CN107097203B - 混合切换的主从异构型遥操作机器人的工作空间映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合切换的主从异构型遥操作机器人的工作空间映射方法。主从两端在远离抓取目标的外围运动范围时，采用关节空间‑关节空间的映射方式；主从两端在靠近抓取目标的内围运动范围时，采用操作空间‑操作空间的映射方式；主从两端从外围运动范围移动到内围运动范围时，采用特定的关节‑操作过渡方式切换，主从两端从内围运动范围移动到外围运动范围时，采用特定的操作‑关节过渡方式切换回。本发明方法实施简便，计算效率高，且同时能够满足大范围运动的灵活性与操作手感和局部精细操作的精确定位，并实现了平滑的过渡切换。

Description

混合切换的主从异构型遥操作机器人的工作空间映射方法

技术领域

本发明属于遥操作机器人技术领域，具体涉及一种混合切换的主从异构型遥操作机器人的工作空间映射方法。

背景技术

随着近现代工业技术的发展，很多探索工作和作业环境，人往往难以直接到达。虽然现代机器人技术已经得到长足的发展，但在非结构化环境中，全自主机器人在未来的相当长的一段时间内不能够实现，而人类对于机器人帮助人们完成特定的危险或人类不可及的任务的需求很迫切。因此，工作在人机交互方式下的主从式遥操作机器人系统成为一种有效的解决方案。不同于全自主机器人，遥操作机器人的控制信号由操作者通过主端设备给出，经过网络等通讯环节传至远端机器人处。从机器人按照所接受的指令在复杂、危险或者人类不可及的工作环境中作业，同时向主端机器人反馈工作状态，操作者可以根据反馈信息做出决策。目前，遥操作技术在外太空领域，医疗领域，海洋领域和核领域等已经得到了广泛的应用。

典型的遥操作系统由操作者、主端设备、通信通道、从端设备和环境5个部分组成。

根据遥操作系统主从设备结构形式，分为主端设备和从端设备结构相同的主从同构型遥操作机器人系统以及主端设备和从端设备结构不同的主从异构型遥操作机器人系统。主从异构型遥操作机器人系统由于主从结构形式多样，大大扩展了主从设备的可选范围。从端可以选择工业机器人，手术机器人，服务机器人等，提高了遥操作机器人系统的实用性，扩大了遥操作机器人的应用范围，不过由于主从设备工作空间不同，则需要对其进行一定的匹配已达到操作要求。

目前已有的工作空间映射方案都是基于操作空间的，算法实现比较复杂。主从异构型遥操作机器人系统工作空间映射方法有常比例、变比例控制，速率控制，工作空间漂移控制，边界漂移控制，位置-速率切换控制等，位置控制存在精确度问题，速率控制无法实现快速运动，很难实现准确的位置定位。混合控制虽可以克服两者的缺陷，但位置和速率的切换方式目前没有很好的解决，有时会带来误操作和失稳现象。同时，上述方法多集中在如何将主端小工作空间内的点位置映射为从设备大工作空间内的点位置，即点到点的映射，对于遥操作工业机器人进行装配夹取操作时所要求的位姿信息，即位姿-位姿映射任务没有进一步研究。

发明内容

不同于主从同构型遥操作，主从异构型遥操作机器人由于主从端工作空间的不同，需要完成不同工作空间的映射匹配。本发明的目的在于提供了一种混合切换的主从异构型遥操作机器人的工作空间映射方法。

为了使从端机械臂既能在空间大范围运动时具有良好的操作手感又能完成局部的精细操作，综合考虑算法的计算复杂性和两种映射方法过渡的平稳性，设计了一种基于关节空间和操作空间混合切换的映射方法。

本发明具体实现方案包含如下步骤：

本发明的遥操作机器人具有主端设备和从端设备，主从两端设备具有不同的结构，即具有不同的连杆长度、不同的运动自由度和不同的关节角运动范围。

主从两端在远离抓取目标的外围运动范围时，采用关节空间-关节空间的映射方式；主从两端在靠近抓取目标的内围运动范围时，需要进行局部精细操作时，采用操作空间-操作空间的映射方式。

所述关节空间-关节空间的映射方法具体是：

获取主端设备的关节角信息，采用以下公式的映射方法得到从端设备对应的关节角，从而对从端设备进行控制：

θ_s＝Kθ_m+θ_biaa

其中，θ_m表示主端关节角，为m×1向量，m表示主端设备(机械臂)的自由度数；θ_s表示从端关节角，为n×1向量，n表示从端设备(机械臂)的自由度数；K表示主从关节的比例系数，为m×n矩阵，当m＝n时，K为对角矩阵；θ_bias表示偏移量，为n×1向量。

主从两端从外围运动范围移动到内围运动范围时，采用特定的关节-操作过渡方式将关节空间-关节空间的映射方式切换到操作空间-操作空间的映射方式，主从两端从内围运动范围移动到外围运动范围时，采用特定的操作-关节过渡方式将操作空间-操作空间的映射方式切换回到关节空间-关节空间的映射方式，从而完成工作空间映射。

所述的关节-操作过渡方式具体为：根据切换时刻主从两端的末端位姿x_ms和x_ss，采用以下公式计算切换后时刻t下从端的末端位姿x_{sd_t}，进而在内围运动范围持续保持主从两端之间的映射关系：

x_{sd_t}＝x_ss+k(x_{m_t}-x_ms)

其中，x_{m_t}表示切换后t时刻下主端设备的末端位姿，x_ms表示切换时刻下主端设备的末端位姿，x_ss表示切换时刻下从端设备的末端位姿，k为比例系数。

末端位姿指的是末端在操作空间下的坐标位置。

所述的操作-关节过渡方式具体为：操作空间切换到关节空间时，根据切换时刻t₁的主端设备的关节角度θ_ms和从端设备的关节角度和θ_ss，采用以下公式计算切换后时刻t₂下从端设备的关节角度

其中，表示切换后时刻t₂下主端设备的关节角度，t表示时刻。

若t₂-t₁小于5s，则采用上述公式进行过渡切换；若t₂-t₁大于等于5s，则公式会变成关节空间-关节空间的映射方式的公式，从而使得操作空间切换到关节空间完成平稳衔接，在外围运动范围持续保持主从两端之间的映射关系。

所述比例系数k满足以下条件：根据主端末端的运动范围的边缘位姿和比例系数k代入以下公式计算获得从端末端的运动范围的边缘位姿，比例系数k能使得从端设备的运动范围能完整覆盖主端设备的运动范围：

其中，x_m,y_m,z_m分别表示主端末端在空间x,y,z三方向的运动范围，x_s,y_s,z_s分别表示从端末端的运动范围。x_bias,y_bias,z_bias表示从端设备运动范围和按照比例系数k放大后的主端设备的运动范围二者原点的偏移量；φ_m,θ_m和是以RPY角表示的主端设备末端的姿态，φ_m表示主端设备末端的翻滚roll角，θ_m表示主端设备末端的俯仰pitch角，表示主端设备末端的偏航yaw角，φ_s,θ_s和是从端设备末端的期望姿态，φ_s表示从端设备末端的翻滚roll角，θ_s表示从端设备末端的俯仰pitch角，表示从端设备末端的偏航yaw角。

具体实施是从主从端工作空间中随机选取10000个点，利用matlab绘制主从工作空间(即末端的运动范围)的点云图，得到工作空间在x,y,z三个方向的边界，选取映射矩阵K使得从端设备能覆盖主端设备的工作空间。

对于在内围运动范围内采用单纯的关节空间-关节空间的映射方式，根据关节结构的相似性，选用主端的关节和从端关节角一一对应，将主端设备的关节角线性映射到从端设备。这样的操作虽然具有直观性，操作者容易操作，从端设备能够覆盖从端设备本身的运动范围。但存在缺点是：当需要完成精细的操作任务时，如抓取物体或者放置物体时，很难精确定位。

因此为了克服关节空间映射的弊端，当在内围运动范围内执行精细操作时，采用操作空间-操作空间的映射方案，其本质为建立主端和末端的每个位姿状态和从端设备末端位姿的映射关系。

如上述，关节空间的映射能够覆盖从端设备的整个工作空间，操作空间的映射能完成精细的操作。现有操作空间-操作空间的映射方式中，末端位置映射为线性运算，映射得到从端机械臂末端位姿信息后，可通过逆运动学求解从端关节角。对于多自由度机械臂，甚至存在冗余自由度时，其逆运动学的解析解过于复杂，而一种叫做闭环逆运动学的数值解求法更为常用。

而本发明结合根据各自的优点，根据任务不同阶段的需求切换到映射方法。比如需要从端机械臂完成抓取物体并放置到特定位置的任务时，首先选用关节空间的映射使得末端手爪靠近被抓取物体，之后切换到操作空间的映射实现精确定位，抓取完成后再切换到关节空间映射，大范围运动接近放置点时，再次切换到操作空间映射完成放置工作。

因此本发明涉及的映射方法在操作空间-操作空间的映射方式和两种空间相互切换的过渡过程中，利用了不同映射方法的优点，设计了平滑的过渡算法，避免了冲击和误差的累积，减小了计算量，实现了精确定位和两种空间之间的平稳过渡。

本发明的有益效果是：

本发明方法和常见的其他遥操作系统工作空间映射方法(如下表2)相比，实施简便，在关节空间-关节空间的映射部分省去了运动学逆解，因此计算量小，计算效率高，且同时能够满足大范围运动的灵活性与操作手感和局部精细操作的精确定位。

表1.主从异构型遥操作机器人系统工作空间映射方法

本发明在空间大范围自由运动和局部精细操作时分别采用主从两端关节空间-关节空间的映射和操作空间-操作空间的映射，并在两种映射方法切换时，为避免冲击和误差的累积，设计了平滑的过渡算法。

最终，通过实施例验证了本发明的可行性和优势。

附图说明

图1为本发明的主从端连接图。

图2为实施例中matlab绘制的主从两端的工作空间的点云图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明实施中的可行性和技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，没有做出创造性劳动前提下获得的实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例如下：

本实施例采用搭建的遥操作系统平台，硬件上主端设备选用Geomagic Touch力反馈设备，从端选用Rethink Robotics公司的Baxter机器人，网络连接采用路由器组建的局域网。软件平台基于开源的机器人操作系统ROS，算法的实现采用MATLAB软件。

如图1所示，主端电脑采集主端设备末端的位姿或者关节角后，发送到中控电脑，通过中控电脑进行解析计算和映射计算后，将控制信号发送到从端电脑，来控制从端设备的位姿或者关节角。

如图2所示，(a)图表示实施例主从两端所有工作空间覆盖的三维图。(b)图表示实施例主从两端所有工作空间在x-y平面覆盖的平面，(c)图表示实施例主从两端所有工作空间在y-z平面覆盖的平面，(d)图表示实施例主从两端所有工作空间在z-x平面覆盖的平面，图中外部灰度区域为进行大动作操作的外围运动范围，内部灰度区域为进行精细操作的内围运动范围。

下面继续从上述的本发明的几个步骤阐述本实施例：

Step1 关节空间-关节空间映射

主端Geomagic Touch设备具有6个转动自由度，其中前三个关节具有力反馈，从端为具有7自由度的冗余自由度的机械臂。

从端机械臂在远离抓取目标的外围运动时，选用关节空间-关节空间的映射模式，根据主从端结构的相似性，将从端第三个关节E0的关节角设为0，主从端的其他关节一一对应，最终主从两端对应关节及每个关节的运动范围如表2：

表2.Touch设备和Baxter设备各个关节运动范围(rad)

	Touch设备[最小,最大]	Baxter设备[最小,最大]
			θ<sub>1</sub>|S<sub>0</sub>	[-0.97,0.97]	[-1.7016,1.7016]
θ<sub>2</sub>|S<sub>1</sub>	[0.05,1.76]	[-2.147,1.047]
			θ<sub>3</sub>|E<sub>1</sub>	[-2.4,-0.4]	[-0.05,2.618]
θ<sub>4</sub>|W<sub>0</sub>	[-2.7,2]	[-3.059,3.059]
			θ<sub>5</sub>|W<sub>1</sub>	[-1,1]	[-1.57,2.094]
θ<sub>6</sub>|W<sub>2</sub>	[-2.4,2.5]	[-3.059,3.059]

为了主端设备最大可能覆盖从端设备运动范围，主端设备关节角度需要进行一定的放大和偏移来覆盖对应的从端设备关节运动范围。则对于关节i，主从两段关节角的映射关系为：

其中：

θ_bi：Baxter机器人第i个关节当前期望关节角度

θ_biMax：Baxter机器人第i个关节对应的最大运动角度

θ_biMin：Baxter机器人第i个关节对应的最小运动角度

θ_ti：Touch设备第i个关节当前的关节角度

θ_tiMax：Touch设备第i个关节对应的最大运动角度

θ_tiMin：Touch设备第i个关节对应的最小运动角度

为关节空间-关节空间映射时比例系数对角矩阵K的对角项。

Step2 从关节空间映射切换到操作空间映射

主端Touch设备有两个用来用户自定义功能的按钮，此处选取其中一个按钮，将其功能定义为当短时间按下并松开按钮时(按钮按下持续时间小于0.2秒)，进行工作空间映射模式的切换。

因此当从端机器人末端到达靠近被抓去物体的内围时，操作者可短按下自定义的模式切换键，进入特定的操作空间映射。

记下切换时刻的Touch设备的末端位姿和baxter设备的末端位姿，设为x_ts和x_bs，则接下去t时刻baxter期望位姿为：

x_{bd_t}＝x_bs+k(x_{t_t}-x_ts)

其中x_{t_t}表示t时刻下Touch设备的末端位姿，k＝diag(4.5,4.5,4.5)为比例系数,其具体计算方法如下：

由matlab软件计算得到主端Touch设备和从端Baxter设备在XYZ三个方向上的范围如表3所示。

表3.Touch设备和Baxter设备在XYZ三个方向上的运动范围

然后根据上步骤得到的运动范围，以尽可能覆盖从端设备的运动范围为设计目标，设计了以下的映射方法：

其中，比例系数矩阵即为k。[x_b y_b z_b]是主端设备末端位置通过映射后得到的从端设备末端的期望位置，是从端设备末端的期望姿态，以RPY角表示。[x_t y_tz_t]是主端设备末端的实际位置，是主端设备末端的实际姿态，以RPY角表示。

Step3 从操作空间映射切换到关节空间映射

当完成精确定位和夹取后，操作者可以再次短按自定义的按键切换到关节空间的映射。记下切换时刻t₁下Touch设备的关节角度和Baxter设备的关节角度，设为θ_ts和θ_bs，则接下来t₂时刻下的Baxter期望关节角度为：

其中表示t₂时刻下Touch设备的关节角度。

Step4重定位

本发明方法未避免切换时的冲击，因此切换后都是采用增量式的算法，即能保证从端机器人的每个动作都是连续不发生跳变的。因此进行多次切换多次操作后，主从端的关节角的映射关系和所述的映射关系差异逐渐增大，故操作者的操作手感会有所降低。未弥补此缺点，可以通过自定义主端Touch设备的按键功能来实现主从两端的重定位，实现校准的功能。

具体做法为：当按钮长按下(按下时间超过0.2秒)时，直接进入关节空间-关节空间的映射方式。此时，从端机器人末端位置命令会发生跳变，但是由于校准在从端机器人远离抓取目标的外围时完成，因此此跳变不会使从端机器人碰撞到待抓取物体。

Claims (5)

1.一种混合切换的主从异构型遥操作机器人的工作空间映射方法，其特征在于：主从两端在远离抓取目标的外围运动范围时，采用关节空间-关节空间的映射方式；主从两端在靠近抓取目标的内围运动范围时，采用操作空间-操作空间的映射方式；

所述关节空间-关节空间的映射方法具体是：

获取主端设备的关节角信息，采用以下公式的映射方法得到从端设备对应的关节角：

θ_s＝Kθ_m+θ_bias

其中，θ_m表示主端关节角，为m×1向量，m表示主端设备的自由度数；θ_s表示从端关节角，为n×1向量，n表示从端设备的自由度数；K表示主从关节的比例系数；θ_bias表示偏移量，为n×1向量。

2.根据权利要求1所述的一种混合切换的主从异构型遥操作机器人的工作空间映射方法，其特征在于：主从两端从外围运动范围移动到内围运动范围时，采用特定的关节-操作过渡方式将关节空间-关节空间的映射方式切换到操作空间-操作空间的映射方式，主从两端从内围运动范围移动到外围运动范围时，采用特定的操作-关节过渡方式将操作空间-操作空间的映射方式切换回到关节空间-关节空间的映射方式，从而完成工作空间映射。

3.根据权利要求2所述的一种混合切换的主从异构型遥操作机器人的工作空间映射方法，其特征在于：所述的关节-操作过渡方式具体为：根据切换时刻主从两端的末端位姿x_ms和x_ss，采用以下公式计算切换后时刻t下从端的末端位姿x_{sd_t}：

x_{sd_t}＝x_ss+k_cartisian(x_{m_t}-x_ms)

其中，x_{m_t}表示切换后t时刻下主端设备的末端位姿，x_ms表示切换时刻下主端设备的末端位姿，x_ss表示切换时刻下从端设备的末端位姿，k_cartisian为笛卡尔坐标下主从工作空间的比例系数。

4.根据权利要求2所述的一种混合切换的主从异构型遥操作机器人的工作空间映射方法，其特征在于：所述的操作-关节过渡方式具体为：根据切换时刻t₁的主端设备的关节角度θ_ms和从端设备的关节角度和θ_ss，采用以下公式计算切换后时刻t₂下从端设备的关节角度

其中，表示切换后时刻t₂下主端设备的关节角度，t表示时刻，K表示主从关节的比例系数；θ_bias表示偏移量。

5.根据权利要求3所述的一种混合切换的主从异构型遥操作机器人的工作空间映射方法，其特征在于：所述比例系数k_cartisian为一个6*6的对角矩阵，其对角项分别为k的三个对角项和1、1、1，其中的k满足：

根据主端末端的运动范围的边缘位姿和比例系数k代入以下公式计算获得从端末端的运动范围的边缘位姿，比例系数k能使得从端设备的运动范围能完整覆盖主端设备的运动范围：

其中，x_m,y_m,z_m分别表示主端末端在空间x,y,z三方向的运动范围，x_s,y_s,z_s分别表示从端末端的运动范围，x_bias,y_bias,z_bias表示从端设备运动范围和按照比例系数k放大后的主端设备的运动范围二者原点的偏移量；φ_m,θ_m和是以RPY角表示的主端设备末端的姿态，φ_s,θ_s和是从端设备末端的期望姿态。