CN104808668B - 基于力信息的多移动机器人协作搬运平板状物体方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于力信息的多移动机器人协作搬运平板状物体方法，该搬运系统包括主端、从端和通讯环节三部分。主端包括两个操作员、监控中心、两台力反馈人机接口设备，从端包括带有机械手的多移动机器人系统、被搬运物体、摄像头和工作环境，主从端之间通过Internet、无线传感器网络等无线设备进行通信。其中从端的多移动机器人系统具有一定的自主移动能力，主端的操作员可以通过力反馈人机接口设备和监控中心提供的信息获取到从端的多移动机器人的位姿、队形以及被搬运物的平稳性状态。同时操作员可以通过力反馈设备进行远程干预，帮助多移动机器人协作搬运系统处理各种复杂情况，以保证被搬运物体安全平稳到达目标位置。

Description

基于力信息的多移动机器人协作搬运平板状物体方法

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种基于力信息的多移动机器人协作搬运平板状物体方法。

背景技术

在人类难以到达或者接近的危险复杂环境中，利用机器人搬运物体，不仅解放了劳动力，而且提高了工作效率。由于被搬运物体的体积重量不唯一，如果采用单个机器人，则会造成机器人的结构功能复杂，制造成本高、鲁棒性差等缺点，采用多个结构简单的多移动机器人协作则能够弥补以上不足。随着多移动机器人协作控制技术的研究日渐完善，将多移动机器人用于协作运输具有广阔的应用前景。

然而由于现场环境复杂多变，依靠当前移动机器人的智能水平，采用全自主的控制方式很难实现。依靠常规的传感器反馈速度、位置、加速度、视频等信息给操作员参考进行单边控制，不足以保证系统的稳定性与安全性。而且如果多移动机器人所搬运的物体不能够平稳安全到达目标位置，可能会造成设备损坏和环境污染。因此，要尽可能保证搬运过程中物体的平稳性。利用力反馈人机接口设备，操作员可以更好地感知到机器人执行任务的状态，也可以及时将人的高级认知和决策能力引入到机器人的控制中。然而对多移动机器人系统进行基于力信息的双边遥操作控制，不仅主从端的工作空间和工作自由度都不匹配，而且需要利用有限的主端接口设备控制数量不定的从端多移动机器人系统。

发明内容

发明目的：本发明提供一种基于力信息的多移动机器人协作搬运平板状物体方法，该方法可以使多移动机器人平稳安全地将被搬运物体送达目标位置。

技术方案：一种基于力信息的多移动机器人协作搬运平板状物体方法，由主端、从端和通讯环节组成；所述主端包括两个操作员、监控中心和两个力反馈人机接口设备；所述从端包括多移动机器人系统、被搬运物体、摄像头和工作环境；所述通讯环节采用Internet、无线传感器网络等无线通信方式；

所述操作员通过与人机接口设备进行交互，将控制命令通过通讯环节发送至从端的多移动平台系统，多移动平台根据接收到的指令形成预定的队形，到达被搬运物体周围；

所述监控中心以文本或者图片的形式实时反馈从端多移动机器人系统的速度、位置和机械手的关节角等信息，也可以实时提供从端工作环境的视频信息；

所述两个力反馈人机接口设备，其中一个用于从端多移动平台系统的控制，另一个用于控制被搬运物体的平稳性；

所述多移动机器人系统包括多移动平台系统和搭载于其上的多个机械手系统；多移动机器人系统具有一定的自主能力，能够完成队形形成、保持和变换等简单任务；

所述被搬运物体形状质量分布已知，根据被搬运物体的形状和质量分布，对从端多移动平台所需形成的队形进行预定义，包括各个机器人之间的相对距离和相对角度，同时给定各个机械手所要到达的目标位置；

所述摄像头用于给主视频反馈采集到的视频信息，可实时显示，供两个操作员参考；

所述工作环境为平板状物体的远程遥操作搬运。

进一步地，所述力反馈人机接口设备均具有三自由度的输出反馈，用于反映从端多机器人系统的工作状态。

进一步地，所述多移动平台系统其中一个被选为主机器人，作为对外接口负责响应主端的控制命令，其余移动平台作为从机器人，以主机器人为参考目标形成目标队形到达被搬运物体的周围。

进一步地，所述用于控制多移动平台的力反馈人机接口设备，采用其中的x与z方向的输入量分别用于控制从端多移动平台系统主机器人的角速度与线速度，y方向的输入量用于控制从端多移动平台系统的队形。

进一步地，多移动平台在行进过程中要避开所有的障碍物，同时还要求多移动平台最后能够接近被搬运物体。因此力反馈人机接口设备的输出x方向反应角速度信息以及机器人与障碍物之间的距离和角度信息，z方向反应线速度信息以及机器人与障碍物之间的距离和角度信息，反馈力与机器人的线速度和角速度相关，从而可以使机器人接近被搬运物体；y方向则反应整个多移动平台系统的队形形成状况。

进一步地，所述机械手系统根据要求到达指定位置，将被搬运物体抓取，通过从端的多移动机器人系统的协作将被搬运物体运送到指定的目标位置。

进一步地，所述用于控制多移动平台的力反馈人机接口设备，其采用的输入量分别对应于机械手的各个关节角，而输出反应被搬运物体的平稳状态；当输出不平稳时，力反馈接口设备切换为一对一的控制状态，用于控制故障机械手。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、将多移动机器人系统的控制回路中引入力信息反馈，能够在多移动机器人系统碰到复杂任务的时候，依靠人的高级认知和决策能力给予合理控制。

2、从端的多移动平台由一个力反馈接口设备控制，不仅将主端力反馈接口设备有限的运动空间延伸到从端移动平台无限的运动空间中，而且利用有限的主端设备控制从端无限的移动平台设备。

3、主端包括两个力反馈人机接口设备，采用另外一个力反馈人机接口设备实现多机械手协作搬运的稳定性控制，节省了主端的力反馈设备，并可通过稳定性控制将被搬运物体安全送达目标位置。

附图说明

图1是本发明基于力信息的多移动机器人协作搬运平板状物体的系统框图；

图2是本发明力反馈人机接口设备1-4的反馈力坐标系示意图；

图3是本发明中障碍物对移动平台的影响分析示意图；

图4是本发明中主从端基于力信息的多移动平台的控制框图；

图5是本发明中基于力信息的被搬运物体平稳状态的控制图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

如图1所示，一种基于力信息的多移动机器人协作搬运平板状物体方法，包括主端1，主从端之间的通讯环节2和从端3。其中主端1包括操作员1-1和操作员1-2，监控中心1-3，力反馈人机接口设备1-4和1-5，所述系统的力反馈人机接口设备1-4和1-5均具有六自由度输入和三自由度输出；通讯环节2采用Internet、无线传感器网络等无线通信方式；从端3包括多移动机器人系统，被搬运物体3-3，环境中的n_o个障碍物3-4-l(l＝1,2,…,n_o)，被搬运物体所要到达的目标位置3-5，和用于给主端视频反馈的摄像头3-6，所述多移动机器人系统包括由n个移动平台3-1-i(i＝1,2,…,n)组成的多移动平台系统3-1和n个多自由度机械手3-2-i(i＝1,2,…,n)组成的多机械手系统3-2，所述被搬运物体为形状质量均已知的平板状物体，所述摄像头3-6搭载于无人机上，可随着多移动机器人系统的移动而移动；所述多移动平台上搭载的机械手与力反馈人机接口设备1-4和1-5同构，所述监控中心1-3可以直接控制从端的多移动机器人系统，也可以以文本或图片形式显示所携带传感器采集到的数据，同时也可以将摄像头3-6采集到的视频信息实时显示，供操作员1-1和操作员1-2参考。

主端的操作员1-1也可以通过与人机接口设备1-4进行交互，将控制命令通过通讯环节2发送至从端的多移动平台系统3-1，多移动平台根据接收到的指令形成预定的队形，到达被搬运物体3-3周围。主端的操作员1-2也可以通过与人机接口设备1-5进行交互，将控制命令通过通讯环节2发送至从端的机械手系统3-2，机械手根据要求到达指定位置，将被搬运物体3-3抓取，通过从端的多移动机器人系统的协作将被搬运物体3-3运送到指定的目标位置3-5。在搬运过程中，多移动机器人系统需要避开环境中的障碍物3-4-l。

所述系统从端的多移动平台系统3-1中，所有的机器人都装有传感器可以知道自身的位置、角度、速度，以及与障碍物的相对距离和相对角度。其中有一个移动平台被选为主机器人，作为对外接口负责响应主端的控制命令，其余的移动平台则被视为从机器人，以主机器人为核心自主形成目标队形。

如图2所示，用于控制多移动平台的力反馈人机接口设备，采用其中的x与z方向的输入量分别用于控制从端多移动平台系统主机器人的角速度与线速度，y方向的输入量用于控制从端多移动平台系统的队形。本发明中多移动平台在行进过程中要避开所有的障碍物，同时还要求多移动平台最后能够接近被搬运物体。因此力反馈人机接口设备的输出x方向反应角速度信息以及机器人与障碍物之间的距离和角度信息，z方向反应线速度信息以及机器人与障碍物之间的距离和角度信息，反馈力与机器人的线速度和角速度相关，从而可以使机器人接近被搬运物体；y方向则反应整个多移动平台系统的队形形成状况。对于力反馈人机接口设备1-4，定义x坐标轴控制多移动平台主机的角速度，正方向为右转，负方向为左转；z坐标轴控制主机的线速度，正方向为后退，负方向为前进；y坐标轴用于控制多移动平台系统的队形信息。由于操作员不可能长时间保持在一个不变的位置，为了防止由于操作员的抖动引起不需要的运动和意外事件，每个坐标轴都将设置一个死区范围[x_dz,y_dz,z_dz]。

采用移动机器人之间的相对距离和相对角度定义队形如下：

T＝[L^d,Φ^d]

其中

根据不同的相对距离矩阵L^d和相对角度矩阵Φ^d，定义从端多移动平台系统的一组队形m为队形的数量，队形集为离散变量。将y坐标轴划分为m个区域[y_M1,y_M2,…,y_Mm]，分别用来对应的队形形成情况。则主端的力反馈人机接口设备1-4与从端多移动平台系统3-1之间的对应关系为：

其中v_l和ω_l分别为从端多移动平台中主机的线速度和角速度；k_v，k_ω和k_T分别为对应的增益系数；[q_x,q_y,q_z]^T的计算基于力反馈人机接口设备末端映射点在其相应坐标系中的位置[x_M,y_M,z_M]，如下：

如图3所示，假设环境中有n_o个障碍物，以障碍物(l＝1,…,n_o)与机器人3-4-i(i＝1,…,n)为例，通过结合摄像头和多移动机器人自身携带的距离传感器，可以得知环境中各机器人与障碍物的相对距离d_il和相对角度在x和z方向反馈力模型的选取中，力的大小不仅与障碍物与机器人的相对距离和相对角度有关，而且与相对角度和相对距离的变化率有关系。当d_il处于障碍物的影响范围d_max内，且机器人正在朝着障碍物方向转动时，x方向才会有反馈力；而如果d_il处于障碍物的影响范围d_max内，且机器人正在朝着障碍物方向靠近时，z方向才会有反馈力。图中机器人3-1-1在障碍物的影响范围之外，因此x与z方向均没有反馈力；机器人3-1-2正在向着障碍物的方向转动，因此x方向有虚拟力反馈，而机器人3-1-3则正在背着障碍物方向转动，故x方向没有力反馈。同理，机器人3-1-4在z方向有反馈力，而机器人3-1-5则没有。综上，对于任一机器人3-1-i在x和z方向的力渲染表达如下：

从端环境中共有n个机器人，x和z方向分别取所有机器人中障碍物力的最大值作为反馈给操作员1-1的信息力；y方向的反馈力则用来反映整个多移动平台系统队形的形成状况，多移动机器人系统在三个方向的反馈力如下：

其中，k_x、k_z、σ_x和σ_z分别为对应的正的增益系数，所有系数的选取均应使得反馈力落在力反馈人机接口设备能承受力的安全范围之内；k_y1和k_y2根据不同的队形矩阵，使得F_y可以控制在相应的区间内。

如图4所示，力反馈人机接口设备1-4的输入来源于操作员1-1施加的力F_h和反馈力F_M＝(F_x,F_y,F_z)^T两部分，输出为力反馈接口设备的位置信息P_M(x_M,y_M,z_M)，根据相应的控制器转化为从端主机器人的角速度ω_Ml，线速度v_Ml和相应的队形信息经过无线通信方式到达从端(ω_Sl,v_Sl,T_sj)。主从端之间的通信链路采用无线的方式，会存在延时，对于延时采用常用的无源处理方法即可。从端的多移动平台经过队形控制器形成相应的队形，在此过程中结合各移动平台自身携带的传感器与从端摄像头信息3-6的融合，得到各移动平台的线速度、角速度以及整个移动平台系统的队形信息。经过无线通信方式发送到主端，经过力觉渲染得到各个方向的反馈力(F_x,F_y,F_z)。

根据以上控制方法，载有多自由度机械手的多移动平台按照指定队形分布在被搬运物体的周围，之后操作员通过监控中心1-3和力反馈人机接口设备1-4对移动平台进行控制，包括避障，队形保持和队形变换等。在移动平台到达被搬运物体周围时，机械手系统通过自主控制将被搬运物体抬起并到达指定位置，之后多移动机器人开始协作搬运，向目标位置前进。

在搬运过程中，操作员1-2可以通过力反馈人机接口设备1-5与机械手进行交互。在机械手的末端装有三维力传感器，通过机械手与被搬运物体的交互作用，三维力传感器采集到作用力，通过力反馈人机接口设备反馈给操作员1-2，力反馈设备三个方向的作用力定义如下：

其中，ε_xε_yε_z用来保证各个方向的力均在力反馈人机接口设备的安全范围之内；α_xi,α_yi和α_zi分别表示各方向各个机械手受力的权重系数，均为小于1的正实数，用于反映各个机械手所需承重的大小，且各方向所有系数之和为1；τ_xi，τ_yi和τ_zi分别为各个力传感器采集到的力。

如图5所示，在搬运过程中被搬运物体的平稳状态控制方法，包括如下步骤：

步骤S1，机械手协作将被搬运物体搬运。

步骤S2，操作员1-2通过监控中心1-3和力反馈接口设备1-5的信息综合得到被搬运物体的状态。

步骤S3，操作员1-2判断被搬运物体是否平稳，判断标准依据各个机械手的承重是否在允许范围之内，以及反馈力是否在允许的安全阈值之内。平稳则转到S9，否则运行步骤S4。

步骤S4，被搬运物体不平稳，是有机械手出现故障，没有到达指定的位置，因此需要确认出现故障的机械手。

步骤S5，对力反馈接口设备1-5进行状态切换，切换为一对一的双边遥操作控制，用于控制出现故障的机械手。

步骤S6，根据机械手所需要达到的目标位置，对机械手进行运动学逆解，得到机械手各个关节应该到达的角度。

步骤S7，力反馈接口设备与机械手同构，因此机械手所需要达到的角度即为力反馈接口设备1-5应该实现的角度，根据运动学正解，使得1-5达到目标位置。

步骤S8，力反馈接口设备1-5与机械手之间的控制采用阻抗控制方法予以实现，控制结束运行步骤S2。

步骤S9，判断是否达到目标位置，是则运行步骤S10，否则返回运行步骤S1。

步骤S10，任务结束。

Claims (6)

1.一种基于力信息的多移动机器人协作搬运平板状物体方法，其特征在于：由主端、从端和通讯环节组成；所述主端包括两个操作员、监控中心和两个力反馈人机接口设备；所述从端包括多移动机器人系统、被搬运物体、摄像头和工作环境；所述通讯环节中的通信方式包括Internet和无线传感器网络；

所述操作员通过与人机接口设备进行交互，将控制命令通过通讯环节发送至从端的多移动平台系统，多移动平台根据接收到的指令形成预定的队形，到达被搬运物体周围；

所述监控中心以文本或者图片的形式实时反馈从端多移动机器人系统的速度、位置和机械手的关节角信息，并实时提供从端工作环境的视频信息；

所述两个力反馈人机接口设备，其中一个用于从端多移动平台系统的控制，另一个用于控制被搬运物体的平稳性；

所述多移动机器人系统包括多移动平台系统和搭载于其上的多个机械手系统；多移动机器人系统具有一定的自主能力，能够完成队形的形成、保持或变换；

所述被搬运物体形状质量分布已知，根据被搬运物体的形状和质量分布，对从端多移动平台所需形成的队形进行预定义，包括各个机器人之间的相对距离和相对角度，同时给定各个机械手所要到达的目标位置；

所述摄像头用于给主视频反馈采集到的视频信息，可实时显示，供两个操作员参考；

所述工作环境为平板状物体的远程遥操作搬运。

2.根据权利要求1所述的一种基于力信息的多移动机器人协作搬运平板状物体方法，其特征在于：所述力反馈人机接口设备具有三自由度的输出反馈，用于反映从端多机器人系统的工作状态。

3.根据权利要求1所述的一种基于力信息的多移动机器人协作搬运平板状物体方法，其特征在于：所述多移动平台系统其中一个被选为主机器人，作为对外接口负责响应主端的控制命令，其余移动平台作为从机器人，以主机器人为参考目标形成目标队形到达被搬运物体的周围。

4.根据权利要求1所述的一种基于力信息的多移动机器人协作搬运平板状物体方法，其特征在于：所述用于控制多移动平台的力反馈人机接口设备，采用其中的x与z方向的输入量分别用于控制从端多移动平台系统主机器人的角速度与线速度，y方向的输入量用于控制从端多移动平台系统的队形；力反馈人机接口设备的输出x方向反映角速度信息以及机器人与障碍物之间的距离和角度信息，z方向反映线速度信息以及机器人与障碍物之间的距离和角度信息，反馈力与机器人的线速度和角速度相关，从而可以使机器人接近被搬运物体；y方向则反应整个多移动平台系统的队形形成状况。

5.根据权利要求1所述的一种基于力信息的多移动机器人协作搬运平板状物体方法，其特征在于：所述机械手系统根据要求到达指定位置，将被搬运物体抓取，通过从端的多移动机器人系统的协作将被搬运物体运送到指定的目标位置。

6.根据权利要求1所述的一种基于力信息的多移动机器人协作搬运平板状物体方法，其特征在于：所述用于控制多移动平台的力反馈人机接口设备，其采用的输入量分别对应于机械手的各个关节角，而输出反应被搬运物体的平稳状态；当输出不平稳时，力反馈接口设备切换为一对一的控制状态，用于控制故障机械手。