一种基于VR技术的工业机器人控制系统技术方案

本发明专利技术涉及工业机器人控制技术领域，具体是一种基于VR技术的工业机器人控制系统。包括VR设备、系统设计、结合频域分析的碰撞模块、机器人防撞反应动作设计；所述系统设计包括系统结构、硬件部分、软件部分；系统结构包括一部分由树莓派结合机器视觉摄像头操控机器人自动搜寻目标物品并实现目标物品的抓取，另一部分由Arduino平台结合机械骨骼控制端实现机器人的运转；操作者可通过VR设备获取目标物品；本发明专利技术提供一种避免机器人被外力碰撞，能通过VR技术控制机器人的运动，缓解人力资源的产生的基于VR技术的工业机器人控制系统。基于VR技术的工业机器人控制系统。

【技术实现步骤摘要】
一种基于VR技术的工业机器人控制系统


[0001]本专利技术涉及工业机器人控制
，具体是一种基于VR技术的工业机器人控制系统。

技术介绍

[0002]协作机器人在与人类在同一工作空间内工作并存在紧密物理合作，安全问题是首要关注的问题。协作机器人应该能够快速检测碰撞并安全地做出反应，以限制身体接触造成的伤害。在没有人体检测的情况下，机器人和人之间的相对运动是不可预测的，并且在机器人手臂的任何位置都可能发生意外的碰撞。
[0003]由于疾病人群对医疗服务需求的增加,机器人便被提出作为一种辅助工具提供医疗服务以弥合日益扩大的需求，缓解医疗人员和资源短缺。机器人产品分为工业机器人和服务机器人，而护理机器人便是服务机器人的一种。为了避免机器人被外力碰撞，而导致损坏，及能通过VR技术控制机器人的运动，缓解人力资源的产生，从而提出了一种基于VR技术的工业机器人控制系统。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种避免机器人被外力碰撞，能通过VR技术控制机器人的运动，缓解人力资源的产生的基于VR技术的工业机器人控制系统。
[0005]本专利技术所采用的技术方案为：一种基于VR技术的工业机器人控制系统，其特征在于：包括VR设备、系统设计、结合频域分析的碰撞模块、机器人防撞反应动作设计；
[0006]所述系统设计包括系统结构、硬件部分、软件部分；
[0007]所述系统结构包括一部分由树莓派结合机器视觉摄像头操控机器人自动搜寻目标物品并实现目标物品的抓取，另一部分由Arduino平台结合机械骨骼控制端实现机器人的运转；操作者可通过VR设备获取目标物品；
[0008]所述结合频域分析的碰撞检测当有意地与机器人进行交互时，人完全知道机器人的位置和运动方式，两者之间的接触将是缓慢而温和的，机器人外部扭矩的变化速度也会很慢；当人与机器人发生意外碰撞时，人没有足够的时间准备碰撞，机器人与人之间的干扰碰撞可以看作是一种脉冲；通过频域分析我们发现碰撞在出现在滑动窗口时外力矩的高频分量会立即增大，提出了一种基于外力信号中碰撞频率分量随时间变化率的碰撞检测方式为
[0009][0010]所述机器人反应动作设计，机器人后退方向为[F
ex
/|F
e
|F
ey
/|F
e
|F
ez
/|F
e
|]T
，其中笛卡尔空间中，机器人的后退轨迹为
[0011]关节空间内的后退轨迹为物体的刚度可由发生碰撞时的机器人运行速度大小与接触力大小估算，即：
[0012]所述硬件部分包括机械臂模块、底盘运动模块、转接板模块、树莓派主板模块、机器视觉摄像头模块、FPV摄像头模块、VR眼镜模块、机械骨骼模块。
[0013]所述机械臂模块采用六自由度机械臂，所述底盘运动模块通过Arduino控制，所述转接板模块为STM32F103VCT6，所述树莓派主板模块为Raspberry PI3B+；
[0014]所述机械臂模块的多自由度机械臂的主控芯片为STM32F103VCT6，驱动方式有自动和手动：自动由树莓派发送的运动指令驱动该机械臂；手动由姿态传感器发送运动指令，STM32F103VCT6通过蓝牙接收指令信息驱动该机械臂；
[0015]所述底盘运动模块集成了Arduino Mega2560核心电路板，底盘接收到来自树莓派或手柄的运动指令，通过引脚发送控制指令25、26、47、48.55、56、78、79、80、83、92、93控制六个35电机运转，从而驱动整体进行运动；
[0016]所述转接板模块，VR机器人通信转接板采用STM32F103VCT6作为主控制器供电电压为12V通信接口包涵Uart4、IICX2、无线接口音频接口；
[0017]所述树莓派主板模块中视觉处理模块采用的Raspberry PI3B+，搭载了Broadcom BCM2837；
[0018]所述FPV摄像头模块，Crazepony的FPV摄像头采用按钮式调频；
[0019]所述机械骨骼模块，可穿戴式机械骨骼搭载STM32F103VCT6的MCU通过蓝牙来发送传感器的命令,以此控制机器人完成一系列操作指令。
[0020]所述软件部分的系统底盘控制软件采用C语言进行开发,应用软件部分采用Python结合OpenCV库进行运动控制和物品识别；
[0021]程序具体步骤如下：
[0022]S1：机器人进入运行状态；设定红色阈HSV颜色模型值；设定尺寸；打开摄像头；等待两秒；获得手动抓物体大小的标定值；
[0023]S2：初始化串口；打开串口；执行程序；检测摄像头
[0024]S3：红点标出图像的中心坐标；根据阈值构建蒙版掩膜腐蚀操作，去除噪点轮廓检测；
[0025]S4：抓取物品；
[0026]S5：放置物品，机械臂回到初始位置，结束程序。
[0027]所述τ
min
和τ
max
根据关节低速运动时外力矩噪声均值对于不同关节取值；由于外力矩的低频分量主要是由人有意识接触或负载变化引起的，而超高频分量则是由噪声引起的；定义积分区间[ω
min
，ω
max
]，频率上限ω
max
用于过滤噪声，频率下限ω
min
用于过滤力矩缓慢变化。
[0028]所述为发生碰撞的关节i坐标系至基坐标系的坐标变化矩阵，q为机器人各关节
的位置，v为机器人碰撞位置后退的速度，当机器人所撞物体刚度较大时，机器人易与物体维持较大的接触力，这个时候后退速度v要设置一个较大的值，使得接触力快速减小；当机器人所撞物体刚度较小时，机器人与物体维持的接触力较小，这个时候后退速度v要设置一个较小的值，防止速度过快发生其他碰撞。
[0029]所述σ
*
并不是物体的实际刚度，而是根据碰撞力和碰撞速度计算的刚度估计值，|F
e
|为碰撞力大小；v
r
为碰撞时机器人碰撞位置的速度；t
*
为控制系统检测到碰撞力上升到最大值的时间。
[0030]本专利技术的有益效果：
[0031]本专利技术提出了外力矩高频分量求导的检测方法，并结合机器人实际运行数据证实该方法能够准确及时的识别出碰撞产生的高频信号。设计了受到碰撞的后退轨迹，使得控制具有的柔顺度，能根据用户的喜好调节，从而起到保护机器人不受外力碰撞而损坏。
[0032]本专利技术采用开源平台开发可有效降低研发成本，基于VR人机交互技术提升用户体验，帮助疾病人群体会高科技带来的便捷，解决生活当中的实际问题，带来更好的生活服务。
具体实施方式
[0033]下面对本专利技术作进一步说明。
[0034]一种基于VR技术的工业机器人控制系统，其特征在于：包括VR设备、系统设计、结合频域分析的碰撞模块、机器人防撞反应动作设计；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
BCM2837；所述FPV摄像头模块，Crazepony的FPV摄像头采用按钮式调频；所述机械骨骼模块，可穿戴式机械骨骼搭载STM32F103VCT6的MCU通过蓝牙来发送传感器的命令,以此控制机器人完成一系列操作指令。4.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的工业机器人控制系统，其特征在于：所述软件部分的系统底盘控制软件采用C语言进行开发,应用软件部分采用Python结合OpenCV库进行运动控制和物品识别；程序具体步骤如下：S1：机器人进入运行状态；设定红色阈HSV颜色模型值；设定尺寸；打开摄像头；等待两秒；获得手动抓物体大小的标定值；S2：初始化串口；打开串口；执行程序；检测摄像头；S3：红点标出图像的中心坐标；根据阈值构建蒙版掩膜腐蚀操作，去除噪点轮廓检测；S4：抓取物品；S5：放置物品，机械臂回到初始位置，结束程序。5.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的工业机器人控制系统，其特征在于：所述τ
min
和τ
max
根据关节低速运动时外力矩噪声均值对于不同关节取值；由于外力矩的低频分量主要是由人有意识接触或负载变化引起的，而超高频分量则是由噪声...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕云，赵帅，
申请(专利权)人：长沙宏达威爱信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：