CN113843786A

CN113843786A - 一种用于蛇行柔性机械臂的人机交互控制方法及***

Info

Publication number: CN113843786A
Application number: CN202010599374.5A
Authority: CN
Inventors: 谢海波; 王程; 王承震; 徐贤统
Original assignee: Hangzhou Yourong Zhikong Technology Co ltd
Current assignee: Hangzhou Yourong Zhikong Technology Co ltd
Priority date: 2020-06-28
Filing date: 2020-06-28
Publication date: 2021-12-28

Abstract

本发明提供一种用于蛇行柔性机械臂的人机交互控制方法及***，涉及机械臂控制技术领域，所述机械臂包括水平滑台、驱动模块以及若干关节；若干关节串联设置于驱动模块上，驱动模块滑动设置于水平滑台上；所述机械臂的人机交互控制方法包括步骤1：通过操作手柄发送运动指令到机械臂；步骤2：机械臂识别运动指令，并且执行“末端弯曲”、“蛇行前行”、“蛇行退后”、“末端平移”四个动作。本发明通过末端跟随运动方法穿越障碍物到达目标位置，只需要控制末端的方向和整体的前进后退，其余各关节都跟随末端的路径，因此主要末端关节不接触障碍物，其余各个关节可以实现自动避障，特别适用于基于视觉反馈的手动控制，具有操作简单、效率高的优点。

Description

一种用于蛇行柔性机械臂的人机交互控制方法及***

技术领域

本发明涉及机械臂控制技术领域，特别是涉及一种用于蛇行柔性机械臂的人机交互控制方法及***。

背景技术

机械臂多数超过十个自由度，适合在狭小的环境下使用，相比传统关节型工业机器人可实现灵活避障、穿越孔洞等操作。但同样的由于其自由度太多，导致控制过程较为繁琐，尤其在手动控制时简单的示教控制方式已不再适用，需要一种控制量少且高效的控制方法。因此研究机械臂的运动控制方法具有重要意义。

机械臂的导航方法可分为自动导航和手动控制导航两大类，自动导航在已知环境的情况下进行路径规划，因此首先需要对环境进行建模，在很多场景下并不适应；在未知环境的情况下进行自动导航，需要依靠传感器对环境障碍进行检测，实现避障，然而目前自动导航策略并不完善，存在容错性差、效率低、灵活度差等缺点，并没有得到实际应用。相比之下，手动控制更为灵活、效率高、能够适应于更多场合，例如：危险环境勘察、水下作业、特殊场合设备维护等；但是，由于蛇行柔性机械臂通常超过十个自由度，传统七个自由度机械臂的示教控制法已经不再适用，需要一种控制量少且高效的控制方法。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于蛇行柔性机械臂的人机交互控制方法及***，通过安装在机械臂末端的摄像头观察环境中障碍物和目标位置，并且通过末端跟随运动方法穿越障碍物到达目标位置，只需要控制末端的方向和整体的前进后退，其余各关节都跟随末端的路径，因此主要末端关节不接触障碍物，其余各个关节可以实现自动避障，特别适用于基于视觉反馈的手动控制，具有操作简单、效率高的优点。

本发明提供一种用于蛇行柔性机械臂的人机交互控制方法，所述机械臂包括水平滑台、驱动模块以及若干关节；若干关节串联设置于驱动模块上，驱动模块滑动设置于水平滑台上；其特征在于，所述机械臂的人机交互控制方法包括以下步骤：

步骤1：通过操作手柄发送运动指令到机械臂；

步骤2：机械臂识别运动指令，并且执行“末端弯曲”、“蛇行前行”、“蛇行退后”、“末端平移”四个动作，实现在狭小环境中的导航与避障。于本发明的一实施例中，执行“末端弯曲”动作时，调整末端关节轴线方向，并且将轴线方向作为机械臂的前进方向。

于本发明的一实施例中，执行“蛇行前行”动作时，末端关节点沿着末端关节轴向方向前进，其余关节点依次沿着当前路径前进，并且将前进轨迹进行记录；其中，所述当前路径为执行动作时，若干关节的连线。

于本发明的一实施例中，执行“蛇行退后”动作时，所有关节点反向执行记录的前进轨迹。

于本发明的一实施例中，执行“末端平移”动作时，末端关节轴向方向不变，改变末端关节与靠近末端关节的1个或者2个关节的转角。

于本发明的一实施例中，若干关节按照与驱动模块之间的距离大小，分别为第一关节、第二关节、……、末端关节。

于本发明的一实施例中，所述末端关节上设置有摄像头，所述摄像头用于采集末端关节的外部环境图像，并且通过显示屏显示。

于本发明的一实施例中，所述第一关节与驱动模块的连接点、第一关节与第二关节的连接点、......、末端关节的连接点分别为第一关节点、第二关节点、……、末端关节点。

本发明提供一种用于蛇行柔性机械臂的人机交互控制***，所述控制***包括操作手柄和机械臂，所述操作手柄发送运动指令到机械臂，所述机械臂接收运动指令，并且执行“末端弯曲”、“蛇行前行”、“蛇行退后”、“末端平移”四个动作，实现在狭小环境中的导航与避障。

如上所述，本发明的一种用于蛇行柔性机械臂的人机交互控制方法及***，具有以下有益效果：本发明采用“末端弯曲”、“蛇行前行”、“蛇行退后”、“末端平移”四个动作，并且采用操作手柄与显示屏结合的方式解决采用机器视觉下蛇行多自由度机械臂在未知空间内的操控与导航问题，具有操作简单、易上手、效率高、整体结构简单的特点。

附图说明

图1显示为本发明实施例中公开的机械臂的结构示意图。

图2显示为本发明实施例中公开的末端跟随运动控制流程图。

图3显示为本发明实施例中公开的“蛇行前进”与“末端弯曲”一种实施例的示意图。

图4显示为本发明实施例中公开的“蛇行前进”与“末端弯曲”另一种实施例的示意图。

图5显示为本发明实施例中公开的“蛇行后退”实施例的示意图。

图6显示为本发明实施例中公开的“末端平移”实施例的示意图。

图7显示为本发明实施例中公开的控制界面示意图。

图8显示为本发明实施例中公开的操作手柄实施例的示意图。

图9显示为本发明实施例中公开的机械臂完整作业的实施例示意图。

图中标记：101-水平滑台，102-驱动模块，103-关节，104-第一关节点，105-末端关节，106-末端关节点。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种用于蛇行柔性机械臂的人机交互控制方法，请参阅图1，所述机械臂包括一个水平滑台101、一个驱动模块102、若干关节103；若干关节103串联设置于驱动模块102上，驱动模块102水平滑动设置于水平滑台101上；其中，所述机械臂的具体结构以及连接关系参照专利申请文件：可检测关节姿态的高冗余柔性机械臂装置，申请公布号：CN107363820A。

其中，驱动模块102和若干关节103可以在水平滑台101上前进与后退，每个关节103具有两个正交的弯曲自由度，配合若干关节103的动作可以实现“末端弯曲”、“蛇行前行”、“蛇行退后”、“末端平移”四个动作。

具体的，关节103按照与驱动模块102之间的距离分别称为第一关节、第二关节、……、末端关节105；第一关节与驱动模块102之间、第一关节与第二关节的连接点分别命名为第一关节点104、……、末端关节点106。

为了解决多个自由度机械臂人机交互的问题，本发明使用“末端弯曲”、“蛇行前行”、“蛇行退后”、“末端平移”四个动作，实现机械臂在狭小环境中的导航与避障。

其中，“末端弯曲”、“蛇行前行”、“蛇行退后”、“末端平移”四个动作均由弯曲、平动这两个基本动作组合实现；其中，弯曲是指每个关节103都可以实现独立弯曲动作；平动是指若干关节103连同驱动模块102整体可以沿着水平方向前进与后退；

具体的，所述蛇行柔性机械臂的人机交互控制方法包括以下步骤：

步骤一：通过操作手柄发送操控指令到机械臂；

请参阅图8，当向前推动LS，操作手柄发送“蛇行前进”的运动指令到机械臂；当向后推动LS，操作手柄发送“蛇行前进”的运动指令到机械臂；当向前推动RS，操作手柄发送“末端弯曲”的运动指令到机械臂；当同时向前推动RS与LS，操作手柄同时发送“蛇行前进”和“末端弯曲”的运动指令到机械臂；

RB为功能切换按键，当按住RB的情况下，再向前或向后推动LS，机械臂的基座相应前进或后退，机械臂弯曲角度不变；当按住RB的情况下，再向前推动RS，操作手柄同时发送“末端平移”的运动指令到机械臂；LB用于暂时锁定机械臂，当按下LB时，机械臂被锁定，不接收控制指令，保持当前位姿不变，再按下LB时解锁。

步骤二：机械臂识别运动指令，并且执行“末端弯曲”、“蛇行前行”、“蛇行退后”、“末端平移”四个动作，实现在狭小环境中的导航与避障；

(1)执行“末端弯曲”动作时，调整末端关节轴线方向，并且将轴线方向作为机械臂的前进方向；

(2)执行“蛇行前行”动作时，末端关节点沿着末端关节轴向方向前进，其余关节点依次沿着当前路径前进，即实现末端跟随过程，并且将前进轨迹进行记录；其中，所述当前路径为执行动作指令时，若干关节的连线；

请参阅图2，假设机械臂包括三个关节，点a₀为第一关节点，a₃为末端关节点，a₀-a₁-a₂-a₃为的当前路径，相邻两个关节点之间的距离为L，随着机械臂向末端关节点方向前进，a₃平移距离L到达目标G；此过程分为若干步长，如果步长设置为0.1L，则需要10个步长才能达到目标G；

假设步长为Δtip，则a₀-a₁-a₂-a₃沿着当前路径动到b₀-b₁-b₂-b₃，构成新的路径；b₀-b₁-b₂-b₃与a₀-a₁-a₂-a₃构成两个三角形，分别表示为△b₀a₁b₁和△b₁a₂b₂。由于已知当前关节参数，根据正运动学获取点a₀ a₁ a₂ a₃的坐标。在△b₀a₁b₁和△b₁a₂b₂中，利用余弦定理可以得到方程(1)和(2)：

l_a2 ²＝l₂ ²+l_t2 ²-2·l₂·l_t2·cos a₂ (1)；

l_t2+l₁＝L (2)

由于相邻关节点之间的距离为L，a₃向末端关节轴线方向前进，因此l₁+l_t2＝L，l₂＝Δp；

从末端开始，求解每个三角形，l₁可由式(3)计算出：

将方程(3)写作方程(4)：

在解出每个三角形后，使用齐次坐标变换作为方程(5)，得到新的路径b₀-b₁-b₂-b₃…。[p_an]是原始路径中的关节点位置，[p_bn]是新路径中的关节点位置：

在获得新路径各节点的坐标后，最后一步是计算各截面的弯曲角度，可以根据关节位置和关节空间运动学来求解每个截面的两个弯曲角。因此，当机械臂沿着期望的路径前进一定距离时，可以使用几何方法计算新的路径及其相应的排列；由于，已经计算出一个步骤，在下一个步骤中，机械臂应向前推进Δtip*2，直到达到目标点G为止；

这个过程可以写成方程(6)，其中config代表当前路径，target代表机械臂的目标点G，step size代表机械臂的步长。计算到达目标点G时，每一步的弯曲角度θ和基座位移(α，b)：

f(config,target,step size)＝[arrangement(θ,α,b)] (6)；

因此，末端跟随过程可以写成公式(7)

f(config,target,step size)＝f(config(a₀,a₁,a₂,a₃),G,Δtip) (7)；

(3)执行“蛇行退后”动作时，所有关节点反向执行记录的前进轨迹；

(4)执行“末端平移”动作时，末端关节轴向方向不变，改变末端关节与靠近末端关节的1个或者2个关节的转角；

请参阅图3，①～②为执行“末端弯曲”动作指令的一个实施例，末端关节可以向空间中任意一个指定方向弯曲。②～④为执行“蛇行前进”动作指令的一个实施例，末端关节点会沿着末端关节轴线的方向前进，其余关节点则沿着当前路径前进，实现末端跟随的效果。①～④为机械臂先确定弯曲方向再前进的方式接近目标点。

请参阅图4，同时执行“蛇行前进”动作与“末端弯曲”动作指令的一个实施例，操作者先指定一个方向，接着机械臂弯曲与前进同时进行。①～④为机械臂通过弯曲与前进同时进行的方式接近目标点。

请参阅图5，为执行“蛇行后退”动作指令的一个实施例。在经过图4中的动作后，①为机械臂当前姿态，机械臂执行“蛇行后退”动作指令时，反向依次执行记录的前进时的轨迹，如②～④所示。

在接近目标点时，使用上述“蛇行前进”指令接近目标的效率较低，为了快速消除误差，请参阅图6，可采用“末端平移”动作，“末端平移”在保证末端关节轴线方向不变的情况下，通过改变末端关节与靠近末端关节的1～2个关节的转角，微调末端关节在空间中的位置。

具体的，所述机械臂的末端节点上设置有一个摄像机，摄像机可以采集机械臂末端的外部环境图像，并且通过显示器进行显示。通过摄像机采集的图像判断与目标位置的相对距离，并且观察环境障碍；请参阅图7，显示器的界面主要显示摄像机采集到的图像，同时有一个小窗口显示机械臂的当前位姿。

请参阅图9，①～⑧阐述了机械臂的一个典型工作过程，工作目标是进入一个管道，在①～④机械臂先同时执行“蛇行前进”动作与“末端弯曲”动作向上弯曲并前进，在到达一定高度后，⑤～⑥机械臂同时执行“蛇行前进”与“末端弯曲”向下弯曲并前进动作，此时末端关节接近水平但是与目标位置有一定的偏差，此时如⑥～⑦所示，执行“末端平移”动作，末端向下平移与对准目标管道口，最后如⑧所示执行“蛇行前进”，机械臂到达目标位置，执行完动作机械臂可以执行“蛇行后退”按原路径返回。

本发明一种用于蛇行柔性机械臂的人机交互控制***，所述***是基于上述方法实现的，所述控制***包括操作手柄和机械臂，所述操作手柄发送运动指令到机械臂，所述机械臂接收运动指令，并且执行“末端弯曲”、“蛇行前行”、“蛇行退后”、“末端平移”四个动作，实现在狭小环境中的导航与避障。

综上所述，通过安装在机械臂末端的摄像头观察环境中障碍物和目标位置，并且通过末端跟随运动方法穿越障碍物到达目标位置，只需要控制末端的方向和整体的前进后退，其余各关节都跟随末端的路径，因此主要末端不接触障碍物，其余各个关节可以实现自动避障，特别适用于基于视觉反馈的手动控制，具有操作简单、效率高的优点。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种用于蛇行柔性机械臂的人机交互控制方法，所述机械臂包括水平滑台、驱动模块以及若干关节；若干关节串联设置于驱动模块上，驱动模块滑动设置于水平滑台上；其特征在于，所述机械臂的人机交互控制方法包括以下步骤：

步骤1：通过操作手柄发送运动指令到机械臂；

步骤2：机械臂识别运动指令，并且执行“末端弯曲”、“蛇行前行”、“蛇行退后”、“末端平移”四个动作，实现在狭小环境中的导航与避障。

2.根据权利要求1所述的一种用于蛇行柔性机械臂的人机交互控制方法，其特征在于：执行“末端弯曲”动作时，调整末端关节轴线方向，并且将轴线方向作为机械臂的前进方向。

3.根据权利要求2所述的一种用于蛇行柔性机械臂的人机交互方法，其特征在于：执行“蛇行前行”动作时，末端关节点沿着末端关节轴向方向前进，其余关节点依次沿着当前路径前进，并且将前进轨迹进行记录；其中，所述当前路径为执行动作时，若干关节的连线。

4.根据权利要求3所述的一种用于蛇行柔性机械臂的人机交互控制方法，其特征在于：执行“蛇行退后”动作时，所有关节点反向执行记录的前进轨迹。

5.根据权利要求4所述的一种用于蛇行柔性机械臂的人机交互控制方法，其特征在于：执行“末端平移”动作时，末端关节轴向方向不变，改变末端关节与靠近末端关节的1个或者2个关节的转角。

6.根据权利要求5所述的一种用于蛇行柔性机械臂的人机交互控制方法，其特征在于：若干关节按照与驱动模块之间的距离大小，分别为第一关节、第二关节、……、末端关节。

7.根据权利要求6所述的一种用于蛇行柔性机械臂的人机交互控制方法，其特征在于：所述末端关节上设置有摄像头，所述摄像头用于采集末端关节的外部环境图像，并且通过显示屏显示。

8.根据权利要求5所述的一种用于蛇行柔性机械臂的人机交互控制方法，其特征在于：所述第一关节与驱动模块的连接点、第一关节与第二关节的连接点、......、末端关节的连接点分别为第一关节点、第二关节点、……、末端关节点。

9.一种用于蛇行柔性机械臂的人机交互控制***，其特征在于：所述控制***包括操作手柄和机械臂，所述操作手柄发送运动指令到机械臂；所述机械臂接收运动指令，并且执行“末端弯曲”、“蛇行前行”、“蛇行退后”、“末端平移”四个动作，实现在狭小环境中的导航与避障。