CN103624790B - 六自由度机械臂遥操作控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六自由度机械臂遥操作控制方法，采用具有三自由度控制的第一操纵杆和具有三自由度控制的第二操纵杆对六自由度机械臂的速度、位置和角度进行控制，在第一操纵杆上设置有第一三自由度腕力传感器，在第二操纵杆上设置第二三自由度腕力传感器，第一操纵杆具有第一控制模式和第二控制模式，第一控制模式对六自由度机械臂末端位置三维平动时的速度控制，第二控制模式对六自由度机械臂末端位置三维平动时的位置进行控制；第二操纵杆具有实现对六自由度机械臂手爪的俯仰、旋转与偏转的速度控制的第三控制模式和对六自由度机械臂手爪的俯仰、旋转与偏转的角度控制的第四控制模式。本发明可方便地实现六自由度机械臂复杂的遥操作。

Description

六自由度机械臂遥操作控制方法

技术领域

本发明涉及机器人遥操作控制领域，具体提出了一种基于左右手两个三自由度力检测操纵杆的六自由度机械臂遥操作控制方法。

背景技术

为了应对在远距离或危险环境下执行未知或复杂任务的需要，各发达国家争相研究遥操作技术，遥操作技术是空间、深海以及遥远距离等特殊环境下机器人完成作业任务的关键技术。目前对于机械臂的遥操作控制，控制端一般使用的是手控器或者单个操纵杆。基于手控器的遥操作控制方法自由度丰富比较灵活，但是力反馈精度和稳定性方面有时达不到较高的要求。基于单个操纵杆的遥操作控制方法自由度少，且无力反馈，但是稳定性好。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于左右手两个三自由度力检测操纵杆的六自由度机械臂遥操作控制方法，使用该发明可以稳定灵活地对六自由度机械臂进行遥操作控制，实现各种复杂环境下的遥操作作业任务。

本发明采用如下技术方案：

一种六自由度机械臂遥操作控制方法，其特征在于：采用具有三自由度控制的第一操纵杆和具有三自由度控制的第二操纵杆对六自由度机械臂的速度、位置和角度进行控制，在第一操纵杆上设置有第一三自由度腕力传感器，在第二操纵杆上设置有第二三自由度腕力传感器，所述的第一三自由度腕力传感器和第二三自由度腕力传感器可测X、Y方向的力和以Z轴为轴心的旋转力矩，其中：第一操纵杆具有第一控制模式和第二控制模式，其中第一控制模式通过第一腕力传感器测得的力和力矩值实现对六自由度机械臂末端位置三维平动时的速度控制，第二控制模式通过第一腕力传感器测得的力和力矩值实现对六自由度机械臂末端位置三维平动时的位置控制；第二操纵杆具有第三控制模式和第四控制模式，其中第三控制模式通过第二腕力传感器测得的力和力矩值实现对六自由度机械臂手爪的俯仰、旋转与偏转的速度控制，第四控制模式通过第二腕力传感器测得的力和力矩值实现对六自由度机械臂手爪的俯仰、旋转与偏转的角度控制。

所述的第一控制模式和第二控制模式通过第一按键切换，所述的第三控制模式和第四控制模式通过第二按键切换。

所述的第一控制模式下的速度控制根据第一腕力传感器检测的力和力矩值设定速度档；所述的第三控制模式下的速度控制根据第二腕力传感器检测的力和力矩值设定速度档。

第二控制模式下的位置控制方法为：第一操纵杆在X、Y方向与第一腕力传感器挤压产生的力作为输入控制机械臂末端在X-Y平面内的位移，以第一操纵杆顺逆时针旋转对第一腕力传感器作用产生的力矩值控制机械臂末端在垂直方向（Z方向）上的升降距离；第四控制模式下的位置控制方法为：第二操纵杆在X、Y方向与第二腕力传感器挤压产生的力作为输入控制机械臂末端的俯仰和旋转角度，第二操纵杆以杆方向为基轴的旋转自由度对应于机械臂手爪的偏转角度。

本发明控制方法采用两个操纵杆，可通过左右手按键来切换控制模式。开始执行遥操作任务时，首先使左右手操纵杆保持复位状态（竖直状态），接通本地对远端的控制链路，通过对右手操纵杆三个自由度的控制，实现对六自由度机械臂末端位置三维平动时的速度控制。操作杆可在空间范围内自由扳动，根据操纵杆与腕力传感器在X，Y各自方向挤压所测得的力将机械臂在X，Y方向上的行走速度档分为三档：低速档——力值在5N以内，中速档——力值在5～10N区间内，高速档——力值在10N以上。操纵杆可以以杆方向为基轴作顺逆时针旋转（自上往下看），通过此旋转自由度来控制机械臂的整体上升下降速度，逆时针旋转控制上升速度，顺时针旋转控制下降速度，根据旋转手柄对腕力传感器作用产生的力矩值设定速度档。右手按键用来实现速度控制与位置控制的切换，速度控制完毕后，按下右手按键，然后复位右手操纵杆，再次按下右手按键，开始实施对机械臂末端的位置控制，以右手操纵杆在X、Y方向与腕力传感器挤压产生的力作为输入控制机械臂末端在X-Y平面内的位移，以操纵杆顺逆时针旋转对腕力传感器作用产生的力矩值控制机械臂末端在垂直方向上的升降距离；左手操纵杆用来实现机械臂手爪的俯仰、旋转与偏转，左手操纵杆的X方向对应于机械臂手爪的俯仰，Y方向对应于手爪的旋转，以杆方向为基轴的旋转自由度对应于机械臂手爪的偏转，用左手按键来切换其速度控制和位置控制，原理同上。

与现有技术相比，本发明中提出基于左右手两个三自由度力检测操纵杆的遥操作控制方法，通过对左右手两个操纵杆的操作能够实现机械臂3个以上运动自由度的灵活控制。右手三自由度操纵杆对六自由度机械臂施行三维平动控制，针对机械臂末端需移动到的位置，操作者在机械臂端摄像头视频监控的辅助下通过操纵右手手柄实现机械臂末端在水平方向上的平移及在垂直方向上的升降；左手三自由度操纵杆对六自由度机械臂施行三维转动控制，通过操纵左手手柄实现末端手爪的俯仰、旋转或偏转。本发明采用两个操纵杆并通过各自控制模式的切换，可方便实现六自由度机械臂复杂的遥操作，并使得遥操作简单精准。

附图说明：

图1是控制方法系统构成图。

图2是为操纵杆在X轴向扳动前后的对比图。

图3是六自由度遥操作机械臂图。

图4是位置控制模式下右手操纵杆控制机械臂末端位置的过程图。

图5是角度控制模式下左手操纵杆控制机械臂手爪俯仰的过程图。

具体实施方式

下文结合附图对本发明基于左右手两个三自由度力检测操纵杆的六自由度机械臂遥操作控制方法进行详细描述。

如图1所示，基于左右手两个三自由度力检测操纵杆的六自由度机械臂遥操作控制方法包括复位弹簧1和7、支架2和8、六维腕力传感器3和9、右手操纵杆4、右手按键5、左手按键6和左手操纵杆10。11～16为六自由度机械臂中的六个驱动电机，分别对应电机1～电机6，如图3所示。

其中各部分的功能描述如下：

（1）左右手操纵杆支架2、8：起支撑固定作用。

（2）复位弹簧1、7：用于复位支架位置。

（3）六维腕力传感器3、9：用于测各个方向的力和力矩。

（4）右手操纵杆4：用于机械臂末端位置在空间内运动的的控制输入。

（5）右手按键5：用于机械臂末端位置速度控制方案与位置控制方案的切换。

（6）左手操纵杆10：用于机械臂手爪俯仰、旋转与偏转动作的控制输入。

（7）左手按键6：用于机械臂手爪俯仰、旋转与偏转动作的速度控制与角度控制切换。

（8）11～16：电机1～电机6。

执行遥操作任务时，首先使左右手操纵杆保持初始复位状态，接通本地对远端的控制链路，扳动右手操纵杆，对六自由度机械臂实施速度控制，根据操纵杆与腕力传感器在X方向挤压所测得的力将机械臂在X方向上的行走速度档分为三档：低速档V₁——力值在5N以内，中速档V₂——力值在5～10N区间内，高速档V₃——力值在10N以上，如图2所示。机械臂在Y方向上的行走速度档设定方法与X方向相同。在任意方向上（非X、Y轴向）的速度则为X、Y向叠加后的合速度。以操纵杆在X轴向扳动的情况来说明机械臂在速度控制模式下的控制方法。若F<5N，此时对应低速档V₁，则机械臂在X方向上的速度为V₁（mm/s），如图3所示。以图中六自由度机械臂为例，机械臂末端初始位置为P（同时获知机械臂各关节电机角度θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅、θ₆），则100ms后机械臂末端运动到P₁（P+V₁*0.1），由P₁点，根据机器人逆向运动学解算得到关于θ′₁、θ′₂、θ′₃、θ′₄、θ′₅、θ′₆的八组值，排除掉超出机械结构、工作空间等非法值后再根据100ms前各电机所在的θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅、θ₆角度的连续值得到θ′₁、θ′₂、θ′₃、θ′₄、θ′₅、θ′₆唯一的一组解，据此驱动电机在100ms内从θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅、θ₆转动至θ′₁、θ′₂、θ′₃、θ′₄、θ′₅、θ′₆，依此方式，可使机械臂在X方向以速度V₁做匀速运动。使机械臂在Y方向以及平面内任意方向运动与之同理。右手操纵杆以杆方向为基轴作顺逆时针旋转，三个速度区间分别对应V₀₁（<5Nm）、V₀₂(5～10Nm)、V₀₃(>10Nm)，当操纵杆逆时针旋转作用于腕力传感器测得的力矩值小于5Nm时，机械臂以V₀₁的速度上升。当接近目标物体时，按下右手按键，机械臂停止，复位右手操纵杆，再次按右手按键，机械臂末端位置控制模式从速度控制切换到位置控制。以右手操纵杆在X轴上扳动过程为例，扳动后操纵杆对腕力传感器产生力F_x，则机械臂末端从原来的位置p_x到达位置p′_x，p_xp′_x＝k*F_x（k为比例系数），机械臂末端的前后位置变换与右手操纵杆扳动前后之间的对应关系如图4中所示。操纵杆以杆方向为基轴作逆时针旋转，对腕力传感器作用产生力矩τ，则对应的机械臂末端在垂直方向上升k*τ；

左手操纵杆对机械臂进行三维转动控制，根据左手操纵杆在X、Y方向上与腕力传感器挤压产生的力值确定机械臂手爪俯仰与旋转的速度档，以不同速度档对应速度设置控制机械臂手爪俯仰与旋转的电机的转动速度。左手操纵杆以杆方向为基轴的旋转自由度控制机械臂手爪的偏转速度，根据操纵杆顺逆时针旋转对腕力传感器作用产生的力矩值将机械臂手爪偏转速度划分为三个速度区间，当力矩τ<τ₀时，机械臂手爪以第一区间的速度偏转。按下左手按键，机械臂停止，复位左手操纵杆，再次按下左手按键，机械臂手爪控制模式从速度控制切换到角度控制。以左手操纵杆在X轴上扳动为例说明角度控制模式下操纵杆对机械臂手爪的控制，如图5所示，左手操纵杆与腕力传感器作用产生X轴向上的力F_x时，机械臂手爪上仰α=k'*F_x（k'为比例系数）。机械臂手爪在角度控制模型下的旋转与偏转情况与此类似。

Claims (4)

1.一种六自由度机械臂遥操作控制方法，其特征在于：采用具有三自由度控制的第一操纵杆和具有三自由度控制的第二操纵杆对六自由度机械臂的速度、位置和角度进行控制，在第一操纵杆上设置有第一三自由度腕力传感器，在第二操纵杆上设置有第二三自由度腕力传感器，所述的第一三自由度腕力传感器和第二三自由度腕力传感器可测X、Y方向的力和以Z轴为轴心的旋转力矩，其中：第一操纵杆具有第一控制模式和第二控制模式，其中第一控制模式通过第一腕力传感器测得的力和力矩值实现对六自由度机械臂末端位置三维平动时的速度控制，第二控制模式通过第一腕力传感器测得的力和力矩值实现对六自由度机械臂末端位置三维平动时的位置控制；第二操纵杆具有第三控制模式和第四控制模式，其中第三控制模式通过第二腕力传感器测得的力和力矩值实现对六自由度机械臂手爪的俯仰、旋转与偏转的速度控制，第四控制模式通过第二腕力传感器测得的力和力矩值实现对六自由度机械臂手爪的俯仰、旋转与偏转的角度控制。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的第一控制模式和第二控制模式通过第一按键切换，所述的第三控制模式和第四控制模式通过第二按键切换。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的第一控制模式下的速度控制根据第一腕力传感器检测的力和力矩值设定速度档；所述的第三控制模式下的速度控制根据第二腕力传感器检测的力和力矩值设定速度档。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述第二控制模式下的位置控制方法为：第一操纵杆在X、Y方向与第一腕力传感器挤压产生的力作为输入控制机械臂末端在X-Y平面内的位移，以第一操纵杆顺逆时针旋转对第一腕力传感器作用产生的力矩值控制机械臂末端在垂直方向上的升降距离；第四控制模式下的位置控制方法为：第二操纵杆在X、Y方向与第二腕力传感器挤压产生的力作为输入控制机械臂末端的俯仰和旋转，第二操纵杆以杆方向为基轴的旋转自由度对应于机械臂手爪的偏转。