一种基于投影和距离判断的工业机器人碰撞预测方法

摘要

一种基于投影和距离判断的工业机器人碰撞预测方法，对于运行过程中可能发的碰撞，采用一种检测关节投影干涉情况然后判断关键点距离的方法进行碰撞检测：将机器人关节向速度向量的法平面投影，若关节投影发生干涉则对关节轴线上各关键点最短距离进行判断，若小于运行时的安全距离则认为存在碰撞的风险。本发明提供了一种控制精度较高、有效实现避障、安全性较高的基于投影和距离判断的工业机器人碰撞预测方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种工业机器人碰撞预测方法，尤其是一种两个工业机器人在同一工作空间运动时的碰撞预测方法。

背景技术

近十几年工业机器人的制造和控制技术发展迅速，已经广泛地应用于汽车制造业并能达到很高的控制精度。随着我国劳动力成本增加，在“机器换人”和产业升级的要求下各行业的自动化生产水平亟需提高。应用工业机器人能够避免重复繁琐的人工劳动、实现高稳定、高精度生产，从而使工作效率得到很大提升。对单个机器人的路径、轨迹规划大多能通过人工示教完成，所以已经有越来越多的工厂使用可编程的工业机器人代替生产线上的人工。但是对于一类需要两个机器人互相协调配合才能完成的任务，如何让机器人既能够自主避免可能出现的干涉和碰撞又能快速准确地完成任务，这便要求机器人在协作运动的同时能够对可能出现的碰撞作出可靠的预测。

发明内容

为了克服已有工业机器人轨迹规划方法中无法有效预测碰撞、安全性较低的不足，本发明提供了一种控制精度较高、有效实现碰撞预测、安全性较高的基于投影和距离判断的工业机器人碰撞预测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于投影和距离判断的工业机器人碰撞预测方法，对于运行过程中可能发的碰撞，采用一种检测关节投影干涉情况然后判断关键点距离的方法进行碰撞检测：将机器人关节向速度向量的法平面投影，若关节投影发生干涉则对关节轴线上各关键点最短距离进行判断，若小于运行时的安全距离则认为存在碰撞的风险。

进一步，所述碰撞预测方法包括以下步骤：

步骤1：机器人关节标准化处理

对于两个机器人同时作业，按照关节几何形状，采用半球端面圆柱体包络两个关节从而得到标准化后的关节边界。

步骤2：求解运动过程中的安全距离

将两球面端点连线得到关节轴线，计其长度为l_i，i＝1,2；并得到圆柱体半径为r_i，在各轴线按等间距取个点作为计算关节距离的关键点记为根据关节轴线上所取关键点可得两关节碰撞时的临界距离：

根据d_hit设定碰撞检测的极限距离d_lim＝k₁*d_hit以及安全距离d_safe＝k₂*d_hit，k₁,k₂为安全系数；

步骤3：碰撞预测

根据关节角位移以及瞬时角速度可由正运动学求解得各关键点的笛卡尔坐标以及关节末端速度向量V_F，将投影到V_F向量的法平面得到关键点的投影点判断各投影点之间的最小距离d′若：

则说明两个关节在速度向量法平面的投影发生干涉，则进一步判断各关节关键点之间最短距离d，若有：

d＝min{‖P₁₁-P₂₁‖,‖P₁₁-P₂₂‖,‖P₁₁-P₂₃‖…‖P₁₁-P₂₄‖}<d_safe

则判定为有可能碰撞的危险状态，否则认为是安全运行。

本发明的技术构思为：通过判断关节在运动方向向量法平面上投影的干涉情况以及关节上所选点的距离完成碰撞检测。

本发明的有益效果主要表现在：提出了一种检测关节投影干涉情况然后判断关键点距离的方法进行碰撞检测，相较于单纯的最短距离检测能够更有效地完成机器人关节运动过程的碰撞检测；

附图说明

图1为碰撞检测流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，一种基于投影和距离判断的工业机器人碰撞预测方法，对于运行过程中可能发的碰撞，采用一种检测关节投影干涉情况然后判断关键点距离的方法进行碰撞检测：将机器人关节向速度向量的法平面投影，若关节投影发生干涉则对关节轴线上各关键点最短距离进行判断，若小于运行时的安全距离则认为存在碰撞的风险。

所述工业机器人碰撞预测方法的过程为：首先，对机器人关节进行标准化处理，然后检测关节投影干涉情况通过判断关键点距离进行碰撞检测：将机器人关节向速度向量的法平面投影，若关节投影发生干涉则对关节轴线上各关键点最短距离进行判断，若小于运行时的安全距离则认为存在碰撞的风险。

对于两个机器人同时作业，其各关节为复杂的圆周运动，在这样的运动状态下单纯的根据关节间距离并不能准确地预判碰撞的发生。本发明采用一种先检测关节投影干涉情况然后判断关键点之间最短距离的方法完成完成运动过程中的碰撞检测。以两个机器人末端关节为例进行说明：

所述碰撞预测方法包括以下步骤：

步骤1：机器人关节标准化处理

按照关节几何形状，采用半球端面圆柱体包络两个关节从而得到标准化后的关节边界。

步骤2：关键点选取以及碰撞预测安全距离计算

由步骤2标准化处理后，连接两球面端点连线即得到关节轴线，长度为l_i(i＝1,2)；对于圆柱体半径为r_i。在各轴线按等间距取个点作为计算关节距离的关键点记为根据关节轴线上所取关键点可得两关节碰撞时的临界距离：

根据d_hit设定碰撞检测的极限距离d_lim＝k₁*d_hit以及安全距离d_safe＝k₂*d_hit，k₁,k₂为安全系数可根据实际选取大于1的常数。

步骤3：碰撞预测

处于运动状态的工业机器人，根据其关节角位移以及瞬时角速度可由正运动学求解得各关键点的笛卡尔坐标以及关节末端速度向量V_F。将步骤2中得到的关键点投影到V_F向量的法平面得到关键点的投影点判断各投影点之间的最小距离d′若：

则说明两个关节在速度向量法平面的投影发生干涉，则进一步判断各关节关键点之间最短距离d，若有：

d＝min{‖P₁₁-P₂₁‖,‖P₁₁-P₂₂‖,‖P₁₁-P₂₃‖…‖P₁₁-P₂₄‖}<d_safe

则判定为有可能碰撞的危险状态否则认为是安全运行。