[发明专利]仿人机器人自碰撞监控系统及监控方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人控制领域。

背景技术

仿机器人的自碰撞包括机器人的身体和手臂，以及双臂/双腿的碰撞等。自碰撞的发生会损坏机器人，甚至伤到周围的工作人员。随着机器人自由度的增加，机器人发生自碰撞的可能性也将增大，因此解决这个问题对于拥有多自由度的仿人机器人是至关重要的，也是仿人机器人安全控制和执行任务的基础。

机器人碰撞检测系统需要实时检测机器人自身的潜在碰撞，给出碰撞信息，计算分离构件的最短距离，有助于机器人的运动规划和安全控制。其中最短距离的信息可以使机器人和障碍物保持一定的距离，避开障碍。当包含大量需要检测的对象时，层次包围盒技术可加速对象的测试过程。利用体积略大而形状简单的包围盒包裹复杂的几何对象，首先进行包围盒的简单相交测试，快速地排除大量不相交的几何对象，再对剩余几何对象进行精确相交测试。层次包围盒技术可以选用不同的包围盒来平衡算法的计算效率，复杂程度，以及包裹几何对象的精确程度三者的关系。常用的包围盒包括：轴对齐包围盒（AABB包围盒），方向包围盒（OBB包围盒），包围球，球扫掠体和凸体。不同的层次包围盒技术有着各自的优缺点。例如：基于AABB包围盒的方法比基于OBB包围盒的方法更快，但OBB包围盒精度更高。这两种方法都是通过包围盒的相交测试来判断是否相交，不提供距离信息。包围球不受旋转变换的影响，能有效的检测碰撞和计算多物体间的最短距离，但包围球模型的精度较低。球扫掠体是由球体与对应的图元闵可夫斯基和形成的。根据对应图元的不同可分为不同的类型，例如：球扫掠直线（胶囊体）、球扫掠矩形（菱形体）以及球扫掠凸体。两个球扫掠体的相交测试是通过计算两个内部图元之间的距离和他们的半径之和比较来实现的。球扫掠体的测试消耗完全取决于对应距离的计算消耗。球扫掠直线广泛的被应用于多臂机构机器人的自碰撞检测，然而球扫掠直线只适用于圆柱关节，无法描述外形复杂的关节，限制了该方法的适用范围。凸体可以描述外形复杂的关节，具有良好的空间结构特性，可优化碰撞检测的效率，因此凸体也广泛的应用于碰撞检测。球扫掠凸体拥有凸体优点，比凸体数据结构更加简单，意味着球扫掠凸体在保证碰撞检测模型精度的前提下，可以提高碰撞检测的实时性。为了进一步提高机器人碰撞检测的精度和实时性保护仿人机器人的安全，本发明使用球扫掠凸体的碰撞模型开发了一个独立于机器人任务规划和控制的快速高精度碰撞检测监控系统，该系统循环运行，以机器人关节角作为输入，判断机器人是否会发生碰撞。

发明内容

本发明是为了提高机器人碰撞检测的精度和实时性保护仿人机器人的安全，从而提供一种仿人机器人自碰撞监控系统及监控方法。

仿人机器人自碰撞监控系统，它包括基于球扫略凸体的离散碰撞检测模块7、机器人运动状态预测模块6、关节角度速度计算模块5和通讯模块4；

通讯模块4用于将仿人机器人上的关节角速度传感器采集的关节角度信息传送给关节角速度计算模块5，还用于将基于球扫略凸体的离散碰撞检测模块7的在检测到碰撞时向机器人控制器2发送急停控制指令；

关节角度速度计算模块5用于根据仿人机器人关节位置传感器采集的关节角度信息和仿人机器人关节位置传感器的采样周期计算仿人机器人各关节的角速度；并将仿人机器人关节位置传感器采集的关节角度和获得的仿人机器人各关节的角速度发送给机器人运动状态预测模块6；

机器人运动状态预测模块6用于根据关节角度速度计算模块5发送的仿人机器人关节位置传感器采集的关节角度、仿人机器人各关节的角速度和自碰撞监控系统引入的时延预测仿人机器人的运动状态；并将预测结果发送给球扫略凸体的离散碰撞检测模块7；

基于球扫略凸体的离散碰撞检测模块7用于构建仿人机器人的基于球扫掠凸体碰撞检测模型，并根据机器人运动状态预测模块6预测的机器人运动状态实时更新碰撞检测模型，优化碰撞对，并检测各碰撞对是否发生碰撞，并在发生碰撞时发出急停控制指令。

仿人机器人自碰撞监控方法，它包括基于球扫略凸体的离散碰撞检测的步骤、机器人运动状态预测的步骤、关节角度速度计算的步骤和通讯步骤；

基于球扫略凸体的离散碰撞检测的步骤：将仿人机器人上的关节角速度传感器采集的关节角度信息传送给关节角速度计算模块5，以及将基于球扫略凸体的离散碰撞检测模块7的在检测到碰撞时向机器人控制器2发送急停控制指令的步骤；