CN113021359B - 机械臂控制方法、装置、设备、系统、存储介质及机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机械臂控制方法、装置、设备、系统、存储介质及机械臂，机械臂控制方法包括：获取障碍物的接近程度，所述接近程度通过电子皮肤模块的监测数据计算得到；将所述接近程度转化为斥力；获取能够避让所述障碍物的导纳输出位置，所述导纳输出位置通过导纳控制模型对所述斥力进行计算得到；将所述导纳输出位置发给各关节控制器。本发明所提出的机械臂控制方法，其通过电子皮肤模块对机械臂周围的障碍物进行感知，在感知到障碍物时，将机械臂与障碍物的接近程度转化为对应的斥力，并将此斥力输入至导纳控制模型，以通过导纳控制模型输出能够避让障碍物的导纳输出位置，从而避免机械臂与障碍物发生碰撞，提高机械臂的安全性。

Description

机械臂控制方法、装置、设备、系统、存储介质及机械臂

技术领域

本发明涉及机械臂领域，特别涉及一种机械臂控制方法、装置、设备、系统、存储介质及机械臂。

背景技术

工业机械臂已被广泛应用于生产自动化中，绝大多数的工业机械臂是通过预先编制好的程序来进行工作，这称之为位置控制。但当外界条件发生变化时，机械臂的工作状态就要发生变化，为使机械臂执行正确的动作，则机械臂就应使其动作相应外界条件的变化作相应的调整。

要使机械臂能对外界的变化产生响应，通常采用视觉传感器、力传感器等来感受外界的变化，然后将信息反馈给控制系统，使之根据外界的变化来控制机械臂的动作。柔顺控制就是从力传感器取得控制信号，用此控制信号去控制机械臂，使之响应这个变化而动作。

现有技术中，工业机械臂通常采用导纳控制策略，以实现机械臂的柔顺控制。但现有的导纳控制策略是将机械臂发生碰撞后的碰撞力，作为输入到导纳控制模型的作用力，因此，就有可能存在安全风险的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种机械臂控制方法，旨在解决现有机械臂所采用的导纳控制策略存在安全风险的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种机械臂控制方法，所述机械臂控制方法包括：

获取障碍物的接近程度，所述接近程度通过电子皮肤模块的监测数据计算得到；

将所述接近程度转化为斥力；

获取能够避让所述障碍物的导纳输出位置，所述导纳输出位置通过导纳控制模型对所述斥力进行计算得到；

将所述导纳输出位置发给各关节控制器。

优选地，所述将接近程度转化为斥力之前，还包括：

当所述接近程度超过阈值时，将所述接近程度转化为斥力。

优选地，所述电子皮肤模块包括检测电路和电极，所述电极与所述检测电路电连接；

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。

优选地，所述获取障碍物的接近程度包括：

计算每一个关节和对应关节臂上安装的电子皮肤模块所感应到的障碍物的接近程度，所述接近程度通过以下公式计算得到：

其中，所述d_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块感应到的障碍物距离，所述ε为所述电子皮肤模块与所述障碍物之间的介质的介电常数，所述S_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块的正对面积，所述C_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块感应到的电容，所述k为静电力常量。

优选地，所述将接近程度转化为斥力包括：

根据接近程度计算每一块电子皮肤模块所感应到的虚拟力；

在每个关节上，根据力与力矩的关系计算该关节上由于虚拟力而产生的斥力，所述斥力通过以下公式计算得到：

其中，所述τ_i为障碍物接近机械臂时的斥力，jointMax是机器人的关节总数，每个关节的序号是从机器人的形态学下端往形态学上端标记，最底下的关节序号为1，往上为2、3、4……n，skinMax_n是机器人第n个关节上电子皮肤模块的总数量，f_nk为第i个关节上第k个电子皮肤模块检测到的接近程度所对应的斥力值，l_i,nk为第n个关节上第k个电子皮肤模块到第i个关节的坐标原点的距离。

优选地，通过以下公式计算每一块电子皮肤模块所感应到的虚拟力：

其中，所述f_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块所感应到的虚拟力，所述d_max为所述电子皮肤模块能够感知到所述障碍物的最远距离，所述d_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块与所述障碍物的接近程度，所述f_min为当所述电子皮肤模块与所述障碍物的距离最大时所对应的最小虚拟力，所述f_max为设定的最大虚拟力。

优选地，通过以下公式计算每一块电子皮肤模块所感应到的虚拟力：

其中，所述f_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块所感应到的虚拟力，所述η为斥力场系数，且η＞0，所述d_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块与所述障碍物的接近程度，所述d_max为所述电子皮肤模块能够感知到所述障碍物的最远距离。

优选地，所述通过导纳控制模型对所述斥力进行运算，得到控制所述机械臂相对所述障碍物后退的速度包括：

基于导纳控制原理建立导纳方程：

调整所述导纳方程可得加速度公式：

对所述加速度进行离散积分得到速度公式：

对所述速度进行离散积分得到导纳输出位置：

其中，所述

分别为所述机械臂的导纳输出加速度、导纳输出速度和导纳输出位置，所述

分别为指令下发的无导纳加速度、无导纳速度和无导纳位置，所述M_d为机械臂惯量，所述B_d为机械臂阻尼，所述K_d为机械臂刚度，所述τi为关节i上所产生的斥力，所述n+1为下一个时刻的数值，所述n为当前时刻的数值，所述∆t为离散时间周期。

本发明进一步提出一种机械臂控制方法，该机械臂控制方法包括：

接收导纳输出位置；

将所述导纳输出位置通过运动控制算法将其转换为运动控制指令；

将所述运动控制指令发送给关节电机。

本发明进一步提出一种机械臂控制装置，所述机械臂控制装置包括：

接近程度获取模块，用于获取障碍物的接近程度，所述接近程度通过电子皮肤模块的监测数据计算得到；

第一斥力转换模块，用于将所述接近程度转化为斥力；

导纳输出位置获取模块，用于获取能够避让所述障碍物的导纳输出位置，所述导纳输出位置通过导纳控制模型对所述斥力进行计算得到；

第一发送模块，用于将所述导纳输出位置发给各关节控制器。

优选地，所述机械臂控制装置还包括：

第二斥力转换模块，用于当所述接近程度超过阈值时，将所述接近程度转化为斥力。

优选地，所述电子皮肤模块包括检测电路和电极，所述电极与所述检测电路电连接；

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。

优选地，所述接近程度获取模块包括：

接近程度计算单元，用于计算每一个关节和对应关节臂上安装的电子皮肤模块所感应到的障碍物的接近程度，所述接近程度通过以下公式计算得到：

其中，所述d_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块感应到的障碍物距离，所述ε为所述电子皮肤模块与所述障碍物之间的介质的介电常数，所述S_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块的正对面积，所述C_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块感应到的电容，所述k为静电力常量。

优选地，所述第一斥力转换模块包括：

虚拟力计算单元，用于根据接近程度计算每一块电子皮肤模块所感应到的虚拟力；

斥力计算单元，用于在每个关节上，根据力与力矩的关系计算该关节上由于虚拟力而产生的斥力，所述斥力通过以下公式计算得到：

其中，所述τ_i为障碍物接近机械臂时的斥力，jointMax是机器人的关节总数，每个关节的序号是从机器人的形态学下端往形态学上端标记，最底下的关节序号为1，往上为2、3、4……n，skinMax_n是机器人第n个关节上电子皮肤模块的总数量，f_nk为第i个关节上第k个电子皮肤模块检测到的接近程度所对应的斥力值，l_i,nk为第n个关节上第k个电子皮肤模块到第i个关节的坐标原点的距离。

本发明进一步提出一种机械臂控制装置，所述机械臂控制装置包括：

接收模块，用于接收导纳输出位置；

指令转换模块，用于将所述导纳输出位置通过运动控制算法将其转换为运动控制指令；

第二发送模块，将所述运动控制指令发送给关节电机。

本发明进一步提出一种机械臂控制设备，所述机械臂控制设备包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时，实现前述所记载的机械臂控制方法，所述机械臂控制方法至少包括以下步骤：

获取障碍物的接近程度，所述接近程度通过电子皮肤模块的监测数据计算得到；

将所述接近程度转化为斥力；

获取能够避让所述障碍物的导纳输出位置，所述导纳输出位置通过导纳控制模型对所述斥力进行计算得到；

将所述导纳输出位置发给各关节控制器。

本发明进一步提出一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现前述所记载的机械臂控制方法，所述机械臂控制方法至少包括以下步骤：

获取障碍物的接近程度，所述接近程度通过电子皮肤模块的监测数据计算得到；

将所述接近程度转化为斥力；

获取能够避让所述障碍物的导纳输出位置，所述导纳输出位置通过导纳控制模型对所述斥力进行计算得到；

将所述导纳输出位置发给各关节控制器。

本发明进一步提出一种机械臂控制设备，所述机械臂控制设备包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时，实现前述所记载的机械臂控制方法，所述机械臂控制方法至少包括以下步骤：

接收导纳输出位置；

将所述导纳输出位置通过运动控制算法将其转换为运动控制指令；

将所述运动控制指令发送给关节电机。

本发明进一步提出一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现前述所记载的机械臂控制方法，所述机械臂控制方法至少包括以下步骤：

接收导纳输出位置；

将所述导纳输出位置通过运动控制算法将其转换为运动控制指令；

将所述运动控制指令发送给关节电机。

本发明还提出一种机械臂，所述机械臂包括：

基座；

运动部件，连接在所述基座上，能够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；

电子皮肤模块，覆盖所述运动部件的至少部分表面，用于检测外界障碍物与所述机械臂的接近程度；

控制系统，用于执行步骤S10-S40、步骤S100-S300所记载的机械臂控制方法。

本发明还提出一种机械臂控制系统，所述机械臂控制系统包括：

存储模块，用于存储计算机程序；

主控制器，所述计算机程序被所述主控制器执行时，实现步骤S10-S40所记载的机械臂控制方法；

若干个关节控制器，所述计算机程序被所述关节控制器执行时，实现步骤S100-S300所记载的机械臂控制方法；

若干个关节电机，所述关节电机根据所述运动控制指令工作。

与现有技术相比，本发明实施例的有益技术效果在于：

本发明所提出的机械臂控制方法，其通过电子皮肤模块对机械臂周围的障碍物进行感知，在感知到障碍物时，将机械臂与障碍物的接近程度转化为相应的斥力，并将此斥力输入至导纳控制模型，以通过导纳控制模型输出能够避让障碍物的导纳输出位置，从而避免机械臂与障碍物发生碰撞，提高机械臂的安全性。

附图说明

图1为本发明机械臂控制方法第一实施例的流程图；

图2为本发明机械臂控制方法第二实施例的流程图；

图3为本发明机械臂控制装置的第一功能模块图；

图4为本发明机械臂控制装置的第二功能模块图；

图5为本发明机械臂控制设备的结构示意图；

图6为本发明机械臂一实施例的结构示意图；

图7为本发明机械臂控制系统的结构示意图。

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。

本发明提出一种机械臂控制方法，参见图1，该机械臂控制方法包括以下步骤：

步骤S10，获取障碍物的接近程度，接近程度通过电子皮肤模块的监测数据计算得到；

机械臂包括有关节和关节臂，在关节和/或关节臂上设置有电子皮肤模块，而电子皮肤模块包括有覆盖在关节和/或关节臂上的电极和检测电路，检测电路与电极电连接，电极能够与接近的障碍物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。需要说明的是，障碍物为高介电常数物体，其能够与电极构成电容。

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，还可以是银、铝或ITO材料。电极-空气-障碍物构成电容器，电极与障碍物之间的距离变化，会使得由两者所构成的电容发生变化，电极可将用于表征电容或其变化量的电信号传输至检测电路，以由检测电路将其转化为用于表征电容值或其变化量的电信号。

需要说明的是，电子皮肤模块只能检测到预设距离范围内的障碍物，在其检测范围外的障碍物无法被电子皮肤模块所感知到。譬如，假设电子皮肤模块的预设距离为N厘米，也即在距离电子皮肤模块N厘米以内的障碍物能够被电子皮肤模块所检测。在检测到障碍物后，若障碍物逐渐靠近电子皮肤模块，则由电子皮肤模块与障碍物所构成的电容会随之变化；反之，在距离电子皮肤模块N厘米以外的障碍物无法被电子皮肤模块感知到。

检测电路能够实时检测电容值或其变化量，在已知电容值或其变化量的情况下，基于电容计算公式便可计算得到电子皮肤模块与障碍物的接近程度，而由于电子皮肤模块是设置在机械臂上的，因此电子皮肤模块与障碍物的接近程度也即机械臂与障碍物的接近程度。

步骤S20，将接近程度转化为斥力；

步骤S30，获取能够避让障碍物的导纳输出位置，导纳输出位置通过导纳控制模型对斥力进行计算得到；

步骤S40，将导纳输出位置发给各关节控制器。

本实施例中，当电子皮肤模块感知到障碍物时，先是由电子皮肤模块的检测电路将其检测到的电容值或其变化量发送给机械臂的主控制器，再由机械臂的主控制器根据电容值或其变化量判断机械臂和障碍物的接近程度，而后再通过事先设定的映射规则将机械臂与障碍物之间的接近程度转换为相应的斥力，最后再将此斥力导入至导纳控制模型。

导纳控制模型在接收到所输入的斥力后，将输出用于避让障碍物的导纳输出位置并发送给各关节控制器，从而避免机械臂与障碍物发生碰撞，以提高机械臂的安全性。本实施例中，通过导纳输出位置可控制机械臂相对障碍物后退。

本实施例所提出的机械臂控制方法可以应用于人与机械臂的互动场景，具体的，当人手出现在电子皮肤模块的感知距离内时，若人手靠近机械臂，则机械臂会相对人手后退，若人手持续移动，则机械臂也会持续向后退。

作为优选，本发明实施例所提出的机械臂控制方法在将接近程度转化为斥力之前，会先判断此接近程度是否超过设定的阈值，若电子皮肤模块所检测到的障碍物的接近程度未超过设定的阈值，则不会将此接近程度转化为相应的斥力，也即此时的障碍物并不会与机械臂发生碰撞或者说对其造成威胁；而若电子皮肤模块所检测到的障碍物的接近程度超过设定的阈值，则需要将接近程度转化为相应的斥力，并将此斥力输入至导纳控制模型，以通过导纳控制模型输出用于避让障碍物的导纳输出位置，该导纳输出位置会被机械臂的主控制器下发给各个关节的关节控制器，各关节的关节控制器再据此控制电机运行。

进一步的，本发明实施例所提出的步骤S10包括：

计算每一个关节和对应关节臂上安装的电子皮肤模块所感应到的障碍物的接近程度，接近程度通过以下公式计算得到：

其中，d_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块感应到的障碍物距离，ε为电子皮肤模块与障碍物之间的介质的介电常数，S_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块的正对面积，C_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块感应到的电容，所述k为静电力常量。

本实施例中，基于电容值或其变化量以及电容计算公式

，可计算得到电子皮肤模块与障碍物的接近程度，而由于电子皮肤模块是设置在机械臂上的，因此电子皮肤模块与障碍物的接近程度也即机械臂与障碍物的接近程度。

在检测到电容值或其变化量后，根据此电容值或其变化量便可计算出电极与障碍物的距离值或其变化量，具体是根据电容公式计算得到：

本实施例中，电极与障碍物构成电容的两极板，两电容极板的正对面积也即电极与障碍物的正对面积。具体的，电极投影于障碍物上时，电极与障碍物的重叠部分即为两电容极板的正对面积。电极与障碍物的正对面积，可以是经验值，也可以是针对每个不同障碍物所计算得到的实际值，本领域技术人员可根据实际情况进行设计。可以理解的是，利用经验值所计算得到的距离值会存在一定误差，而利用实际值所计算得到的距离值会相对准确，但实际值的计算较为麻烦，其在每次检测与不同障碍物的距离时，需要每次计算电极与障碍物的正对面积。

在已知电容值的情况下，由于ε、S_ik、π、k、d_ik都是已知量，因此可根据电容值的变化情况判断电子皮肤模块与障碍物的接近程度。需要说明的是，此处所指的接近程度亦即机械臂与障碍物的距离，因为通过电极所计算得到的距离值并非精准数值，因此将机械臂与障碍物的距离定义为接近程度。

进一步的，本发明实施例所提出的步骤S20包括：

根据接近程度计算每一块电子皮肤模块所感应到的虚拟力；

在每个关节上，根据力与力矩的关系计算该关节上由于虚拟力而产生的斥力，斥力通过以下公式计算得到：

其中，τ_i为关节i上所产生的斥力，f_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块所感应到的虚拟力，l_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块与关节i坐标原点的距离。

本实施例中，当电子皮肤模块感应到障碍物的存在时，控制系统会根据障碍物与电子皮肤模块的接近程度计算电子皮肤模块所感应到的虚拟力，虚拟力与接近程度的计算公式为d_toF，具体的：

f_ik=d_toF（d_ik）

在计算得到电子皮肤模块所感应到的虚拟力后，再根据力与力矩的关系计算该关节上由于虚拟力而产生的斥力，斥力通过以下公式计算得到：

进一步的，上述实施例所提出的计算公式d_toF为：

其中，f_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块所感应到的虚拟力，d_max为电子皮肤模块能够感知到障碍物的最远距离，d_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块与障碍物的接近程度，f_min为当电子皮肤模块与障碍物的距离最大时所对应的最小虚拟力，f_max为设定的最大虚拟力。

进一步的，上述实施例所提出的计算公式d_toF还可以为：

其中，f_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块所感应到的虚拟力，η为斥力场系数，且η＞0，d_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块与障碍物的接近程度，d_max为电子皮肤模块能够感知到障碍物的最远距离。

进一步的，本发明实施例所提出的步骤S30包括：

基于导纳控制原理建立导纳方程：

调整导纳方程可得加速度公式：

对加速度进行离散积分可得速度公式：

对速度进行离散积分可得导纳输出位置：

其中，

分别为机械臂的导纳输出加速度、导纳输出速度和导纳输出位置，

分别为指令下发的无导纳加速度、无导纳速度和无导纳位置，M_d为机械臂惯量，B_d为机械臂阻尼，K_d为机械臂刚度，τi为关节i上所产生的斥力， n+1为下一个时刻的数值，n为当前时刻的数值，∆t为离散时间周期。

本发明实施例所提出的机械臂包括有关节和关节臂，而电子皮肤模块是设置在关节和/或关节臂上的，一般设置在关节表面。在每个关节上，设置有多个电子皮肤模块，以此为例阐述斥力的计算过程：

1、计算每一个关节i和对应关节臂上安装的每个电子皮肤模块k检测到的其与障碍物的接近程度：

其中，d_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块感应到的障碍物距离，ε为电子皮肤模块与障碍物之间的介质的介电常数，S_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块的正对面积，C_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块感应到的电容，所述k为静电力常量。

2、根据接近程度，计算每一块电子皮肤模块所感应的虚拟力：

f_ik=d_toF（d_ik）

其中，f_ik 为第i个关节上第k块电子皮肤模块所感应到的虚拟力，d_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块所述感应到的障碍物距离。

3、在每个关节上，根据力与力矩的关系，计算该关节上由于虚拟力而产生的斥力：

其中，τ_i为障碍物接近机械臂时的斥力，jointMax是机器人的关节总数，每个关节的序号是从机器人的形态学下端往形态学上端标记，最底下的关节序号为1，往上为2、3、4……n，skinMax_n是机器人第n个关节上电子皮肤模块的总数量，f_nk为第i个关节上第k个电子皮肤模块检测到的接近程度所对应的斥力值，l_i,nk为第n个关节上第k个电子皮肤模块到第i个关节的坐标原点的距离。

本发明还提出一种机械臂控制方法，参见图2，该机械臂控制方法包括：

步骤S100，接收导纳输出位置；

步骤S200，将导纳输出位置通过运动控制算法将其转换为运动控制指令；

步骤S300，将运动控制指令发送给关节电机。

本实施例中，在前述各实施例所提及的机械臂控制方法中，已经通过导纳控制模型计算出各关节的导纳输出位置，而上述利用导纳控制模型进行计算的过程是由机械臂的主控制器执行的。在主控制器计算得到各关节的导纳输出位置后，再由主控制器将导纳输出位置下发给各关节的关节控制器；各关节的关节控制器在接收到主控制器下发的导纳输出位置后，关节控制器再通过运动控制算法将其转换为关节电机的运动控制指令；在关节控制器转换得到运动控制指令后，再将此运动控制指令下发给对应的关节电机，以据此控制各关节电机的运行，从而避免各关节与障碍物发生碰撞，提高机械臂的安全性。

基于前述实施例所提出的机械臂控制方法，参见图3，本发明还提出一种机械臂控制装置，该机械臂控制装置包括：

接近程度获取模块10，用于获取障碍物的接近程度，接近程度通过电子皮肤模块的监测数据计算得到；

第一斥力转换模块20，用于将接近程度转化为斥力；

导纳输出位置获取模块30，用于获取能够避让障碍物的导纳输出位置，导纳输出位置通过导纳控制模型对斥力进行计算得到；

第一发送模块40，用于将导纳输出位置发给各关节控制器。

进一步地，本发明实施例所提出的机械臂控制装置还包括：

第二斥力转换模块，用于当接近程度超过阈值时，将接近程度转化为斥力。

进一步的，本发明实施例所提出的电子皮肤模块包括检测电路和电极，电极与检测电路电连接；

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。

进一步的，本发明实施例所提出的接近程度获取模块10包括：

接近程度计算单元，用于计算每一个关节和对应关节臂上安装的电子皮肤模块所感应到的障碍物的接近程度，接近程度通过以下公式计算得到：

其中， d_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块感应到的障碍物距离，ε为电子皮肤模块与障碍物之间的介质的介电常数， S_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块的正对面积，C_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块感应到的电容，所述k为静电力常量。

进一步的，本发明实施例所提出的第一斥力转换模块20包括：

虚拟力计算单元，用于根据接近程度计算每一块电子皮肤模块所感应到的虚拟力；

斥力计算单元，用于在每个关节上，根据力与力矩的关系计算该关节上由于虚拟力而产生的斥力，斥力通过以下公式计算得到：

其中，τ_i为障碍物接近机械臂时的斥力，jointMax是机器人的关节总数，每个关节的序号是从机器人的形态学下端往形态学上端标记，最底下的关节序号为1，往上为2、3、4……n，skinMax_n是机器人第n个关节上电子皮肤模块的总数量，f_nk为第i个关节上第k个电子皮肤模块检测到的接近程度所对应的斥力值，l_i,nk为第n个关节上第k个电子皮肤模块到第i个关节的坐标原点的距离。

基于前述实施例所提出的机械臂控制方法，参见图4，本发明还提出一种机械臂控制装置，该机械臂控制装置包括：

接收模块1，用于接收导纳输出位置；

指令转换模块2，用于将导纳输出位置通过运动控制算法将其转换为运动控制指令；

第二发送模块3，将运动控制指令发送给关节电机。

基于前述实施例所提出的机械臂控制方法，参见图5，本发明还提出一种机械臂控制设备，该机械臂控制设备包括：

存储器1005，用于存储计算机程序；

处理器1001，用于执行所述计算机程序时，实现前述各实施例所记载的机械臂控制方法，该机械臂控制方法至少包括以下步骤：

步骤S10，获取障碍物的接近程度，接近程度通过电子皮肤模块的监测数据计算得到；

步骤S20，将接近程度转化为斥力；

步骤S30，获取能够避让障碍物的导纳输出位置，导纳输出位置通过导纳控制模型对斥力进行计算得到；

步骤S40，将导纳输出位置发给各关节控制器。

如图5所示，图5是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境中机械臂控制设备的结构示意图。

本发明实施例机械臂控制设备可以是机器人，也可以是PC。如图5所示，该机械臂控制设备可以包括：处理器1001，例如CPU，网络接口1004，用户接口1003，存储器1005，通信总线1002。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏（Display）、输入单元，比如键盘（Keyboard），可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口（如WI-FI接口）。存储器1005可以是高速RAM存储器，也可以是稳定的存储器（non-volatile memory），例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。

本领域技术人员可以理解，图5中示出的机械臂控制设备结构并不构成对机械臂校准设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

如图5所示，作为一种计算机存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及机械臂校准程序。

在图5所示的机械臂控制设备中，网络接口1004主要用于连接后台服务器，与后台服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于连接客户端（用户端），与客户端进行数据通信；而处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的机械臂校准程序。

基于前述实施例所提出的机械臂控制方法，本发明还提出一种存储介质，该存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现前述实施例所记载的机械臂控制方法，该机械臂控制方法至少包括以下步骤：

步骤S100，接收导纳输出位置；

步骤S200，将导纳输出位置通过运动控制算法将其转换为运动控制指令；

步骤S300，将运动控制指令发送给关节电机。

基于前述实施例所提出的机械臂控制方法，本发明还提出一种存储介质，该存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现前述各实施例所记载的机械臂控制方法，该机械臂控制方法至少包括以下步骤：

步骤S10，获取障碍物的接近程度，接近程度通过电子皮肤模块的监测数据计算得到；

步骤S20，将接近程度转化为斥力；

步骤S30，获取能够避让障碍物的导纳输出位置，导纳输出位置通过导纳控制模型对斥力进行计算得到；

步骤S40，将导纳输出位置发给各关节控制器。

基于前述实施例所提出的机械臂控制方法，本发明还提出一种存储介质，该存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现前述各实施例所记载的机械臂控制方法，该机械臂控制方法至少包括以下步骤：

步骤S100，接收导纳输出位置；

步骤S200，将导纳输出位置通过运动控制算法将其转换为运动控制指令；

步骤S300，将运动控制指令发送给关节电机。

基于前述实施例所提出的机械臂控制方法，参见图6，本发明还提出一种机械臂，该机械臂包括：

基座100；

运动部件200，连接在基座100上，能够相对于基座100摆动、转动或直线运动；

驱动部件300，用于驱动运动部件200运动或制动运动部件200；

电子皮肤模块400，覆盖运动部件200的至少部分表面，用于检测外界障碍物与机械臂的接近程度；

控制系统500，用于执行步骤S10-S40、步骤S100-S300所述的机械臂控制方法，以控制运动部件200相对障碍物后退。

基于前述实施例所提出的机械臂控制方法，参见图7，本发明还提出一种机械臂控制系统，该机械臂控制系统包括：

存储模块，用于存储计算机程序；

主控制器，计算机程序被主控制器执行时，实现步骤S10-S40所述的机械臂控制方法；

若干个关节控制器，计算机程序被关节控制器执行时，实现步骤S100-S300所述的机械臂控制方法；

若干个关节电机，关节电机根据运动控制指令工作。

本实施例中，存储模块可以有一个或多个存储器，存储器用于存储计算机程序，该计算机程序被执行时可分别实现步骤S10-S40及步骤S100-S300所记载的机械臂控制方法。当仅有一个存储器时，计算机程序被全部存储于该存储器内，在主控制器执行存储器内的相应计算机程序时，实现步骤S10-S40所记载的机械臂控制方法，在关节控制器执行存储器内的相应计算机程序时，实现步骤S100-S300所记载的机械臂控制方法。当然，存储模块可以有两个存储器，两个存储器分别用于存储对应步骤S10-S40及步骤S100-S300所记载的机械臂控制方法的计算机程序。

在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-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、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。

Claims (21)

1.一种机械臂控制方法，其特征在于，包括：

获取障碍物的接近程度，所述接近程度通过电子皮肤模块的监测数据计算得到；

将所述接近程度转化为斥力；

获取能够避让所述障碍物的导纳输出位置，所述导纳输出位置通过导纳控制模型对所述斥力进行计算得到；

将所述导纳输出位置发给各关节控制器。

2.根据权利要求1所述的机械臂控制方法，其特征在于，所述将接近程度转化为斥力之前，还包括：

当所述接近程度超过阈值时，将所述接近程度转化为斥力。

3.根据权利要求1所述的机械臂控制方法，其特征在于，

所述电子皮肤模块包括检测电路和电极，所述电极与所述检测电路电连接；

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。

4.根据权利要求3所述的机械臂控制方法，其特征在于，所述获取障碍物的接近程度包括：

计算每一个关节和对应关节臂上安装的电子皮肤模块所感应到的障碍物的接近程度，所述接近程度通过以下公式计算得到：

其中，所述d_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块感应到的障碍物距离，所述ε为所述电极与所述障碍物之间的介质的介电常数，所述S_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块的正对面积，所述C_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块感应到的电容，所述k为静电力常量。

5.根据权利要求1所述的机械臂控制方法，其特征在于，所述将接近程度转化为斥力包括：

根据接近程度计算每一块电子皮肤模块所感应到的虚拟力；

在每个关节上，根据力与力矩的关系计算该关节上由于虚拟力而产生的斥力，所述斥力通过以下公式计算得到：

其中，所述τ_i为障碍物接近机械臂时的斥力，jointMax是机器人的关节总数，每个关节的序号是从机器人的形态学下端往形态学上端标记，最底下的关节序号为1，往上为2、3、4……n，skinMax_n是机器人第n个关节上电子皮肤模块的总数量，f_nk为第i个关节上第k个电子皮肤模块检测到的接近程度所对应的斥力值，l_i,nk为第n个关节上第k个电子皮肤模块到第i个关节的坐标原点的距离。

6.根据权利要求5所述的机械臂控制方法，其特征在于，

通过以下公式计算每一块电子皮肤模块所感应到的虚拟力：

其中，所述f_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块所感应到的虚拟力，所述d_max为所述电子皮肤模块能够感知到所述障碍物的最远距离，所述dik为第i个关节上第k块电子皮肤模块与所述障碍物的接近程度，所述f_min为当所述电子皮肤模块与所述障碍物的距离最大时所对应的最小虚拟力，所述f_max为设定的最大虚拟力。

7.根据权利要求5所述的机械臂控制方法，其特征在于，

通过以下公式计算每一块电子皮肤模块所感应到的虚拟力：

其中，所述f_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块所感应到的虚拟力，所述η为斥力场系数，且η＞0，所述d_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块与所述障碍物的接近程度，所述d_max为所述电子皮肤模块能够感知到所述障碍物的最远距离。

8.根据权利要求1所述的机械臂控制方法，其特征在于，所述获取能够避让所述障碍物的导纳输出位置包括：

基于导纳控制原理建立导纳方程：

调整所述导纳方程得到加速度公式：

对所述加速度进行离散积分得到速度公式：

对所述速度进行离散积分得到导纳输出位置：

其中，所述

、

、

分别为所述机械臂的导纳输出加速度、导纳输出速度和导纳输出位置，所述

、

、

分别为指令下发的无导纳加速度、无导纳速度和无导纳位置，所述M_d为机械臂惯量，所述B_d为机械臂阻尼，所述K_d为机械臂刚度，所述τ_i为关节i上所产生的斥力，所述n+1为下一个时刻的数值，所述n为当前时刻的数值，所述∆t为离散时间周期。

9.一种机械臂控制方法，其特征在于，包括：

接收导纳输出位置，所述导纳输出位置通过权利要求1-8任一项所述的机械臂控制方法计算得到；

将所述导纳输出位置通过运动控制算法将其转换为运动控制指令；

将所述运动控制指令发送给关节电机。

10.一种机械臂控制装置，其特征在于，包括：

接近程度获取模块，用于获取障碍物的接近程度，所述接近程度通过电子皮肤模块的监测数据计算得到；

第一斥力转换模块，用于将所述接近程度转化为斥力；

导纳输出位置获取模块，用于获取能够避让所述障碍物的导纳输出位置，所述导纳输出位置通过导纳控制模型对所述斥力进行计算得到；

第一发送模块，用于将所述导纳输出位置发给各关节控制器。

11.根据权利要求10所述的机械臂控制装置，其特征在于，还包括：

第二斥力转换模块，用于当所述接近程度超过阈值时，将所述接近程度转化为斥力。

12.根据权利要求10所述的机械臂控制装置，其特征在于，

所述电子皮肤模块包括检测电路和电极，所述电极与所述检测电路电连接；

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。

13.根据权利要求12所述的机械臂控制装置，其特征在于，所述接近程度获取模块包括：

接近程度计算单元，用于计算每一个关节和对应关节臂上安装的电子皮肤模块所感应到的障碍物的接近程度，所述接近程度通过以下公式计算得到：

其中，所述d_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块感应到的障碍物距离，所述ε为所述电子皮肤模块与所述障碍物之间的介质的介电常数，所述S_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块的正对面积，所述C_ik为第i个关节上第k块电子皮肤模块感应到的电容，所述k为静电力常量。

14.根据权利要求10所述的机械臂控制装置，其特征在于，所述第一斥力转换模块包括：

虚拟力计算单元，用于根据接近程度计算每一块电子皮肤模块所感应到的虚拟力；

斥力计算单元，用于在每个关节上，根据力与力矩的关系计算该关节上由于虚拟力而产生的斥力，所述斥力通过以下公式计算得到：

其中，所述τ_i为障碍物接近机械臂时的斥力，jointMax是机器人的关节总数，每个关节的序号是从机器人的形态学下端往形态学上端标记，最底下的关节序号为1，往上为2、3、4……n，skinMax_n是机器人第n个关节上电子皮肤模块的总数量，f_nk为第i个关节上第k个电子皮肤模块检测到的接近程度所对应的斥力值，l_i,nk为第n个关节上第k个电子皮肤模块到第i个关节的坐标原点的距离。

15.一种机械臂控制装置，其特征在于，包括：

接收模块，用于接收导纳输出位置，所述导纳输出位置通过权利要求1-8任一项所述的机械臂控制方法计算得到；

指令转换模块，用于将所述导纳输出位置通过运动控制算法将其转换为运动控制指令；

第二发送模块，将所述运动控制指令发送给关节电机。

16.一种机械臂控制设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时，实现权利要求1-8任一项所述的机械臂控制方法。

17.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1-8任一项所述的机械臂控制方法。

18.一种机械臂控制设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时，实现权利要求9所述的机械臂控制方法。

19.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求9所述的机械臂控制方法。

20.一种机械臂，其特征在于，包括：

基座；

运动部件，连接在所述基座上，能够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；

电子皮肤模块，覆盖所述运动部件的至少部分表面，用于检测外界障碍物与所述机械臂的接近程度；

控制系统，用于执行权利要求1-8任一项及权利要求9所述的机械臂控制方法，以控制所述运动部件相对所述障碍物后退。

21.一种机械臂控制系统，其特征在于，包括：

存储模块，用于存储计算机程序；

主控制器，所述计算机程序被所述主控制器执行时，实现权利要求1-8任一项所述的机械臂控制方法；

若干个关节控制器，所述计算机程序被所述关节控制器执行时，实现权利要求9所述的机械臂控制方法；

若干个关节电机，所述关节电机根据所述运动控制指令工作。

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