【摘要】 本发明提出了一种仿人机器人机械臂避碰运动轨迹规划方法，现有技术没有从根本上解决碰撞问题，本发明采用基于关节空间插补方法生成机械臂运动轨迹所带来的机械臂与桌子碰撞的问题，主要针对仿人机器人的拟人手臂面向桌面或类似桌面物体的作业，其中机械臂的自由度分布为肩部三个自由度，肘部两个自由度，腕部两个自由度。具体实现方法是，在能够保证固定时刻完成目标作业的前提下，在手臂运动过程中发生碰撞的时刻点，让肘部适当弯曲，避免碰撞。这种方案使机械臂实现了在具有较高的灵活性和较大作业空间的同时，无碰撞的运动。 【专利类型】发明授权 【申请人】浙江大学 【申请人类型】学校 【申请人地址】310027 浙江省杭州市西湖区浙大路38号 【申请人地区】中国 【申请人城市】杭州市 【申请人区县】西湖区 【申请号】CN201210123781.4 【申请日】2012-04-25 【申请年份】2012 【公开公告号】CN102646148B 【公开公告日】2014-09-24 【公开公告年份】2014 【授权公告号】CN102646148B 【授权公告日】2014-09-24 【授权公告年份】2014.0 【IPC分类号】G06F17/50 【发明人】黄秋兰; 吴俊; 熊蓉; 张斌 【主权项内容】仿人机器人机械臂避碰运动轨迹规划方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一：根据桌面与机器人的相对位置，对桌子进行建模在笛卡尔空间下，以机器人肩心为世界坐标系，将桌子模型建立为肩心所处水平面以下的一个区域；步骤二：碰撞检测及分类为了满足实时性要求，将笛卡尔空间描述的初始位姿和目标任务位姿转换成关节空间的初始关节角序列和目标关节角序列，在关节空间下采用矩形函数加速度法对各个关节角进行插补，生成关节空间下的轨迹，然后对这条轨迹进行正运动学运算得到笛卡尔空间的轨迹，如果机械臂采用这条轨迹完成动作的过程中，整条机械臂都未经过桌子所在的区域，说明机械臂此次运动没有与桌子发生碰撞，则采用该关节空间的轨迹控制机械臂完成任务，否则若机械臂的轨迹与桌面模型有交集，则可确定机械臂在此次任务中与桌面发生了碰撞，需要对机械臂的轨迹进行处理，然后再完成动作，此时需要根据发生碰撞的时刻T区分碰撞的三种情况：(1)T≤tf1，初始位姿到目标位姿的运动过程发生碰撞，返回过程未发生碰撞；(2)tf1≤T≤tf1+tf2，初始位姿到目标位姿的运动过程未发生碰撞，返回初始位姿的过程发生碰撞；(3)以上两种碰撞都发生了，即初始位姿到目标位姿的运动过程和返回过程都发生碰撞；固定机械臂从初始位姿到目标位姿的运动时间为tf1，从目标位姿返回初始位姿的时间为tf2；步骤三：计算肘滚动角的临界值，并根据该临界值调整肘滚动角的轨迹，避免发生碰撞针对发生碰撞的情况，在碰撞的时刻使机械臂的肘部适当的弯曲直至刚好不与桌面发生碰撞，即在碰撞时刻对造成机械臂与桌面碰撞影响最显著的位于肘部的肘滚动角的值进行修改，使得修改后得到的肘滚动角的“临界值”，结合肩俯仰角、肩滚动角、肩偏摆角、肘偏摆角、腕滚动角和腕俯仰角的值形成的机械臂的构型，刚好不与桌面碰撞，肘滚动角临界值的求解步骤：第一步，根据碰撞时刻肩俯仰角、肩滚动角、肩偏摆角、肘偏摆角、腕滚动角和腕俯仰角的值以及肘滚动角的初始值0，计算机械臂的正运动学即可得到肘关节方向向量的两个顶点A、B及机械臂上的一个检测点C的坐标分别为A(x1, y1, z1)，B(x2, y2, z2)，C(x3, y3, z3)，并计算此时肘关节的方向向量AB；第二步，计算过点C且垂直于肘关节方向向量AB的平面L，可得其方程为(x-x3)(x2-x1)+(y-y3)(y2-y1)+(z-z3)(z2-z1)＝0；第三步，计算肘关节方向向量AB与上一步得到的平面L的交点O(x0, y0, z0)，以此交点O为球心，以点O到点C的距离OC为半径的球面方程ψ，其表达式为(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2＝(x3-x0)2+(y3-y0)2+(z3-z0)2；第四步，求该球面ψ、第二步的平面L以及桌面的交点D(x4, y4, z4)；第五步，计算∠COD，并用右手定则判断∠COD正负得到的值设为Δq4，然后计算机械臂与桌面发生碰撞时肘滚动角的值，设为q4bound，则q4bound＝90+Δq4，最后在q4bound基础上增加一定余量5，即可得到肘滚动角的临界值；取该碰撞时刻和该时刻肘滚动角的临界值作为一个中间状态，以及机械臂在初始时刻的肘滚动角为其初始状态和在目标时刻的肘滚动角为目标状态，将肘滚动角的轨迹进行分段生成，则如果发生第(1)种碰撞，三段轨迹分别为：初始状态到中间状态，中间状态到目标状态，目标状态返回初始状态；如果发生第(2)种碰撞，三段轨迹为：初始状态到目标状态，目标状态到中间状态，中间状态返回初始状态；如果发生第(3)种碰撞，说明机械臂运动过程中，共需要处理与桌面发生的两次碰撞，三段轨迹为：初始状态到第一次避碰的中间状态，第一次碰撞的中间状态到第二次碰撞的中间状态，第二次碰撞的中间状态返回初始状态。 【当前权利人】浙江大学 【当前专利权人地址】浙江省杭州市西湖区浙大路38号 【专利权人类型】公立 【统一社会信用代码】12100000470095016Q 【引证次数】2.0 【他引次数】2.0 【家族引证次数】2.0 【家族被引证次数】34

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