。此时如果机器人需要执行对应的操作只需要再现示教轨迹即可。
[0004]一种改进的方式是在机器人执行操作时配合阻抗控制以避免单纯位置控制导致机器人与铰接物体之间产生过大的应力。
[0005]另一种方式是将铰接模型的参数直接输入给机器人，这样根据这个已知的模型机器人可以计算出在操作的每个阶段其末端执行器应该具备的位姿，这同样可以达到操作物体的目的。
[0006]目前铰接物体操作的实现方式存在诸多缺点。第一种通过示教再现方式实现物体操作的方式，由于多种误差的存在机器人和铰接物体之间的接触应力可能非常大，这将大大减少机器人或者物体的使用寿命甚至会发生损坏。
[0007]第二种改进方案通过阻抗控制改善了接触时发生的应力，但是这种方案和第一种方案均存在适用性差的问题，对于每个需要操作的铰接物体均需要进行相应的示教工作。
[0008]第三种方案在一定程度上解决了前两种方案的问题，但是机器人的自主性依然很差，每一个新的铰接物体都需要用户手动输入其模型参数，这对于终端用户而言是不可接受的。

技术实现思路

[0009]专利技术目的：本专利技术针对上述不足，提出了，一种铰接模型的辨识方法及在机器人操作中的应用，大大简化了机器人对未知铰接模型的物体的操作，拓宽了机器人在复杂环境中的应用范围。
[0010]技术方案：
[0011]一种铰接模型的辨识方法，包括步骤：
[0012](1)机器人控制其末端执行器抓取铰接物体把手并拉动，在此过程中记录得到每一时刻的末端执行器位姿；其中，铰接物体由两个刚性部件连接而成；
[0013](2)通过步骤(1)记录得到的各时刻的末端执行器位姿计算得到各时刻两个刚性部件之间的位姿关系作为训练样本；
[0014](3)设定铰接物体的铰接模型，并根据两个刚性部件之间的变换自由度得到某一铰接模型某一时刻的两个刚性部件之间的位姿关系出现的概率，进而得到某一铰接模型两个刚性部件之间的期望变换关系；
[0015](4)根据步骤(3)得到的某一铰接模型两个刚性部件之间的期望变换关系计算得到某一铰接模型两个刚性部件位姿关系的似然函数，并通过极大似然估计算法求得似然函数的最大值，选择能够让似然函数取得最大值的铰接模型作为最终的铰接模型。
[0016]所述步骤(1)中，各个时刻的末端执行器位姿通过机器人关节编码器及正运动学计算得到。
[0017]所述步骤(3)中，铰接模型包括平移关节模型和旋转关节模型；
[0018]对于平移关节模型，铰接物体的把手在某个固定的轴方向具备平移自由度，据此求解所有时刻的的末端执行器位姿相对于初始时刻的末端执行器位姿的变化量作为隐含变量设e1代表平移轴方向的单位矢量，那么对于平移关节而言，其隐含变量描述为：
[0019][0020]其中，trans去除变换矩阵中的旋转部分，因此平移关节的铰接模型描述为：
[0021][0022]对于旋转关节模型，铰接物体的把手在某个固定的轴方向具备旋转自由度，据此求解所有时刻的的末端执行器位姿相对于初始时刻的末端执行器位姿的变化量作为隐含变量设e2代表旋转轴方向的单位矢量，那么对于旋转关节而言，其隐含变量可以描述为：
[0023][0024]其中，angle去除变换矩阵中的平移部分，结合标准的几何变换，对于旋转关节，其参数包括旋转轴n，旋转中心c以及旋转之后需要对齐到把手的变换关系r，因此旋转关节的铰接模型描述为：
[0025][0026]其中transl(c)代表坐标系平移矢量c得到的齐次变换矩阵，trot
n
(a)是一个绕n轴旋转角度a得到的齐次变换矩阵，通过罗德里格斯公式进行计算。
[0027]所述步骤(3)具体为：
[0028]设M
ij
代表刚性部件i和j之间的铰接模型，则给定模型某一时刻的两个刚性部件之间的带有噪声的位姿关系出现的概率如下：
[0029][0030]其中，a为铰接模型M
ij
的隐含变量，表示两个刚性部件之间的变换自由度；表示铰接模型和隐含变量已知的情况下测量值的概率密度函数，通过给定的已知铰接模型及两个刚性部件之间的变换自由度计算得到；p(a|M
ij
)表示铰接模型已知的情况下隐含变量的概率密度函数；
[0031]假定在采样过程中隐含变量服从均匀分布，那么上述等式简化为：
[0032][0033]在选择特定的铰接模型之后，两个刚性部件之间期望的变换关系为：
[0034][0035]其中，表示选定的铰接模型M
ij
中刚性部件i和j之间期望的变换关系；
[0036]设步骤(1)得到的各时刻的末端执行器位姿中的噪声符合高斯分布，那么：
[0037][0038]其中，表示铰接模型的期望值与测量值之间的差值，σ2表示高斯分布的方差。
[0039]一种应用前述铰接模型的辨识方法的机器人操作方法，包括：
[0040](1)机器人根据任务运动至目标位置，抓取铰接物体的把手；
[0041](2)根据前述得到的铰接模型计算得到机器人的下一个控制点，得到机器人末端执行器的下一个期望位姿并运动至对应位姿，通过阻抗控制策略对铰接物体进行控制。
[0042]所述步骤(2)中的阻抗控制策略具体为：
[0043](41)采用电流环估计或者六维力测量得到机器人末端当前受到的外力F；
[0044](42)根据机器人末端的当前位姿及阻抗模型(42)根据机器人末端的当前位姿及阻抗模型计算得到位姿修正量的加速度，其中，表示位姿修正量的加速度，表示位姿修正量的速度，ΔX表示位姿修正量，M表示阻抗模型的质量项B表示阻抗模型的阻尼项，K表示阻抗模型的刚度项；
[0045](43)步骤(42)得到位姿修正量的加速度经过两次积分得到位姿修正量并与步骤(2)得到的下一个期望位姿进行融合，得到机器人末端执行器的目标位姿；
[0046](44)根据步骤(43)得到的机器人末端执行器的目标位姿，通过逆运动学进行反解并驱动机器人运动至目标位姿进行操作。
[0047]有益效果：本专利技术通过机器人对铰接物体的主动操作自动生成其运动模型并完成参数辨识的过程，大大简化了机器人对未知铰接模型的物体的操作，拓宽了机器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铰接模型的辨识方法，其特征在于：包括步骤：(1)机器人控制其末端执行器抓取铰接物体把手并拉动，在此过程中记录得到每一时刻的末端执行器位姿；其中，铰接物体由两个刚性部件连接而成；(2)通过步骤(1)记录得到的各时刻的末端执行器位姿计算得到各时刻两个刚性部件之间的位姿关系作为训练样本；(3)设定铰接物体的铰接模型，并根据两个刚性部件之间的变换自由度得到某一铰接模型某一时刻的两个刚性部件之间的位姿关系出现的概率，进而得到某一铰接模型两个刚性部件之间的期望变换关系；(4)根据步骤(3)得到的某一铰接模型两个刚性部件之间的期望变换关系计算得到某一铰接模型两个刚性部件位姿关系的似然函数，并通过极大似然估计算法求得似然函数的最大值，选择能够让似然函数取得最大值的铰接模型作为最终的铰接模型。2.根据权利要求1所述的铰接模型的辨识方法，其特征在于：所述步骤(1)中，各个时刻的末端执行器位姿通过机器人关节编码器及正运动学计算得到。3.根据权利要求1所述的铰接模型的辨识方法，其特征在于：所述步骤(3)中，铰接模型包括平移关节模型和旋转关节模型；对于平移关节模型，铰接物体的把手在某个固定的轴方向具备平移自由度，据此求解所有时刻的的末端执行器位姿相对于初始时刻的末端执行器位姿的变化量作为隐含变量设e1代表平移轴方向的单位矢量，那么对于平移关节而言，其隐含变量描述为：其中，trans去除变换矩阵中的旋转部分，因此平移关节的铰接模型描述为：对于旋转关节模型，铰接物体的把手在某个固定的轴方向具备旋转自由度，据此求解所有时刻的的末端执行器位姿相对于初始时刻的末端执行器位姿的变化量作为隐含变量设e2代表旋转轴方向的单位矢量，那么对于旋转关节而言，其隐含变量描述为：其中，angle去除变换矩阵中的平移部分，结合标准的几何变换，对于旋转关节，其参数包括旋转轴n，旋转中心c以及旋转之后需要对齐到把手的变换关系r，因此旋转关节的铰接模型描述为：其中transl(c)代表坐标系平移矢量c得到的齐次变换矩阵，trot
n
(a)是一个绕n轴旋转角度a得到的齐次变换矩阵，通过罗德里格斯公式进行计算。4.根据权利要求1所述的铰接模型的辨识方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：程敏，张硕，桂凯，
申请(专利权)人：深圳亿嘉和科技研发有限公司，
类型：发明
国别省市：