对机械臂在零空间自运动进行约束的方法和装置.pdf

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1、(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202310718204.8(22)申请日 2023.06.16(71)申请人 北京敏锐达致机器人科技有限责任公司地址 100192 北京市海淀区永泰庄北路1号天地邻枫2号楼2层214(72)发明人 牛沐青吴静远杨冬赵越超祝汉歧(74)专利代理机构 北京庚致知识产权代理事务所(特殊普通合伙)11807专利代理师 李晓辉(51)Int.Cl.B25J 9/16(2006.01)(54)发明名称对机械臂在零空间自运动进行约束的方法和装置(57)摘要本公开提供一种对机械臂在零空间自运动进行约束的方法，其。

2、包括：控制机械臂在零力拖动模式下；将机械臂的肩部关节、腕部关节和肘部关节所组成的平面设为臂平面；设定参考平面，将所述臂平面与参考平面之间的角设为臂角；设定虚拟墙面，其中，所述参考平面、臂平面以及虚拟墙面相交于同一条直线；在机械臂运动时，所述臂角沿第一方向发生变化，并使得臂平面接近虚拟墙面；当臂平面与虚拟墙面重合时，对机械臂的臂平面中的肩部关节的运动进行约束，以便阻碍臂平面在第一方向上越过虚拟墙面时以及越过虚拟墙面后的运动。本公开还提供一种对机械臂在零空间自运动进行约束的装置、电子设备和可读存储介质。权利要求书1页 说明书12页 附图2页CN 116604562 A2023.08.18CN 11。

3、6604562 A1.一种对机械臂在零空间自运动进行约束的方法，其特征在于，包括：控制机械臂在零力拖动模式下；将机械臂的肩部关节、腕部关节和肘部关节所组成的平面设为臂平面；设定参考平面，将所述臂平面与参考平面之间的角设为臂角；设定虚拟墙面，其中，所述参考平面、臂平面以及虚拟墙面相交于同一条直线；在机械臂运动时，所述臂角沿第一方向发生变化，并使得臂平面接近虚拟墙面；当臂平面与虚拟墙面重合时，对机械臂的臂平面中的肩部关节的运动进行约束，以便阻碍臂平面在第一方向上越过虚拟墙面时以及越过虚拟墙面后的运动。2.如权利要求1所述的对机械臂在零空间自运动进行约束的方法，其特征在于，基于所述臂角设置预设臂角阈。

4、值，将所述臂角阈值所对应的平面设置为虚拟墙面。3.如权利要求2所述的对机械臂在零空间自运动进行约束的方法，其特征在于，当臂角达到预设臂角阈值时，基于机械臂各个关节的重力项、摩擦力项及阻力因子，计算所需的各个关节驱动力矩以及为了阻碍臂角沿第一方向变化的抵抗力矩，并将所述驱动力矩和抵抗力矩施加到关节上。4.如权利要求3所述的对机械臂在零空间自运动进行约束的方法，其特征在于，当当前臂角在预设臂角阈值内时，阻力因子为0；当当前臂角在预设臂角阈值外时，计算阻力因子；如果计算的阻力因子大于第一预设阈值，则将阻力因子取值为第一预设阈值；如果计算的阻力因子小于第二预设阈值时，将阻力因子取值为第二预设阈值，如果。

5、计算的阻力因子在第一预设值和第二预设值之间时，则阻力因子保持不变。5.如权利要求4所述的对机械臂在零空间自运动进行约束的方法，其特征在于，所述第一预设阈值大于第二预设阈值。6.如权利要求5所述的对机械臂在零空间自运动进行约束的方法，其特征在于，所述第一预设阈值大于0；和/或，所述第二预设阈值小于0。7.一种对机械臂在零空间自运动进行约束的装置，其特征在于，包括：控制模块，所述控制模块用于控制机械臂在零力拖动模式下；以及参数设置模块，将机械臂的肩部关节、腕部关节和肘部关节所组成的平面设为臂平面；设定参考平面，将所述臂平面与参考平面之间的角设为臂角；设定虚拟墙面，其中，所述参考平面、臂平面以及虚拟。

6、墙面相交于同一条直线；其中，在机械臂运动时，所述臂角沿第一方向发生变化，并使得臂平面接近虚拟墙面；当臂平面与虚拟墙面重合时，所述控制模块还用于对机械臂的臂平面中的肩部关节的运动进行约束，以便阻碍臂平面在第一方向上越过虚拟墙面时以及越过虚拟墙面后的运动。8.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器，所述存储器存储执行指令；以及处理器，所述处理器执行所述存储器存储的执行指令，使得所述处理器执行如权利要求1至6中任一项所述的方法。9.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现如权利要求1至6中任一项所述的方法。权利要求书1/1 页2CN 1166。

7、04562 A2对机械臂在零空间自运动进行约束的方法和装置技术领域0001本公开涉及一种对机械臂在零空间自运动进行约束的方法、装置、电子设备和可读存储介质，属于机器人技术领域。背景技术0002随着工程技术的不断发展，机械臂的应用越来越广泛，对于机械臂需要完成的任务也就越来越复杂。目前工业机械臂已经成熟应用在工业生产中，能够替代人类完成抓取、涂胶、喷漆等作业。为了提高机械臂人机协作的能力，七自由度协作机械臂越来越受到行业关注。七自由度协作机械臂可以实现避奇异，避障，优化关节力矩等性能指标。0003对于七自由度机械臂求逆解时会存在无穷多组解，所以在求逆解的过程中需要引入一个虚拟参数臂角。臂角描述的。

8、是机械臂肘、腕、肩部形成的三角形与参考平面的夹角。对于SRS构型的机械臂，采用臂角计算逆解已经相当成熟。对于肘部和腕部有偏置的非SRS构型机械臂，可以先将腕部偏置简化并构造成SRS型，再进行求解。通过臂角参数化七自由度冗余机械臂的自运动特性，即若机械臂有自运动现象则其臂平面也会随之转动，臂角也随之改变。0004协作机械臂为了提高协同作业时人类的安全，会添加虚拟墙功能，保证机械臂在一个特定的工作空间内工作，而不会穿过虚拟墙威胁人身安全。在现有技术中，虚拟墙一般对机械臂末端法兰或者工具进行笛卡尔空间内的约束。通过对笛卡尔坐标系三个方向上进行限制，将机械臂工作空间约束在一定范围内，在零力拖动模式下，。

9、七自由度机械臂会表现出其自运动的特性，这种特性会对用户使用机械臂造成影响。发明内容0005为了解决上述技术问题之一，本公开提供了一种对机械臂在零空间自运动进行约束的方法、装置、电子设备和可读存储介质。0006根据本公开的一个方面，提供了一种对机械臂在零空间自运动进行约束的方法，其包括：0007控制机械臂在零力拖动模式下；0008将机械臂的肩部关节、腕部关节和肘部关节所组成的平面设为臂平面；设定参考平面，将所述臂平面与参考平面之间的角设为臂角；设定虚拟墙面，其中，所述参考平面、臂平面以及虚拟墙面相交于同一条直线；0009在机械臂运动时，所述臂角沿第一方向发生变化，并使得臂平面接近虚拟墙面；当臂平。

10、面与虚拟墙面重合时，对机械臂的臂平面中的肩部关节的运动进行约束，以便阻碍臂平面在第一方向上越过虚拟墙面时以及越过虚拟墙面后的运动。0010根据本公开的至少一个实施方式的对机械臂在零空间自运动进行约束的方法，基于所述臂角设置预设臂角阈值，将所述臂角阈值所对应的平面设置为虚拟墙面。0011根据本公开的至少一个实施方式的对机械臂在零空间自运动进行约束的方法，当说明书1/12 页3CN 116604562 A3臂角达到预设臂角阈值时，基于机械臂各个关节的重力项、摩擦力项及阻力因子，计算所需的各个关节驱动力矩以及为了阻碍臂角沿第一方向变化的抵抗力矩，并将所述驱动力矩和抵抗力矩施加到关节上。0012根据本。

11、公开的至少一个实施方式的对机械臂在零空间自运动进行约束的方法，当当前臂角在预设臂角阈值内时，阻力因子为0；当当前臂角在预设臂角阈值外时，计算阻力因子；如果计算的阻力因子大于第一预设阈值，则将阻力因子取值为第一预设阈值；如果计算的阻力因子小于第二预设阈值时，将阻力因子取值为第二预设阈值，如果计算的阻力因子在第一预设值和第二预设值之间时，则阻力因子保持不变。0013根据本公开的至少一个实施方式的对机械臂在零空间自运动进行约束的方法，所述第一预设阈值大于第二预设阈值。0014根据本公开的至少一个实施方式的对机械臂在零空间自运动进行约束的方法，所述第一预设阈值大于0；和/或，所述第二预设阈值小于0。0。

12、015根据本公开的另一方面，提供一种对机械臂在零空间自运动进行约束的装置，其包括：0016控制模块，所述控制模块用于控制机械臂在零力拖动模式下；以及0017参数设置模块，将机械臂的肩部关节、腕部关节和肘部关节所组成的平面设为臂平面；设定参考平面，将所述臂平面与参考平面之间的角设为臂角；设定虚拟墙面，其中，所述参考平面、臂平面以及虚拟墙面相交于同一条直线；0018其中，在机械臂运动时，所述臂角沿第一方向发生变化，并使得臂平面接近虚拟墙面；当臂平面与虚拟墙面重合时，所述控制模块还用于对机械臂的臂平面中的肩部关节的运动进行约束，以便阻碍臂平面在第一方向上越过虚拟墙面时以及越过虚拟墙面后的运动。001。

13、9根据本公开的又一个方面，提供一种电子设备，其包括：0020存储器，所述存储器存储执行指令；以及0021处理器，所述处理器执行所述存储器存储的执行指令，使得所述处理器执行如上述的方法。0022根据本公开的又一个方面，提供一种可读存储介质，所述可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现如上述的方法。附图说明0023附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。0024图1是根据本公开的一个实施方式的对机械臂在零空间自运动进行约束的方法的流程示意图。0025图。

14、2是根据本公开的一个实施方式的臂平面、参考平面、虚拟墙面及臂角示意图。0026图3是根据本公开的一个实施方式的带偏置机械臂的臂平面示意图。0027图4是根据本公开的一个实施方式的对机械臂在零空间自运动进行约束的装置结构示意图。说明书2/12 页4CN 116604562 A4具体实施方式0028下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。0029需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结。

15、合实施方式来详细说明本公开的技术方案。0030除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。0031在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸。

16、大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。0032当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。0033为了描述性目的，本公开可。

17、使用诸如“在之下”、“在下方”、“在下”、“下”、“在上方”、“上”、“在之上”、“较高的”和“侧(例如，如在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。0034这里使用。

18、的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。0035图1是根据本公开的一个实。

19、施方式的对机械臂在零空间自运动进行约束的方法的说明书3/12 页5CN 116604562 A5流程示意图。0036如图1所示，对机械臂在零空间自运动进行约束的方法S100，包括：S102、控制机械臂在零力拖动模式下；S104、将机械臂的肩部关节、腕部关节和肘部关节所组成的平面设为臂平面；设定参考平面，将所述臂平面与参考平面之间的角设为臂角；设定虚拟墙面，其中，所述参考平面、臂平面以及虚拟墙面相交于同一条直线；以及S106、在机械臂运动时，所述臂角沿第一方向发生变化，并使得臂平面接近虚拟墙面；当臂平面与虚拟墙面重合时，对机械臂的臂平面中的肩部关节的运动进行约束，以便阻碍臂平面在第一方向上越过虚。

20、拟墙面时以及越过虚拟墙面后的运动。0037本公开中，当所述机械臂具有零空间时，其一般具有六个以上的自由度，并形成为冗余机械臂。此时，当机械臂末端的位姿保持不变时，机械臂的各个关节可以具有多个相对位姿，即这些关节的运动能够形成为零空间自运动。0038零力拖动模式是机械臂在示教等工作状态时的控制类型，本公开的对机械臂在零空间自运动进行约束的方法为应用在机械臂的零力拖动模式下的一种方法。0039本公开中，可以将机械臂的肩部关节、腕部关节和肘部关节所在的平面作为臂平面，即将机械臂的2、4、6关节的坐标点所组成的平面设为臂平面。0040对于任意构型的7自由度机械臂，包括SRS构型和非SRS构型，可以将机。

21、械臂的第二关节、第四关节和第六关节的坐标点构成的平面设为臂平面。0041设定参考平面，将所述臂平面与参考平面之间的角设为臂角。本公开中，在机械臂动作时，臂角随臂平面变化而变化。也就是说，此时参考平面是一个位置固定的平面，优选地，所述参考平面为竖直平面。0042例如，当机械臂的肩部、肘部和腕部所在的平面作为臂平面时，所述参考平面为经过所述机械臂的肩部和腕部的竖直平面，此时，所述参考平面与所述臂平面相交处的直线通过机械臂的腕部和肩部。0043本公开中，基于所述臂角设置预设臂角阈值，将所述臂角阈值所对应的平面设置为虚拟墙面，此时所述参考平面、臂平面以及虚拟墙面相交于同一条直线，该直线通过机械臂的腕部。

22、和肩部。0044图2是根据本公开的一个实施方式的臂平面、参考平面、虚拟墙面及臂角示意图。0045图3是根据本公开的一个实施方式的带偏置机械臂的臂平面示意图。0046如图3所示，对于任意构型七自由度机械臂，可以将其偏置构型进行简化，具体简化形式如下图3中所示，轴O2可以看作为肩部Ps，轴O4作为肘部Pe，轴O6作为腕部Pw。d3，a4，a5，d5，a6，a7，d7代表第三，四，五，六，七关节的DH参数。0047本公开中，臂角的计算的一个具体实施方式，包括以下步骤：0048通过正运动学计算方法获得机械臂各个关节坐标点的位置。具体计算方法如下。004900500051其中，表示通过第i1个关节计算第。

23、i个关节的位姿信息的计算方法，i为关节说明书4/12 页6CN 116604562 A6序号。例如，表示通过第一至第六关节的位姿信息计算第七个关节的位姿信息。其他关节的位姿信息的计算方法类推。00520053其中，R表示关节的旋转矩阵，P表示关节的位置矩阵。0054接下来，基于关节坐标点的位置计算臂角。0055如图3所示，设将第二关节坐标系作为基坐标系，V作为基坐标系的垂直方向单位向量。定义参考平面单位向量其中l(LSwV)Lsw，将Lse投影到Lsw可以得到为Lsw的单位向量。点Pe到Lsw垂直距离向量为Lse的单位向量，为P的单位向量。0056臂角正切公式臂角计算公式如下：00570058。

24、通常情况下，选择垂直方向作为参考平面，即图中所示V(z)与(Y)所形成的平面作为参考平面，针对计算出来的臂角作为虚拟墙设置的参数。0059其中Lsw，Les，d，P，l，均可以在臂角计算过程中得到结果，即通过上述步骤的计算方法得到。根据DH参数计算出转换矩阵，根据下列公式可以计算出每个轴的相对基座的位置P，也就可以求出上述参数向量的表达。0060在机械臂运动时，所述臂角沿第一方向发生变化，所述第一方向可以为图2所示的接近虚拟墙面的方向。本公开中，臂角也可以沿第一方向的反方向发生变化，此时所述臂平面的两侧均可以设置虚拟墙面。以下仅针对于在臂平面的一侧设置虚拟墙面的情况进行说明，在臂平面的两侧设置。

25、虚拟墙面的情况与在臂平面的一侧设置虚拟墙面的情况相似，在此不再一一赘述。0061当臂角发生变化时，其接近虚拟墙面。当臂平面与虚拟墙面重合时，对机械臂的臂平面中的肩部关节的运动进行约束，以便阻碍臂平面在第一方向上越过虚拟墙面时以及越过虚拟墙面后的运动。0062也就是说，当机械臂在运动时，越过虚拟墙面后，通过对关节的控制，将会产生一个抵抗力矩，使得机械臂在进一步运动时，变得困难。本公开中，该虚拟墙面并非刚性墙，而是可以被越过的柔性墙，此时所述阻碍臂平面在第一方向上越过虚拟墙面时以及越过虚拟墙面后的运动即臂平面能够越过虚拟墙面，但是由于抵抗力矩的存在，越过虚拟墙面后，需要更大的力/力矩才能够驱动机械。

26、臂进一步的运动。0063如图2所示，所述预设臂角阈值可以为相应地，在和处设置两个虚拟墙面。说明书5/12 页7CN 116604562 A70064当臂角达到预设臂角阈值时，基于机械臂各个关节的重力项、摩擦力项及阻力因子，计算所需的各个关节驱动力矩以及为了阻碍臂角沿第一方向变化的抵抗力矩，并将所述驱动力矩和抵抗力矩施加到关节上。0065具体地，对于图2和图3所示出的机械臂，其动力学模型可以简化为下式：00660067机械臂动力学模型中，各个表达式含义如下：为关节驱动力矩，M(q)为惯性矩阵，为科氏力相关项，G(q)为重力项，f为摩擦力项。0068在零力拖动模式下，只需要将重力项G(q)和摩擦力。

27、项f补偿即可保证拖动的柔顺性。0069当臂角旋转到虚拟墙时，需要添加一个垂直于臂平面的阻力fresis以及关节抵抗力矩 res来阻碍机械臂的臂角继续变化(旋转)，0070所以在零力拖动过程中需要添加如下式所示的关节扭矩 。因此，施加在各个关节的扭矩的具体计算方法如下：0071 C*resis+G(q)+f0072其中，resis表示各个轴的抵抗力矩，resisJfresis+res，通过雅克比矩阵J将施加在各个轴的阻力fresis转换为相应关节的抵抗力矩。其中，G(q)表示重力项。C表示阻力因子。fresis表示施加在各个关节的阻力，可以在初始化中设置为一个固定值。0073其中，res表示抵抗。

28、力矩，可以通过关节阻抗控制原理来进行计算将机械臂关节等效为弹簧质量阻尼系统。0074抵抗力矩在实际应用中，抵抗力矩 res可以简化为下式：由于阻力因子的存在可以直接将 res简化为固定值。0075基于缓冲臂角区间当前臂角、预设臂角阈值计算阻力因子C；其中，当当前臂角在预设臂角阈值内时(即当前臂角大于等于小于等于)，阻力因子为0，即不产生额外的阻力，即不施加抵抗力矩。0076当当前臂角在预设臂角阈值外时，计算阻力因子；如果当前臂角大于时，如果当前臂角小于时，0077如果计算的阻力因子大于第一预设阈值，则将阻力因子取值为第一预设阈值；如果计算的阻力因子小于第二预设阈值时，将阻力因子取值为第二预设阈。

29、值，如果计算的阻力因子在第一预设值和第二预设值之间(包括计算的阻力因子等于第一预设值或等于第二预设值)时，则阻力因子保持不变(为当前计算值)。0078在一个优选的实施例中，所述第一预设阈值大于第二预设阈值。更优选地，所述第一预设阈值和第二预设阈值的绝对值相同。0079本公开中，所述第一预设阈值大于0小于等于3；例如，第一预设阈值可以为1；相应地，所述第二预设阈值大于等于3小于0，例如，第二预设阈值可以为1。0080本公开中，预设臂角阈值为表示臂角大小的常数，缓冲臂角区间表示臂角虚拟墙缓冲区间，即虚拟墙厚度。说明书6/12 页8CN 116604562 A80081在零力拖动以及自运动控制中，七。

30、自由度机械臂的臂角的变化主要由关节2和关节3决定，所以只要限制关节2和关节3的转动就可以限制臂角的变化。0082至此，就可以得到当臂角旋转到虚拟墙范围时给予关节的抵抗力矩。当机械臂构成的臂角旋转到虚拟墙平面，将抵抗力矩施加到关节2和关节3，就可以实现臂角的限制，保证其在拖动和运动时的姿态稳定。0083本公开提供的冗余机械臂在零力拖动模式下的零空间自运动进行约束的方法，具有以下技术优势。相对于现有技术通过基于机械臂末端添加笛卡尔空间虚拟墙，为了保证用户安全对末端工作空间进行限制，本公开提供的方法，基于臂角设定的虚拟墙技术，针对于冗余机械臂其自运动特性，在机械臂的臂平面范围内，可以进一步的对其姿态。

31、进行限制，同时增强对用户操作的安全性。0084图4是根据本公开的一个实施方式的对机械臂在零空间自运动进行约束的装置结构示意图。0085如图4所示，对机械臂在零空间自运动进行约束的装置1000包括控制模块1002以及参数设置模块1004等。0086其中，所述控制模块1002用于控制机械臂在零力拖动模式下；以及参数设置模块1004用于将机械臂的肩部关节、腕部关节和肘部关节所组成的平面设为臂平面；设定参考平面，将所述臂平面与参考平面之间的角设为臂角；设定虚拟墙面，其中，所述参考平面、臂平面以及虚拟墙面相交于同一条直线；其中，在机械臂运动时，所述臂角沿第一方向发生变化，并使得臂平面接近虚拟墙面；当臂平。

32、面与虚拟墙面重合时，所述控制模块还用于对机械臂的臂平面中的肩部关节的运动进行约束，以便阻碍臂平面在第一方向上越过虚拟墙面时以及越过虚拟墙面后的运动。0087本公开中，当所述机械臂具有零空间时，其一般具有六个以上的自由度，并形成为冗余机械臂。此时，当机械臂末端的位姿保持不变时，机械臂的各个关节可以具有多个相对位姿，即这些关节的运动能够形成为零空间自运动。0088零力拖动模式是机械臂在示教等工作状态时的控制类型，本公开的对机械臂在零空间自运动进行约束的方法为应用在机械臂的零力拖动模式下的一种方法。0089本公开中，可以将机械臂的肩部关节、腕部关节和肘部关节所组成的平面设为臂平面。优选的，将机械臂的。

33、肩部、肘部和腕部的坐标点所组成的平面设为臂平面。0090对于任意构型的7自由度机械臂，包括SRS构型和非SRS构型，可以将机械臂的第二关节、第四关节和第六关节的坐标点构成的平面设为臂平面。0091设定参考平面，将所述臂平面与参考平面之间的角设为臂角。本公开中，在机械臂动作时，臂角随臂平面变化而变化。也就是说，此时参考平面是一个位置固定的平面，优选地，所述参考平面为竖直平面。0092例如，当机械臂的肩部、肘部和腕部所在的平面作为臂平面时，所述参考平面为经过所述机械臂的肩部和腕部的竖直平面，此时，所述参考平面与所述臂平面相交处的直线通过机械臂的腕部和肩部。0093本公开中，基于所述臂角设置预设臂角。

34、阈值，将所述臂角阈值所对应的平面设置为虚拟墙面，此时所述虚拟墙面、臂平面以及虚拟墙面相交于同一条直线，该直线通过机械臂的腕部和肩部。说明书7/12 页9CN 116604562 A90094如图3所示，对于任意构型七自由度机械臂，可以将其偏置构型进行简化，具体简化形式如下图3中所示，轴O2可以看作为肩部Ps，轴O4作为肘部Pe，轴O6作为腕部Pw。d3，a4，a5，d5，a6，a7，d7代表第三，四，五，六，七关节的DH参数。0095本公开中，臂角的计算的一个具体实施方式，包括以下步骤：0096通过正运动学计算方法获得机械臂各个关节坐标点的位置。具体计算方法如下。009700980099其中，。

35、表示通过第i1个关节计算第i个关节的位姿信息的计算方法，i为关节序号。例如，表示通过第一至第六关节的位姿信息计算第七个关节的位姿信息。其他关节的位姿信息的计算方法类推。01000101其中，R表示关节的旋转矩阵，P表示关节的位置矩阵。0102接下来，基于关节坐标点的位置计算臂角。0103如图3所示，设将第二关节坐标系作为基坐标系，V作为基坐标系的垂直方向单位向量。定义参考平面单位向量其中l(LswV)Lsw，将Lse投影到Lsw可以得到为Lsw的单位向量。点Pe到Lsw垂直距离向量为Lse的单位向量，为P的单位向量。0104臂角正切公式臂角计算公式如下：01050106通常情况下，选择垂直方向。

36、作为参考平面，即图中所示V(z)与(Y)所形成的平面作为参考平面，针对计算出来的臂角作为虚拟墙设置的参数。0107其中Lsw，Les，d，P，l，均可以在臂角计算过程中得到结果，即通过上述步骤的计算方法得到。根据DH参数计算出转换矩阵，根据下列公式可以计算出每个轴的相对基座的位置P，也就可以求出上述参数向量的表达。0108在机械臂运动时，所述臂角沿第一方向发生变化，所述第一方向可以为图2所示的接近虚拟墙面的方向。本公开中，臂角也可以沿第一方向的反方向发生变化，此时所述臂平面的两侧均可以设置虚拟墙面。以下仅针对于在臂平面的一侧设置虚拟墙面的情况进行说明，在臂平面的两侧设置虚拟墙面的情况与在臂平面。

37、的一侧设置虚拟墙面的情况相似，在此不再一一赘述。说明书8/12 页10CN 116604562 A100109当臂角发生变化时，其接近虚拟墙面。当臂平面与虚拟墙面重合时，对机械臂的臂平面中的肩部关节的运动进行约束，以便阻碍臂平面在第一方向上越过虚拟墙面时以及越过虚拟墙面后的运动。0110也就是说，当机械臂在运动时，越过虚拟墙面后，通过对关节的控制，将会产生一个抵抗力矩，使得机械臂在进一步运动时，变得困难。本公开中，该虚拟墙面并非刚性墙，而是可以被越过的柔性墙，此时所述阻碍臂平面在第一方向上越过虚拟墙面时以及越过虚拟墙面后的运动即臂平面能够越过虚拟墙面，但是由于抵抗力矩的存在，越过虚拟墙面后，需。

38、要更大的力/力矩才能够驱动机械臂进一步的运动。0111如图2所示，所述预设臂角阈值可以为相应地，在和处设置两个虚拟墙面。0112当臂角达到预设臂角阈值时，基于机械臂各个关节的重力项、摩擦力项及阻力因子，计算所需的各个关节驱动力矩以及为了阻碍臂角沿第一方向变化的抵抗力矩，并将所述驱动力矩和抵抗力矩施加到关节上。0113具体地，对于图2和图3所示出的机械臂，其动力学模型可以简化为下式：01140115机械臂动力学模型中，各个表达式含义如下：为关节驱动力矩，M(q)为惯性矩阵，为科氏力相关项，G(q)为重力项，f为摩擦力项。0116在零力拖动模式下，只需要将重力项G(q)和摩擦力项f补偿即可保证拖动。

39、的柔顺性。0117当臂角旋转到虚拟墙时，需要添加一个垂直于臂平面的阻力fresis以及关节抵抗力矩 res来阻碍机械臂的臂角继续变化(旋转)，0118所以在零力拖动过程中需要添加如下式所示的关节扭矩 。因此，施加在各个关节的扭矩的具体计算方法如下：0119 C*resis+G(q)+f0120其中，resis表示各个轴的抵抗力矩，resisJfresis+res，通过雅克比矩阵J将施加在各个轴的阻力fresis转换为相应关节的抵抗力矩。其中，G(q)表示重力项。C表示阻力因子。fresis表示施加在各个关节的阻力，可以在初始化中设置为一个固定值。0121其中，res表示抵抗力矩，可以通过关节阻。

40、抗控制原理来进行计算将机械臂关节等效为弹簧质量阻尼系统。0122抵抗力矩在实际应用中，抵抗力矩 res可以简化为下式：由于阻力因子的存在可以直接将 res简化为固定值。0123基于缓冲臂角区间当前臂角、预设臂角阈值计算阻力因子C；其中，当当前臂角在预设臂角阈值内时(即当前臂角大于等于小于等于)，阻力因子为0，即不产生额外的阻力，即不施加抵抗力矩。0124当当前臂角在预设臂角阈值外时，计算阻力因子；如果当前臂角大于时，如果当前臂角小于时，说明书9/12 页11CN 116604562 A110125如果计算的阻力因子大于第一预设阈值，则将阻力因子取值为第一预设阈值；如果计算的阻力因子小于第二预设。

41、阈值时，将阻力因子取值为第二预设阈值，如果计算的阻力因子在第一预设值和第二预设值之间(包括计算的阻力因子等于第一预设值或等于第二预设值)时，则阻力因子保持不变(为当前计算值)。0126在一个优选的实施例中，所述第一预设阈值大于第二预设阈值。更优选地，所述第一预设阈值和第二预设阈值的绝对值相同。0127本公开中，所述第一预设阈值大于0小于等于3；例如，第一预设阈值可以为1；相应地，所述第二预设阈值大于等于3小于0，例如，第一预设阈值可以为1。0128本公开中，预设臂角阈值为表示臂角大小的常数，缓冲臂角区间表示臂角虚拟墙缓冲区间，即虚拟墙厚度。0129在零力拖动以及自运动控制中，七自由度机械臂的臂。

42、角的变化主要由于关节2和关节3决定，所以只要限制关节2和关节3的转动就可以限制臂角的变化。0130至此，就可以得到当臂角旋转到虚拟墙范围时给予关节的抵抗力矩。当机械臂构成的臂角旋转到虚拟墙平面，将抵抗力矩施加到关节2和关节3，就可以实现臂角的限制，保证其在拖动和运动时的姿态稳定。0131根据本公开的又一个方面，提供一种电子设备，包括：0132存储器，存储器存储执行指令；0133处理器，处理器执行存储器存储的执行指令，使得处理器执行上述任一项方法。0134根据本公开的又一个方面，提供一种可读存储介质，可读存储介质中存储有执行指令，执行指令被处理器执行时用于实现上述任一项方法。0135图4示出了采。

43、用处理系统的硬件实现方式的装置示例图。该装置可以包括执行上述流程图中各个或几个步骤的相应模块。因此，可以由相应模块执行上述流程图中的每个步骤或几个步骤，并且该装置可以包括这些模块中的一个或多个模块。模块可以是专门被配置为执行相应步骤的一个或多个硬件模块、或者由被配置为执行相应步骤的处理器来实现、或者存储在计算机可读介质内用于由处理器来实现、或者通过某种组合来实现。0136该硬件结构可以利用总线架构来实现。总线架构可以包括任何数量的互连总线和桥接器，这取决于硬件的特定应用和总体设计约束。总线1100将包括一个或多个处理器1200、存储器1300和/或硬件模块的各种电路连接到一起。总线1100还可。

44、以将诸如外围设备、电压调节器、功率管理电路、外部天线等的各种其他电路1400连接。0137总线1100可以是工业标准体系结构(ISA，Industry Standard Architecture)总线、外部设备互连(PCI，Peripheral Component)总线或扩展工业标准体系结构(EISA，Extended Industry Standard Component)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，该图中仅用一条连接线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。0138流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用。

45、于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本公开的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本公开的实施方式所属技术领域的技术人员所理解。处理器执行上文所描述的各个方法和处理。说明书10/12 页12CN 116604562 A12例如，本公开中的方法实施方式可以被实现为软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储器。在一些实施方式中，软件程序的部分或者全部可以经由存储器和/或通信接口而被载入和/或安装。当软件程序加载到存储器并由处理器执行时，可以执行上文描述的方法中。

46、的一个或多个步骤。备选地，在其他实施方式中，处理器可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行上述方法之一。0139在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，可以具体实现在任何可读存储介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。0140就本说明书而言，“可读存储介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。可读存储介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括。

47、以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式只读存储器(CDROM)。另外，可读存储介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在存储器中。0141应当理解，本公开的各部分可以用硬件、软件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件来实现。例如，如果用硬件。

48、来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。0142本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施方式方法的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，的程序可以存储于一种可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施方式的步骤之一或其组合。0143此外，在本公开各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块。

49、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，也可以存储在一个可读存储介质中。存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。0144在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式/方式”、“一些实施方式/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施方式/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须的是相同的实施方式/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式/方式或示例中以合适。

50、的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式/方式或示例以及不同实施方式/方式或示例的特征进行结合和组合。0145此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性说明书11/12 页13CN 116604562 A13或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。0146本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所。