CN105479490A - 一种双机器人实时动态避障装置及其避障方法 - Google Patents

一种双机器人实时动态避障装置及其避障方法 Download PDF

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杨吉祥
苏畅
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Abstract

本发明公开了一种双机器人实时避障装置及避障方法，避障装置包括避障主控模块，避障主控模块包括依次相连的位置检测模块、碰撞检测模块以及动态避障模块，位置检测模块与双机器人本体的电机通信，实时采集双机器人本体的位置信息，碰撞检测模块接收位置检测模块发送的位置信息，并与双机器人本体发生碰撞的安全距离进行比较，动态避障模块接收碰撞检测模块的比较值进行双机器人本体的避障路径规划并将其发送于双机器人本体的电机驱动器执行新的避障路径。按照本发明实现的双机器人实时避障装置及避障方法，能够减少避障过程中的机器人等待时间，实现实时动态避障，由此提高双机器人的工作效率。

Description

一种双机器人实时动态避障装置及其避障方法
技术领域
本发明属于工业机器人控制领域，更具体地，涉及一种双机器人实时动态避障装置及其避障方法。
背景技术
目前，传统机器人行业使用的都是单臂机器人，也就是工作位置固定，机器人末端安装相应的工具，运动到工作位置来进行相应的搬运、装配、焊接、打磨等工作。而随着对加工效率的提高，一般在加工操作中都需要进行多个机器人的协同操作，而现有的双工业机器人协同工作时，每个机器人都由自己的控制器独立控制。为了防止发生碰撞，当一个单臂机器人要进入某一个共同工作区域时，必须实时发送碰撞信号到另外一台单臂机器人进行确认，并且必须待一个机器人退出该共同工作区域后，另外一台机器人才能进入工作，因此双机器人协作过程中存在等待，导致其工作效率存在很大的瓶颈。
基于智能避障***的双臂机器人，可以实现一个机器人在搬运、装配、焊接或者打磨工件时，另一个机器人可以在同一区域进行加工操作，不存在碰撞等候区，更好地满足了工业生产过程的多机器人机协同工作能力。
目前现有技术中申请号为201010615758.8，公开号为CN101512453B，名称为“避免工业机器人与物体之间碰撞的方法和设备”的专利文献提供了机器人对碰撞预测的可能性，该技术的局限性体现在于，不能实现动态的避障，当预测到机器人与周围物体发生碰撞时，仅发信号给机器人让其停止运动，无法保证两机器人协同工作的连续性；另外一篇申请号201510079471.0，公开号CN104760043A，名称为“一种基于智能避障***的双臂机器人控制器”，该技术解决了双臂机器人的无碰撞运动规划，该种避障技术的局限在于机器人必须按照预先离线编程规划好的路径工作，不能在实际工作过程中进行实时碰撞检测及动态避免碰撞。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双机器人实时动态避障装置及其避障方法，其目的在于减少避障过程中的机器人等待时间，实现实时动态避障，由此提高双机器人的工作效率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双机器人实时避障装置，其特征在于，所述避障装置包括避障主控模块，实现所述避障主控模块与外部设备及所述机器人本体通信的通讯模块以及输入输出模块，所述避障主控模块包括依次相连的位置检测模块、碰撞检测模块以及动态避障模块，所述位置检测模块与所述双机器人本体的电机通信，实时采集所述双机器人本体的位置信息，所述碰撞检测模块接收所述位置检测模块发送的所述位置信息，并与所述双机器人本体发生碰撞的安全距离进行比较，所述动态避障模块接收所述碰撞检测模块的比较值进行所述双机器人本体的避障路径规划并将其发送于所述双机器人本体(9,11)的电机驱动器执行新的避障路径。
进一步地，所述安全距离的定义如下：对所述双机器人本体的大臂、小臂以及手腕进行包络体表达，所述包络体中间由圆柱体组成，所述包络体的两端由球体组成，所述安全距离由所述包络体的尺寸距离表达。
进一步地，所述避障路径规划的执行可由其中之一的所述机器人本体完成或者由两者共同完成。
进一步地，所述位置信息包括角度信息和角速度信息。
本发明还公开了一种双机器人的实时动态避障方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)获取所述双机器人本体的位置信息；
(2)根据所述步骤(1)中获取的位置信息来进行是否需要避障的判断；
(3)如果经过所述步骤(2)的判断之后需要避障，则实时进行新的路径规划，并发送所述路径规划于所述机器人本体执行。
进一步地，所述步骤(2)中的避障判断的步骤如下：
获取2个机器人各自的6个关节角度值。这些关节角度值，确定了每个机器人大臂13、小臂14和手腕15在空间中的位置。根据2个机器人的大臂13、小臂14和手腕15在空间中的位置，我们计算机器人1的大臂13与机器人2的大臂13的距离D1、机器人1的大臂13与机器人2的小臂14的距离D2，机器人1的大臂13与机器人2的手腕15的距离D3，机器人1的小臂14与机器人2的大臂13的距离D4，机器人1的小臂14与机器人2的小臂14的距离D5，机器人1的小臂14与机器人2的手腕15的距离D6，机器人1的手腕15与机器人2的大臂13的距离D7，机器人1的手腕15与机器人2的小臂14的距离D8，机器人1的手腕15与机器人2的手腕15的距离D9，同时计算机器人1的大臂13与机器人2的大臂13的安全距离Dsafe1，机器人1的大臂13与机器人2的小臂14的安全距离Dsafe2，机器人1的大臂13与机器人2的手腕15的安全距离Dsafe3，机器人1的小臂14与机器人2的大臂13的安全距离Dsafe4，机器人1的小臂14与机器人2的小臂14的安全距离Dsafe5，机器人1的小臂14与机器人2的手腕15的安全距离Dsafe6，机器人1的手腕15与机器人2的大臂13的安全距离Dsafe7，机器人1的手腕15与机器人2的小臂14的安全距离Dsafe8，机器人1的手腕15与机器人2的手腕15的安全距离Dsafe9。安全距离等于对应的2个包络体的半径之和。根据D1和Dsafe1、D2和Dsafe2、D3和Dsafe3、D4和Dsafe4、D5和Dsafe5、D6和Dsafe6、D7和Dsafe7、D8和Dsafe8、D9和Dsafe9的大小判断是否即将碰撞，再执行相应的步骤：若D1>Dsafe1、D2>Dsafe2、D3>Dsafe3、D4>Dsafe4、D5>Dsafe5、D6>Dsafe6、D7>Dsafe7、D8>Dsafe8、D9>Dsafe9，则2个机器人之间不会发生碰撞，2个机器人仍按照原来的轨迹运行；反之，2个机器人之间即将发生碰撞，例如D9<＝Dsafe9，即机器人1的手腕15与机器人2的手腕15即将发生碰撞，采取动态避障策略。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供一种具有动态避障功能的双臂机器人控制装置及其避障方法，能够在2个机器人即将发生碰撞时及时规划出新的无碰撞路径，避免碰撞，而不是停止机器人，最大化提高了双机器人的高效性、安全性；此装置的优势在于具有前瞻性，可以提前检测到碰撞的风险，增强了检测到即将碰撞的机会。另外一个优势在于能够实现动态避障；利用具有动态避障功能的该控制装置直接控制两台具备6自由度的机器人，实现对机器人的实时动态避障；并且该避障装置的模块化使得其可以应用于各类安装在同一基座下的机器人，可以涉及的加工操作过程包括打磨、装配、喷涂、焊接等，具有非常广泛的应用范围。
附图说明
图1是按照本发明实现的动态避障装置与双机器人的配合安装示意图；
图2是按照本发明实现的对机器人进行外形包络体生成的示意图；
图3是按照本发明实现的两个机器人进行外形简化的示意图；
图4是按照本发明实现的实时动态避障装置的整体模块结构示意图；
图5是按照本发明实现的具有智能避障功能的机器人的控制方法流程示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-位置检测模块2-碰撞检测模块3-动态避障模块4-动态避障主控模块5-通讯模块6-输入输出模块7-电机驱动器8-电机9-第一机器人本体10-电源模块11-第二机器人本体12-1,12-2-底座13-1,13-2-机器人大臂14-1,14-2-机器人小臂15-1,15-2-机器人手腕
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，首先对该避障装置如何与双机器人实现控制连接的进行说明，其中机器人9和机器人11是按照机器人的运动关节构成对双机器人进行了简化，如图3所示，输入输出模块6和通讯模块5，并且与输入输出模块6和通讯模块5相连的动态避障主控模块4，其中该避障装置通过输入输出模块6分别与两个机器人9和机器人11进行通信输出控制，并且还能通过通讯模块5以及输入输出模块6与外接的设备进行通信。
如图2所示，是按照现有技术中的机器人的运动关节来进行机器人的简化示意图，所述机器人包括两台机器人机械本体9和11、电机驱动器7，电机8，所述两台机器人机械本体分别具备6个自由度，所述机器人本体由两台安装在一个基座上的具备6个自由度的机器人组成，其中自由度包括底座12，大臂13，小臂14，手腕15旋转，手腕15摆动，手腕15回传，电机驱动模块7接收控制器的命令，驱动电机8转动，电机通8过机械传动驱动机器人机械本体9和11的轴转动，6自由度工业机器人按照结构分，可以分成底座12、大臂13、小臂14、手腕15共4个主要的部分，在这种情况下，对机器人大臂13、小臂14和手腕15都具有一定的几何形状和尺寸，根据这些参数，机器人的大臂13、小臂14和手腕15各自用一个封闭的包络体来表示，该包络体两端由球体组成，中间由圆柱体组成，圆柱体和球体的半径根据机器人的几何形状来确定，圆柱体可以用其中心线表示，球体用其球心表示，因此每个防护区就可以用一条线段来表示，机器人简化成一些列的线段，线段相连的地方为机器人的关节，如图3所示。
在运动过程中,底座12的位置是固定的，机器人发生碰撞取决于大臂13、小臂14、手腕15在空间中的相对位置，因此,机器人大臂13、小臂14和手腕15需要判断是否将发生碰撞。大臂13在空间中的位置与机器人前2个关节的角度A1和A2有关系，小臂14在空间中的位置与机器人的前3个关节的角度A1、A2、A3有关系，手腕15在空间中的位置与机器人6个关节的角度A1、A2、A3、A4、A5、A6均有关系，机器人大臂13、小臂14和手腕15都具有一定的几何形状和尺寸，根据这些参数以及上述的机器人包络体的抽象来进行实时避障的规划。
其中如图4所示，是对按照本发明实现的双机器人实时动态避障装置的整体模块结构示意图，首先该实时避障装置包括分别与第一及第二机器人的电机8-1、8-2相连的位置检测模块1，用于对电机的驱动操作下的机器人本体的位置进行实时的检测测量，其中碰撞检测模块2与位置检测模块1相连，对位置检测模块1采集到的位置信息进行是否发生碰撞的评估，其中动态避障运算模块3与碰撞检测模块2相连，用于接收碰撞检测模块2的信息，并且对第一和第二两个机器人的运动路径进行重新的避障规划，其中位置检测模块1、碰撞检测模块2及动态避障运算模块3共同组成避障模块4，而通讯模块5通过避障模块4与第一及第二机器人的电机驱动器7进行信息通信，电机驱动器7-1,7-2驱动电机8-1,8-2对机器人进行避障规划路线之后的运动路线进行动作，由此实现动态实时的避障操作。
其中位置检测模块1通过检测机器人当前的位置和角速度，通过碰撞检测模块2判断2个机器人是否发生碰撞，如果将要发生碰撞，则启动避障算法，动态避障模块3规划出新的无碰撞路径，并发送给机器人；输入输出模块6允许接收外部指令和输出状态信息，通讯模块5实现与机器人以及外部网络设备的实时通讯，电源模块则为整个避障工作装置提供工作电源。
更为具体的实现方式，位置检测模块1包括角度传感器、角速度传感器，用来根据当前机器人的位置信息和速度信息，手段是实时采集各关节的角度和角速度；
碰撞检测模块2，根据机器人的几何模型，机器人的位置信息以及机器人即将进行的未规避碰撞的操作路径，判断所述机器人是否存在碰撞；
动态避障模块3规划计算出无碰撞的路径,并将该路径实时通过通讯模块5传送于电机驱动器7，对两个机器人的路径进行规划，当然，在实际的规划过程中，动态避障模块3计算出的机器人的避障运动量并不仅仅限于两个机器人，可以只控制其中一个机器人的避障动作从而实现避障，这种选择性的控制根据实际的情况来进行控制调整。
图式中相同的号码代表相同或相似的组件。另一方面，众所周知的组件与步骤并未描述于实施例中，以避免对本发明造成不必要的限制。
如图5所示，是按照本发明实现的避障装置进行避障的实现方法，其中位置检测模块1在整个机器人的加工过程中实时地进行信号的采集，所述碰撞检测模块2根据机器人的几何模型和机器人9和11当前的位置信息和角速度信息，判断所述机器人是否存在碰撞；所述动态避障模块3规划无碰撞的路径，并实时发送给驱动器7，通过驱动模块7驱动机器人本体9和11运动；同时输入输出模块6允许接受一些外部指令和输出一些状态信息，通讯模块5则负责与机器人和外部网络设备进行通讯。
按照本发明实现的实时动态避障装置的工作过程及计算原理如下：
在运动过程中,底座12的位置是固定的，机器人发生碰撞取决于大臂13、小臂14、手腕15在空间中的相对位置，因此,机器人大臂13、小臂14和手腕15需要判断是否将发生碰撞。大臂13在空间中的位置与机器人前2个关节的角度A1和A2有关系，小臂14在空间中的位置与机器人的前3个关节的角度A1、A2、A3有关系，手腕15在空间中的位置与机器人6个关节的角度A1、A2、A3、A4、A5、A6均有关系。。
当双机器人在同一工作空间工作时，如果不对机器人进行碰撞检测和采取避碰措施，则容易导致机器人之间发生碰撞，从而对机器人产生难以修复的损坏。因此当2个机器人在同一工作空间协同工作时，需要对2个机器人进行碰撞检测，以及即将发生碰撞时对2个机器人进行动态避碰运动规划。
在机器人的一个执行周期内，获取2个机器人各自的6个关节角度值。这些关节角度值，确定了每个机器人大臂13、小臂14和手腕15在空间中的位置。根据2个机器人的大臂13、小臂14和手腕15在空间中的位置，我们计算机器人1的大臂13与机器人2的大臂13的距离D1、机器人1的大臂13与机器人2的小臂14的距离D2，机器人1的大臂13与机器人2的手腕15的距离D3，机器人1的小臂14与机器人2的大臂13的距离D4，机器人1的小臂14与机器人2的小臂14的距离D5，机器人1的小臂14与机器人2的手腕15的距离D6，机器人1的手腕15与机器人2的大臂13的距离D7，机器人1的手腕15与机器人2的小臂14的距离D8，机器人1的手腕15与机器人2的手腕15的距离D9，同时计算机器人1的大臂13与机器人2的大臂13的安全距离Dsafe1，机器人1的大臂13与机器人2的小臂14的安全距离Dsafe2，机器人1的大臂13与机器人2的手腕15的安全距离Dsafe3，机器人1的小臂14与机器人2的大臂13的安全距离Dsafe4，机器人1的小臂14与机器人2的小臂14的安全距离Dsafe5，机器人1的小臂14与机器人2的手腕15的安全距离Dsafe6，机器人1的手腕15与机器人2的大臂13的安全距离Dsafe7，机器人1的手腕15与机器人2的小臂14的安全距离Dsafe8，机器人1的手腕15与机器人2的手腕15的安全距离Dsafe9。安全距离等于对应的2个包络体的半径之和。根据D1和Dsafe1、D2和Dsafe2、D3和Dsafe3、D4和Dsafe4、D5和Dsafe5、D6和Dsafe6、D7和Dsafe7、D8和Dsafe8、D9和Dsafe9的大小判断是否即将碰撞，再执行相应的步骤：若D1>Dsafe1、D2>Dsafe2、D3>Dsafe3、D4>Dsafe4、D5>Dsafe5、D6>Dsafe6、D7>Dsafe7、D8>Dsafe8、D9>Dsafe9，则2个机器人之间不会发生碰撞，2个机器人仍按照原来的轨迹运行；反之，2个机器人之间即将发生碰撞，例如D9<＝Dsafe9，即机器人1的手腕15与机器人2的手腕15即将发生碰撞，采取动态避障策略。
在机器人执行路径规划的过程中，可以采取下列三种不同的方案来实现：
(1)2个机器人同时进行路径规划
对机器人1进行路径规划时，将机器人2视作障碍物。根据机器人2在空间中的位置，结合机器人1的目标位置，规划出下一个执行周期机器人1的6个关节的角度值；同理对机器人2进行路径规划时，将机器人1视作障碍物。根据机器人1在空间中的位置，结合机器人2的目标位置，规划出下一个执行周期机器人2的6个关节的角度值。将前面生成的机器人1的关节角度值发送给机器人1，机器人2的关节角度值发送给机器人2。在下一个执行周期内，机器人1和机器人2按照给定的运动命令执行。同时控制器检测根据2个机器人当前的关节角度值和角速度，判断是否将发生碰撞，如果没有则继续执行原来的路径；如果有发生碰撞的可能，则再次执行上述方法，规划下一个执行周期内机器人的路径。
(2)2个机器人中的其中一个机器人进行路径规划
对机器人1进行路径规划时，将机器人2视作障碍物。根据机器人2在空间中的位置，结合机器人1的目标位置，规划出下一个执行周期机器人1的6个关节的角度值；同理对机器人2进行路径规划时，将机器人1视作障碍物。或者根据机器人1在空间中的位置，结合机器人2的目标位置，规划出下一个执行周期机器人2的6个关节的角度值。将前面生成的机器人1的关节角度值发送给机器人1，或者是机器人2的关节角度值发送给机器人2。在下一个执行周期内，机器人1或机器人2按照给定的运动命令执行，同时实时监测各个关节角度值和角速度，判断是否将发生碰撞，如果没有则继续执行原来的路径；如果有发生碰撞的可能，则再次执行上述方法，规划下一个执行周期内机器人的路径。
当然，在上述路径规划的过程中，为了在避障过程中，对机器人的加工操作不停止，需要对上述的安全距离预留出动态避障装置反应的时间内，两个机器人相对运动产生的距离，因此，为更好地实现避障，最好是在安全距离的基础之上再进行一个避障模块反应时间的运动距离的安全距离的保留，由此可以实现更加稳定可靠的实时动态的避障。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双机器人实时避障装置，其特征在于，所述避障装置包括避障主控模块(4)，实现所述避障主控模块(4)与外部设备及所述机器人本体(9,11)通信的通讯模块(5)以及输入输出模块(6)，所述避障主控模块(4)包括依次相连的位置检测模块(1)、碰撞检测模块(2)以及动态避障模块(3)，所述位置检测模块(1)与所述双机器人本体(9,11)的电机(8)通信，实时采集所述双机器人本体(9,11)的位置信息，所述碰撞检测模块(2)接收所述位置检测模块(1)发送的所述位置信息，并与所述双机器人本体(9,11)发生碰撞的安全距离进行比较，所述动态避障模块(3)接收所述碰撞检测模块(2)的结果进行所述双机器人本体(9,11)的避障路径规划，并将所述避障路径规划发送于所述双机器人本体(9,11)的电机驱动器(7)，驱动所述双机器人本体(9,11)执行所述避障路径。
2.如权利要求1所述的双机器人实时避障装置，其特征在于，所述安全距离的定义如下：对所述双机器人本体(9,11)的大臂(13)、小臂(14)以及手腕(15)进行包络体表达，所述包络体中间由圆柱体组成，所述包络体的两端由球体组成，所述安全距离由所述包络体的尺寸距离表达。
3.如权利要求1或2所述的双机器人实时避障装置，其特征在于，所述安全距离为任何一所述所述双机器人本体(9,11)的所述包络体不发生碰撞叠加。
4.如权利要求3所述的双机器人实时避障装置，其特征在于，所述避障路径规划的执行可由其中之一的所述机器人本体完成或者由两者共同完成。
5.如权利要求4所述的双机器人实时避障装置，其特征在于，所述位置信息包括角度信息和角速度信息。
6.一种双机器人的实时动态避障方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)获取所述双机器人本体(9,11)的位置信息；
(2)根据所述步骤(1)中获取的位置信息来进行是否需要避障的判断；
(3)如果经过所述步骤(2)的判断之后需要避障，则实时进行新的路径规划，并发送所述路径规划于所述机器人本体(9,11)执行。
7.如权利要求6所述的双机器人的实时动态避障方法，其特征在于，所述步骤(2)中的避障判断的执行过程如下：对所述双机器人本体(9,11)的大臂(13)、小臂(14)以及手腕(15)进行包络体表达，所述包络体中间由圆柱体组成，所述包络体的两端由球体组成，所述安全距离为任何一所述所述双机器人本体(9,11)的所述包络体不发生碰撞叠加，以所述安全距离来进行避障判断。
8.如权利要求7所述的双机器人的实时动态避障方法，其特征在于，所述步骤(2)中的避障判断的具体如下：
获取所述双机器人本体(9,11)各自的6个关节角度值，确定每个机器人的大臂(13)、小臂(14)和手腕(15)在空间中的位置，计算第一机器人本体(9)的所述大臂(13-1)与第二机器人本体(11)的所述大臂(13-2)的距离D1及安全距离Dsafe1、所述第一机器人本体(9)的所述大臂(13-1)与所述第二机器人本体(11)的所述小臂(14-2)的距离D2及安全距离Dsafe2，所述第一机器人本体(9)的所述大臂(13-1)与所述第二机器人本体(11)的所述手腕(15-2)的距离D3及安全距离Dsafe3，所述第一机器人本体(9)的所述小臂(14-1)与所述第二机器人本体(11)的所述大臂(13-2)的距离D4及安全距离Dsafe4，所述第一机器人本体(9)的所述小臂(14-1)与所述第二机器人本体(11)的所述小臂(14-2)的距离D5及安全距离Dsafe5，所述第一机器人本体(9)的所述小臂(14-1)与所述第二机器人本体(11)的所述手腕(15-2)的距离D6及安全距离Dsafe6，所述第一机器人本体(9)的所述手腕(15-1)与所述第二机器人本体(11)的所述大臂(13-2)的距离D7及安全距离Dsafe7，所述第一机器人本体(9)的所述手腕(15-1)与所述第二机器人本体(11)的所述小臂(14-2)的距离D8及安全距离Dsafe8，所述第一机器人本体(9)的所述手腕(15-1)与所述第二机器人本体(11)的所述手腕(15-2)的距离D9及安全距离Dsafe9，所述安全距离等于相应的2个包络体的半径之和，根据所述D1和Dsafe1、D2和Dsafe2、D3和Dsafe3、D4和Dsafe4、D5和Dsafe5、D6和Dsafe6、D7和Dsafe7、D8和Dsafe8、D9和Dsafe9的大小判断是否即将碰撞：若D1>Dsafe1、D2>Dsafe2、D3>Dsafe3、D4>Dsafe4、D5>Dsafe5、D6>Dsafe6、D7>Dsafe7、D8>Dsafe8、D9>Dsafe9，则不会发生碰撞，仍按照原来的轨迹运行；反之，则即将发生碰撞，则执行所述步骤(3)。
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Date Code Title Description
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20160413

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication