机械臂避障方法、装置、机械臂及机器人与流程

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种机械臂避障方法、装置、机械臂及机器人。

背景技术：

机器人是一种能够半自主或全自主工作的智能机器，其具有感知、决策、执行等基本特征，可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作。

现有机器人碰撞检测技术，碰撞检测是通过力传感器检测到力发生了变化或者检测关节电流发生突变来判断机器人是否发生碰撞，障碍物需要与机器人发生碰撞后，才触发紧急停止。

然而，现有的机器人碰撞检测需要与障碍物发生碰撞后，才触发机器人紧急停止。机器人与物品或人发生碰撞后，容易损坏物品，或造成人员受伤。发生碰撞后机器人停止运作，严重时需要检修机器人是否损坏才能继续工作，降低了机器人的工作效率。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提出一种机械臂避障方法，旨在解决上述背景技术中所提出的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种机械臂避障方法，该机械臂避障方法包括：接收电子皮肤模块发送的监测数据；根据所述监测数据判断所述机械臂和与其接近的导体的接近程度；当所述接近程度小于预设阈值时，控制所述机械臂减速并根据所述接近程度确定所述导体的位置信息；基于所述导体的位置信息和所述机械臂的位置信息，控制所述机械臂避开所述导体。

其中，所述电子皮肤模块包括检测电路和与所述检测电路电连接的电极；

所述电极能够与接近的导体构成电容，并将用于表征所述电容或其变化量的电信号传输至所述检测电路；

所述检测电路用于将表征所述电容或其变化量的电信号转换为电容值或其变化量的电信号。

其中，所述基于导体的位置信息和机械臂的位置信息，控制所述机械臂避开所述导体运动包括：

在所述机械臂减速运动过程中，获取所述机械臂的第一位置信息；

根据所述第一位置信息和所述导体的位置信息，规划避开所述导体的第一运动轨迹；

在避开所述导体后，获取所述机械臂的第二位置信息，并根据所述第二位置信息和所述机械臂的目标位置信息规划第二运动轨迹。

其中，所述机器人的减速运动包括加减速段、减加速段和减减速段；

所述机器人在加减速段的运动轨迹为：s1＝s0+v0t1+0.5a0t1²-1/6jeckt1³；

所述机器人在减加速段的运动轨迹为：s2＝s1+v1t2-1/6jeckt2³；

所述机器人在减减速段的运动轨迹为：s3＝s2+v2t3-0.5amt3²+1/6jeckt3³；

所述s0为所述机器人在感知到所述障碍物时的位移，所述v0为所述机器人在感知到所述障碍物时的速度，所述a0为所述机器人在感知到所述障碍物时的加速度，所述jeck为设定加加速度，所述t1为所述机器人的加减速时间，所述v1为所述机器人在加减速段的速度，所述t2为所述机器人的减加速时间，所述v2为所述机器人在减加速段的速度，所述t3为所述机器人的减减速时间，所述am为所述机器人的减加速度。

其中，所述机器人的避障运动包括加加速段、加减速段和匀速段；

所述机器人在加加速段的运动轨迹为：sa1＝1/6jata0³；

所述机器人在加减速段的运动轨迹为：sa2＝sa1+va1ta1-1/6jata1³；

所述机器人在匀速段的运动轨迹为：sa3＝sa2+va2(t-ta0-ta1)；

所述ja为设定加加速度，所述ta0为加加速时间，所述ta1为加减速时间，所述va1加加速段所述机器人的速度，所述va2为加减速段所述机器人的速度。

本发明进一步提出一种机械臂避障装置，该机械臂避障装置包括：

数据接收模块，用于接收电子皮肤模块发送的监测数据；

判断模块，用于根据所述监测数据判断所述机械臂和与其接近的导体的接近程度；

位置获取模块，用于在所述接近程度小于预设阈值时，控制所述机械臂减速并根据所述接近程度确定所述导体的位置信息；

运动控制模块，用于基于所述导体的位置信息和所述机械臂的位置信息，控制所述机械臂避开所述导体。

其中，所述电子皮肤包括检测电路和与所述检测电路电连接的电极；

所述电极能够与接近的导体构成电容，并将用于表征所述电容或其变化量的电信号传输至所述检测电路；

所述检测电路用于将表征所述电容或其变化量的电信号转换为电容值或其变化量的电信号。

其中，所述运动控制模块包括：

位置获取单元，用于在所述机械臂减速运动过程中，获取所述机械臂的第一位置信息；

第一运动轨迹规划单元，用于根据所述第一位置信息和所述导体的位置信息，规划避开所述导体的第一运动轨迹；

第二运动轨迹规划单元，用于在避开所述导体后，获取所述机械臂的第二位置信息，并根据所述第二位置信息和所述机械臂的目标位置信息规划第二运动轨迹。

本发明进一步提出一种机械臂，该机械臂包括：

基座；

运动部件，连接在所述基座上，可相对于所述基座摆动、转动或直线运动；

驱动部件，用于驱动所述运动部件运动或制动所述运动部件；

电子皮肤，覆盖所述运动部件的至少部分表面，用于检测外界导体与所述机械臂的接近程度；

控制系统，用于执行前述各实施例所述的机械臂避障方法，以控制所述运动部件避开所述导体运动。

本发明还提出一种机器人，所述机器人包括前述实施例所记载的机械臂，所述机械臂在运动时执行前述各实施例所记载的机械臂避障方法。

与现有技术相比，本发明实施例的有益技术效果在于：

本发明是基于电子皮肤非接触式感应障碍物，在感应到障碍物后触发机器人避障而非紧急停止，其通过提前规划出避障轨迹，防止与障碍物发生碰撞，以绕行的方式使得机器人不停机的运作，从而提升机器人的工作效率。具体的，机器人在运行过程中若感知到前方存在障碍物，则机器人会按照原先设定的运动轨迹进行减速运动，而在机器人减速运动的过程中，机器人会根据当前位置和障碍物的位置规划出绕开障碍物的避障轨迹，在绕开障碍物后，机器人会再根据其当前位置和目标位置重新规划新的运动轨迹，以控制机器人按照此重新规划的运动轨迹运动至目标位置，从而达到不停机运行的目的。

附图说明

图1为本发明机械臂避障方法第一实施例的流程图；

图2为本发明机械臂避障方法所规划出的运动轨迹；

图3为本发明机械臂避障方法第二实施例的流程图；

图4为本发明机械臂避障装置一实施例的功能模块图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开一种机械臂避障方法，在一实施方式中，参见图1，该机械臂避障方法包括：

步骤s10，接收电子皮肤模块发送的监测数据；

步骤s20，根据监测数据判断机械臂和与其接近的导体的接近程度；

步骤s30，当接近程度小于预设阈值时，控制机械臂减速并根据接近程度确定导体的位置信息；

步骤s40，基于导体的位置信息和机械臂的位置信息，控制机械臂避开导体。

本实施例中，电子皮肤模块包括有覆盖在机械臂上的电极和检测电路，检测电路与电机电连接，电极能够与接近的导体构成电容并将用于表征电容或其变化量的电信号传输至检测电路，检测电路用于将表征电容或其变化量的电信号转换为电容值或其变化量的电信号。

电极具体可以是包覆在机械臂关节表面的铜箔，此仅为示例性的，而非限制性的，铜箔-空气-导体构成电容器，检测电路能够检测出电容或其变化量，从而根据该电容或其变化量判断机械臂和与其接近的导体的接近程度。需要说明的是，电子皮肤模块的感知范围是有限的，只有在预设距离内电子皮肤模块才能够感知到导体的存在，而在导体逐渐接近机械臂时，电子皮肤模块的检测电路所检测到的电容会发生变化。比如，设定电子皮肤模块的感知范围为10厘米，在机械臂运动过程中，若在距离机械臂10厘米以类存在导体，机械臂上的电子皮肤将能够感知到该导体，并在机械臂逐渐接近该导体时能够检测到电容或其变化量。

更具体的，导体可以是人手，在人手逐渐靠近机械臂的过程中，电子皮肤模块能够实时检测由电子皮肤模块与人手所构成电容器的电容变化，根据此电容变化则可判断人手与机械臂的接近程度，机械臂的控制器根据此接近程度，以在人手与机械臂发生碰撞之前，对机械臂的当前运动进行调整，从而避免机械臂与人手发生碰撞。

机械臂在运动之前，先根据当前位置和目标位置设定运动轨迹，再按照此运动轨迹朝向目标位置运动。在运动过程中，通过电子皮肤模块可检测到前方是否存在障碍物，若电子皮肤模块感知到障碍物的存在，则控制机械臂按照原先设定的运动轨迹减速运动，以避免机械臂与前方所存在的障碍物发生碰撞，此减速运动所对应的运动轨迹定义为“减速轨迹”，如图2所示。

机械臂在减速运动的过程中，机械臂会重新规划运动轨迹以避开前方所存在的障碍物，也即避障轨迹，如图2所示。此避障轨迹具体是根据机械臂的当前位置和前方障碍物的位置进行规划的，在避障过程中机械臂的运动方向始终是朝向目标位置的。

本实施例中，假设机械臂原先运动轨迹的起始点是p1，目标点是p2，减速停止点是pn，避障停止点是pm。其中，减速停止点pn是指机械臂在感知到障碍物后按照原先设定的运动轨迹减速停止的位置点，并且在此位置点机械臂没有与障碍物发生碰撞；避障停止点pm是指机械臂按照避障轨迹运动至电子皮肤模块感知不到障碍物时的位置点。在避障停止点pm后，机械臂可根据当前所处的位置点pm和原先运动轨迹的目标点p2重新规划出新的运动轨迹，此重新规划的运动轨迹定义为“恢复轨迹”，如图2所示。

在规划出“恢复轨迹”后，机器人按照此“恢复轨迹”继续运动，若机械臂在次运动过程中再次感知到障碍物，则重新进行减速、避障和恢复，直至机械臂在不与障碍物发生碰撞且不停机运行的前提下运动至目标点。

在一实施例中，参见图3，本发明实施例所提出的基于导体的位置信息和机械臂的位置信息，控制机械臂避开导体运动包括：

步骤s41，在机械臂减速运动过程中，获取机械臂的第一位置信息；

步骤s42，根据第一位置信息和导体的位置信息，规划避开导体的第一运动轨迹；

步骤s43，在避开导体后，获取机械臂的第二位置信息，并根据第二位置信息和机械臂的目标位置信息规划第二运动轨迹。

本实施例中，机械臂在感知到前方存在障碍物时，机械臂开始在原先的运动轨迹上进行减速运动，而在其减速运动过程中，可实时获取机械臂的当前位置信息(第一位置信息)。根据机械臂的当前位置信息和障碍物(导体)的位置信息，便可规划出避开障碍物的第一运动轨迹，在规划出此第一运动轨迹后，机械臂按照第一运动轨迹运动。机械臂在按照第一轨迹运动时，通过电子皮肤模块感知障碍物是否还在机械臂的预设距离内，若电子皮肤模块已感知不到障碍物的存在，则表明机械臂已避开障碍物。此后，再根据机械臂的当前位置信息(第二位置信息)和目标位置信息，重新规划第二运动轨迹，在规划出第二运动轨迹后，机械臂按照第二运动轨迹运动直至到达目标位置。

在另一实施例中，本发明所提出的机械臂的减速运动包括有加减速段、减加速段和减减速段；

机械臂在加减速段的运动轨迹为：s1＝s0+v0t1+0.5a0t1²-1/6jeckt1³；

机械臂在减加速段的运动轨迹为：s2＝s1+v1t2-1/6jeckt2³；

机械臂在减减速段的运动轨迹为：s3＝s2+v2t3-0.5amt3²+1/6jeckt3³；

其中，s0为机械臂在感知到障碍物时的位移，v0为机械臂在感知到障碍物时的速度，a0为机械臂在感知到障碍物时的加速度，jeck为设定加加速度，t1为机械臂的加减速时间，v1为机械臂在加减速段的速度，t2为机械臂的减加速时间，v2为机械臂在减加速段的速度，t3为机械臂的减减速时间，am为机械臂的减加速度。

本实施例中，设机械臂从p1点运行到p2点的轨迹为s(t)，在t0时刻遇到障碍物，此时机械臂的运动速度为v0，加加速度为jeck，其中：

加减速时间t1＝a0/jeck；

加减速时间段速度公式v＝v0+a0(t-t0)-0.5jeck((t-t0)²，(t0＜t＜t0+t1)(1)

加减速时间段位移公式s＝s0+v0(t-t0)+0.5a0(t-t0)²-1/6jeck(t-t0)³，(t0＜t＜t0+t1)(2)

将t0+t1代入公式(1)：v1＝v0+a0t1-0.5jeckt1²

将t0+t1代入公式(2)：s1＝s0+v0t1+0.5a0t1²-1/6jeckt1³

减加速时间和减减速时间

减加速度am＝jeckt2

减加速时间段速度公式v＝v1-0.5jeck(t-t0-t1)²，(t0+t1＜t＜t0+t1+t2)(3)

减加速时间段位移公式s＝s1+v1(t-t0-t1)-1/6jeck(t-t0-t1)³，(t0+t1＜t＜t0+t1+t2)(4)

将t0+t1+t2代入公式(3)：v2＝v1-0.5jeckt2²

将t0+t1+t2代入公式(4)：s2＝s1+v1t2-1/6jeckt2³

减减速时间段速度公式v＝v2-am(t-t0-t1-t2)+0.5jeck(t-t0-t1-t2)²，(t0+t1+t2＜t＜t0+t1+t2+t3)(5)

减减速时间段位移公式s＝s2+v2(t-t0-t1-t2)-0.5am(t-t0-t1-t2)²+1/6jeck(t-t0-t1-t2)³，(t0+t1+t2＜t＜t0+t1+t2+t3)(6)

将t0+t1+t2+t3代入公式(5)：v3＝v2-amt3+0.5jeckt3²

将t0+t1+t2+t3代入公式(6)：s3＝s2+v2t3-0.5amt3²+1/6jeckt3³

在又一实施例中，本发明所提出的避障运动包括有加加速段、加减速段和匀速段；

机械臂在加加速段的运动轨迹为：sa1＝1/6jata0³；

机械臂在加减速段的运动轨迹为：sa2＝sa1+va1ta1-1/6jata1³；

机械臂在匀速段的运动轨迹为：sa3＝sa2+va2(t-ta0-ta1)；

其中，ja为设定加加速度，ta0为加加速时间，ta1为加减速时间，va1加加速段机械臂的速度，va2为加减速段机械臂的速度。

本实施例中，设避障轨迹为sat，避障轨迹最大速度为vam，加加速度为ja，其中：

避障加加速时间和避障加减速时间：

避障加速度：aam＝jata0

加加速时间段避障速度公式：va＝0.5jat²，(0＜t＜ta0)(7)

加加速时间段避障位移公式：sa＝1/6jat²，(0＜t＜ta0)(8)

将ta0代入公式(7)：va1＝0.5jata0²

将ta0代入公式(8)：sa1＝1/6jata0³

加减速时间段避障速度公式：va＝va1+aam(t-ta0)-0.5ja(t-ta0)²，(ta0＜t＜ta0+ta1)(9)

加减速时间段避障位移公式：sa＝sa1+va1(t-ta0)-1/6ja(t-ta0)³，(ta0＜t＜ta0+ta1)(10)

将ta0+ta1代入公式(9)：va2＝va1+aamta1-0.5jata1²

将ta0+ta1代入公式(10)：sa2＝sa1+va1ta1-1/6jata1³

匀速段位移公式：sa3＝sa2+va2(t-ta0-ta1)，(ta0+ta1＜t)(11)

本发明进一步提出一种机械臂避障装置，参见图4，该机械臂避障装置包括：

数据接收模块10，用于接收电子皮肤模块发送的监测数据；

判断模块20，用于根据监测数据判断机械臂和与其接近的导体的接近程度；

位置获取模块30，用于在接近程度小于预设阈值时，控制机械臂减速并根据接近程度确定导体的位置信息；

运动控制模块40，用于基于导体的位置信息和机械臂的位置信息，控制机械臂避开导体。

在一实施例中，本发明所提出的电子皮肤模块包括：

检测电路和与检测电路电连接的电极；

电极能够与接近的导体构成电容，并将用于表征电容或其变化量的电信号传输至检测电路；

检测电路用于将表征电容或其变化量的电信号转换为电容值或其变化量的电信号。

在另一实施例中，本发明实施例所提出的运动控制模块包括：

位置获取单元，用于在机械臂减速运动过程中，获取机械臂的第一位置信息；

第一运动轨迹规划单元，用于根据第一位置信息和导体的位置信息，规划避开导体的第一运动轨迹；

第二运动轨迹规划单元，用于在避开导体后，获取机械臂的第二位置信息，并根据第二位置信息和机械臂的目标位置信息规划第二运动轨迹。

在又一实施例中，本发明所提出的机械臂的减速运动包括有加减速段、减加速段和减减速段；

机械臂在加减速段的运动轨迹为：s1＝s0+v0t1+0.5a0t1²-1/6jeckt1³；

机械臂在减加速段的运动轨迹为：s2＝s1+v1t2-1/6jeckt2³；

机械臂在减减速段的运动轨迹为：s3＝s2+v2t3-0.5amt3²+1/6jeckt3³；

其中，s0为机械臂在感知到障碍物时的位移，v0为机械臂在感知到障碍物时的速度，a0为机械臂在感知到障碍物时的加速度，jeck为设定加加速度，t1为机械臂的加减速时间，v1为机械臂在加减速段的速度，t2为机械臂的减加速时间，v2为机械臂在减加速段的速度，t3为机械臂的减减速时间，am为机械臂的减加速度。

本实施例中，设机器人从p1点运行到p2点的轨迹为s(t)，在t0时刻遇到障碍物，此时机械臂的运动速度为v0，加加速度为jeck，其中：

加减速时间t1＝a0/jeck；

加减速时间段速度公式v＝v0+a0(t-t0)-0.5jeck((t-t0)²，(t0＜t＜t0+t1)(1)

加减速时间段位移公式s＝s0+v0(t-t0)+0.5a0(t-t0)²-1/6jeck(t-t0)³，(t0＜t＜t0+t1)(2)

将t0+t1代入公式(1)：v1＝v0+a0t1-0.5jeckt1²

将t0+t1代入公式(2)：s1＝s0+v0t1+0.5a0t1²-1/6jeckt1³

减加速时间和减减速时间

减加速度am＝jeckt2

减加速时间段速度公式v＝v1-0.5jeck(t-t0-t1)²，(t0+t1＜t＜t0+t1+t2)(3)

减加速时间段位移公式s＝s1+v1(t-t0-t1)-1/6jeck(t-t0-t1)³，(t0+t1＜t＜t0+t1+t2)(4)

将t0+t1+t2代入公式(3)：v2＝v1-0.5jeckt2²

将t0+t1+t2代入公式(4)：s2＝s1+v1t2-1/6jeckt2³

减减速时间段速度公式v＝v2-am(t-t0-t1-t2)+0.5jeck(t-t0-t1-t2)²，(t0+t1+t2＜t＜t0+t1+t2+t3)(5)

减减速时间段位移公式s＝s2+v2(t-t0-t1-t2)-0.5am(t-t0-t1-t2)²+1/6jeck(t-t0-t1-t2)³，(t0+t1+t2＜t＜t0+t1+t2+t3)(6)

将t0+t1+t2+t3代入公式(5)：v3＝v2-amt3+0.5jeckt3²

将t0+t1+t2+t3代入公式(6)：s3＝s2+v2t3-0.5amt3²+1/6jeckt3³

在再一实施例中，本发明所提出的避障运动包括有加加速段、加减速段和匀速段；

机械臂在加加速段的运动轨迹为：sa1＝1/6jata0³；

机械臂在加减速段的运动轨迹为：sa2＝sa1+va1ta1-1/6jata1³；

机械臂在匀速段的运动轨迹为：sa3＝sa2+va2(t-ta0-ta1)；

其中，ja为设定加加速度，ta0为加加速时间，ta1为加减速时间，va1加加速段机械臂的速度，va2为加减速段机械臂的速度。

本实施例中，设避障轨迹为sat，避障轨迹最大速度为vam，加加速度为ja，其中：

避障加加速时间和避障加减速时间：

避障加速度：aam＝jata0

加加速时间段避障速度公式：va＝0.5jat²，(0＜t＜ta0)(7)

加加速时间段避障位移公式：sa＝1/6jat²，(0＜t＜ta0)(8)

将ta0代入公式(7)：va1＝0.5jata0²

将ta0代入公式(8)：sa1＝1/6jata0³

加减速时间段避障速度公式：va＝va1+aam(t-ta0)-0.5ja(t-ta0)²，(ta0＜t＜ta0+ta1)(9)

加减速时间段避障位移公式：sa＝sa1+va1(t-ta0)-1/6ja(t-ta0)³，(ta0＜t＜ta0+ta1)(10)

将ta0+ta1代入公式(9)：va2＝va1+aamta1-0.5jata1²

将ta0+ta1代入公式(10)：sa2＝sa1+va1ta1-1/6jata1³

匀速段位移公式：sa3＝sa2+va2(t-ta0-ta1)，(ta0+ta1＜t)(11)

本发明进一步提出一种机械臂，该机械臂包括：

基座；

运动部件，连接在基座上，可相对于基座摆动、转动或直线运动；

驱动部件，用于驱动运动部件运动或制动运动部件；

电子皮肤，覆盖运动部件的至少部分表面，用于检测外界导体与机械臂的接近程度；

控制系统，用于执行前述各实施例所记载的机械臂避障方法，以控制运动部件避开导体运动。

本发明还提出一种机器人，该机器人包括前述实施例所记载的机械臂，机械臂在运动时执行前述各实施例所记载的机械臂避障方法。

本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。