[发明专利]一种冗余自由度机械臂视觉伺服避障系统

说明书

本发明提供一种冗余自由度机械臂视觉伺服避障系统，包括视觉伺服模块、信息处理模块、机械臂控制模块、驱动模块和三维实时仿真模块；驱动模块实现机械臂控制模块与冗余机械臂间的通信；视觉伺服模块采集工作空间环境信息，识别出目标体和障碍物信息；信息处理模块根据目标体和障碍物信息，构建障碍物的三维实体模型，获取目标体的位姿信息；机械臂控制模块根据来自三维实时仿真模块的用户操作指令，结合障碍物的三维实体模型和目标体的位姿信息，将工作空间的目标转换为关节空间的控制指令，发送给驱动模块，控制机械臂末端向目标体移动。本发明集合了视觉伺服的优点和避障客观功能要求；既可离线验证，又可与实体机械臂连接，具有广泛应用前景。

技术领域

本发明涉及机械臂控制技术领域，特别是指一种冗余自由度机械臂视觉伺服避障系统。

背景技术

在三维空间内，一般机器臂只需要6个自由度就可以到达空间中的某一位置，并实现期望的状态。但这种6自由度的机械手往往存在关节限位，可达工作空间局限性高等缺点。冗余自由度机械臂这种独特的设备与其他非冗余自由度机械臂相比，具有高度的适应性与灵活性，具体表现可以利用多余的自由度避开障碍物，而又不影响末端执行器的操作。

技术的进步也推动了传感器技术的革新。各种高性能、高稳定、高智能的传感器如雨后春笋般出现。视觉传感器具有信息量大、非接触式测量、应用范围广阔等诸多方面的优点。将机械臂与视觉信息结合，催生了视觉伺服的提出。但已有的视觉伺服方案，主要还是用来解决目标的定位和识别方面。

在复杂工作环境下，障碍物的多样性和不确定性给安全和高效率生产带来了巨大的挑战。现有机械臂避障方法，存在结果不准确，需提前训练或者被动避障问题。将冗余机械臂优势和视觉传感器特长结合，能够准确区分和识别障碍物，规避障碍物，精准完成对目标体操作，具有重要的现实意义和研究价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种冗余自由度机械臂视觉伺服避障系统，利用冗余自由度机械臂到达空间上的一点具有多种解决方案的特性，结合视觉伺服，来解决现有情况下所存在的机械臂避障方法结果不准确，方法需要提前训练或者被动避障的问题。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种冗余自由度机械臂视觉伺服避障系统，包括：视觉伺服模块、信息处理模块、机械臂控制模块、驱动模块，以及三维实时仿真模块；

其中，所述驱动模块用于实现所述机械臂控制模块与待控制的冗余机械臂之间的通信，根据所述机械臂控制模块输出的控制指令驱动所述冗余机械臂运作，同时将所述冗余机械臂各关节的状态信息实时传输给所述信息处理模块；

所述视觉伺服模块用于采集冗余机械臂工作空间的环境信息，识别出其中的目标体和障碍物信息，并将目标体和障碍物信息传输给所述信息处理模块；

所述信息处理模块用于根据目标体和障碍物信息，构建障碍物的三维实体模型，同时获取目标体的位姿信息；并将障碍物的三维实体模型和冗余机械臂各关节的状态信息传输给所述三维实时仿真模块显示；同时将障碍物的三维实体模型和目标体的位姿信息传输给所述机械臂控制模块；

所述机械臂控制模块用于根据来自所述三维实时仿真模块的用户的操作指令，结合障碍物的三维实体模型和目标体的位姿信息，构建成本函数，将工作空间的目标转换为关节空间的控制指令，发送给所述驱动模块。

进一步地，所述冗余机械臂的各关节上分别设置有测量相应关节状态信息的传感器；其中，所述关节状态信息包括关节的位置、速度和加速度。

进一步地，所述传感器通过can总线和usb转can通信模块将检测到的相应关节的状态信息传送给驱动模块，由驱动模块传送给信息处理模块。

进一步地，所述视觉伺服模块包括单目相机和双目相机；其中，