CN107679019A - 一种主从异构机械手的重力保持方法 - Google Patents
一种主从异构机械手的重力保持方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种主从异构机械手的重力保持方法，涉及机器人自动控制技术领域，包括离线质量预估和实时在线插值重力补偿步骤，通过比例微分控制的递归算法估算主手在每个顶点的预估质量，得到实时在线重力补偿中的质量值，通过三线性插值计算得到重力补偿值完成实时在线重力补偿保持机械手自平衡，这种主从异构机械手的重力保持方法通过分块离线质量预估计算结合实时在线计算得到重力补偿值完成实时在线重力保持。
Description
技术领域
本发明涉及机器人自动控制技术领域，具体涉及一种主从异构机械手的重力保持方法。
背景技术
核工业领域的安全问题在核废料处理和核电站维修与退役领域一直是人类关心的问题。随着人工智能技术引领的机器人技术不断发展，核工业领域正越来越多的使用机器人代替人类去实现与核处理相关的一线工作，机器人在核工业领域的应用也从最初的单一工作逐渐扩展到更加复杂的领域，机器人的自由度也从最初的一维、三维、到六维、七维甚至更高的维度，遥操作技术指在人的操作下完成人难以接近或对人体有害的环境中比较复杂操作的远距离操作技术。主从式机械手模式是核工业领域的传统应用，随着工业应用中七自由度机器人的广泛使用，开发与之相关的多自由度机器人遥操作方法就显得尤为紧迫；对于遥操作的自动化高自由度机械手开发中有一个很重要的问题，即机械手本身的重量较大，在运动中为克服其重力影响需要较大的力，这个力甚至于大过控制机械手移动和抓取动作的力，而在遥操作控制中，操作者是无法通过控制器感知这个力的，因此，在精确的机械手遥操作控制中，机械手的重力保持能力是十分重要的，现有技术中，如公开号为CN103085054A，公开时间为2013年5月8日，名称为“带电抢修机器人主从式液压力反馈机械臂控制系统及方法”的中国发明专利文献，公开了一种机械臂控制系统及方法，手持终端包括微处理器I，与人机接口单元和嵌入式主手控制器相连；嵌入式主手控制器包括微处理器II，通过串口与微处理器I连接，微处理器II与A/D转换器I、无线模块I连接，A/D转换器I与电位器连接；微处理器II通过马达驱动器驱动力矩马达；无线模块II与无线模块I通信；微处理器III与A/D转换器II、电位器连接；同时微处理器III还与D/A转换器连接，D/A转换器与液压放大器连接，液压放大器与若干伺服阀连接，每个伺服阀的进回油口安装有压力传感器，压力传感器与微处理器III连接；各伺服阀与相应液压缸连接，液压缸输出轴与机械臂连接。但是这种方案没有能考虑到机械手的重力保持技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过分块离线质量预估计算结合实时在线计算得到重力补偿值完成实时在线重力保持的主从异构机械手的重力保持方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种主从异构机械手的重力保持方法，其特征在于，包括以下步骤：
离线质量预估，分别定义机械手的主手和从手工作空间的三维基坐标系；选择主手基坐标系中的立方体，将其内部均分为若干个相等的立方体块；设定立方体块顶点的质量初值，控制机械手的主手移动到每个顶点并通过比例微分控制的递归算法估算主手在每个顶点的预估质量，得到实时在线重力补偿中的质量值；
实时在线插值重力补偿，按照离线质量预估过程中划分的立方体块来获取实时动作过程中的机械手主手所处的立方体块在主手三维基坐标系中各顶点的坐标位置，并通过三线性插值计算得到重力补偿值完成实时在线重力补偿保持机械手自平衡。
所述采用比例微分控制的递归算法得到主手在每个顶点的预估质量Mj+1(Xi)的具体方法为，在第j个迭代循环，向主手末端施加比例微分控制算法的作用力
Fj(X,v)＝Kp·(Xi-X)-KD·v+Mj(Xi)·g·vG
其中g表示实验地点当地的重力加速度值；X表示主手末端在主手三维基座标系的坐标；Xi表示正在估计质量的顶点在主手三维基座标系的坐标；Mj(Xi)表示当前递归循环中顶点的估计质量，j表示第j个迭代循环、第i个顶点开始迭代循环时的质量，Mj(Xi)初值M0(Xi)＝0.1；v表示当前主手末端的运动速度，由主手与笔记本电脑通过TCP/IP实时通讯获得；Kp和KD分别表示迭代循环中的比例系数和微分系数；
vG表示当前主手重力补偿方向的单位向量，
当对顶点的质量估计达到稳态输出后，再根据
得到顶点的预估质量Mj+1(Xi)作为Xi的离线质量估计值，其中Kp(i,j)为比例控制的比例系数；Mj(Xi)表示当前递归循环中顶点的估计质量；
所述稳态输出具体是指持续15个通信周期，主手末端位置与定点位置的距离始终小于0.1mm时。
所述通过三线性插值计算得到重力补偿值的方法为
M(X)＝ecaM0+ecbM1+edaM2+edbM3+fcaM4+fcbM5+fdaM6+fdbM7
式中，M0～M7分别表示主手末端落入的立方体块的8个顶点采用比例微分控制的递归算法得到的预估质量值，M0＝(xk,yk,zk)为三个坐标值最小的顶点。Lx,Ly,Lz分别表示小长方体的长、宽、高，而a～e的表达式为
式中，a～e是三次线性插值的中间计算量。
本发明的有益效果如下：
一、本发明提供的一种主从异构机械手的重力保持方法，通过先离线标定主手工作空间中的特征位置，然后在线进行补偿的方式，有效提供了从手工作处于暂停状态时主手保持同样姿态的功能，解放了主手操作人员，丰富了特种机器人领域主从遥操作的应用，提高了人类进行不便于人类直接操作中进行工作的舒适感，同时，操作人员可以用腾出的双手并行地进行其他设备的操作，提高了特种机器人整个作业过程的效率。
二、本发明提供的一种主从异构机械手的重力保持方法，独立于设备本身的动力学，增加了主手运动的自主性，丰富了主从异构遥操作作业的运动模式；同时本方法直接作用于参与实际作业的那一台指定的主手设备，补偿更为精确而有针对性，提高了补偿的效果。
三、本发明提供的一种主从异构机械手的重力保持方法，在划定的立方体工作空间中实时对主手在任意位置的重力进行补偿，三次线性插值的计算量在一次多项式，属于轻量计算方法，CPU占用少，计算速度快，就重力补偿功能本身来说，完全满足特种工业机器人领域遥操作的实时性要求。
具体实施方式
以下通过几个具体实施例来进一步说明为实现本发明目的的技术方案，需要说明的是，本发明所要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
实施例1
一种主从异构机械手的重力保持方法，包括以下步骤：
离线质量预估，分别定义机械手的主手和从手工作空间的三维基坐标系；选择主手基坐标系中的立方体，将其内部均分为若干个相等的立方体块；设定立方体块顶点的质量初值，控制机械手的主手移动到每个顶点并通过比例微分控制的递归算法估算主手在每个顶点的预估质量，得到实时在线重力补偿中的质量值；
实时在线插值重力补偿，按照离线质量预估过程中划分的立方体块来获取实时动作过程中的机械手主手所处的立方体块在主手三维基坐标系中各顶点的坐标位置，并通过三线性插值计算得到重力补偿值完成实时在线重力补偿保持机械手自平衡。
这是本发明一种最基本的实施方案。通过先离线标定主手工作空间中的特征位置，然后在线进行补偿的方式，有效提供了从手工作处于暂停状态时主手保持同样姿态的功能，解放了主手操作人员，丰富了特种机器人领域主从遥操作的应用，提高了人类进行不便于人类直接操作中进行工作的舒适感，同时，操作人员可以用腾出的双手并行地进行其他设备的操作，提高了特种机器人整个作业过程的效率。
实施例2
一种主从异构机械手的重力保持方法，包括以下步骤：
离线质量预估，分别定义机械手的主手和从手工作空间的三维基坐标系；选择主手基坐标系中的立方体，将其内部均分为若干个相等的立方体块；设定立方体块顶点的质量初值，控制机械手的主手移动到每个顶点并通过比例微分控制的递归算法估算主手在每个顶点的预估质量，得到实时在线重力补偿中的质量值；
实时在线插值重力补偿，按照离线质量预估过程中划分的立方体块来获取实时动作过程中的机械手主手所处的立方体块在主手三维基坐标系中各顶点的坐标位置，并通过三线性插值计算得到重力补偿值完成实时在线重力补偿保持机械手自平衡；
所述采用比例微分控制的递归算法得到主手在每个顶点的预估质量Mj+1(Xi)的具体方法为，在第j个迭代循环，向主手末端施加比例微分控制算法的作用力
Fj(X,v)＝Kp·(Xi-X)-KD·v+Mj(Xi)·g·vG
其中g表示实验地点当地的重力加速度值；X表示主手末端在主手三维基座标系的坐标；Xi表示正在估计质量的顶点在主手三维基座标系的坐标；Mj(Xi)表示当前递归循环中顶点的估计质量，j表示第j个迭代循环、第i个顶点开始迭代循环时的质量，Mj(Xi)初值M0(Xi)＝0.1；v表示当前主手末端的运动速度，由主手与笔记本电脑通过TCP/IP实时通讯获得；Kp和KD分别表示迭代循环中的比例系数和微分系数；
vG表示当前主手重力补偿方向的单位向量，
当对顶点的质量估计达到稳态输出后，再根据
得到顶点的预估质量Mj+1(Xi)作为Xi的离线质量估计值，其中Kp(i,j)为比例控制的比例系数；Mj(Xi)表示当前递归循环中顶点的估计质量；
所述通过三线性插值计算得到重力补偿值的方法为
M(X)＝ecaM0+ecbM1+edaM2+edbM3+fcaM4+fcbM5+fdaM6+fdbM7
式中，M0～M7分别表示主手末端落入的立方体块的8个顶点采用比例微分控制的递归算法得到的预估质量值，M0＝(xk,yk,zk)为三个坐标值最小的顶点。Lx,Ly,Lz分别表示小长方体的长、宽、高，而a～e的表达式为
式中，a～e是三次线性插值的中间计算量。
这是本发明一种优选的实施方案。通过先离线标定主手工作空间中的特征位置，然后在线进行补偿的方式，有效提供了从手工作处于暂停状态时主手保持同样姿态的功能，解放了主手操作人员，丰富了特种机器人领域主从遥操作的应用，提高了人类进行不便于人类直接操作中进行工作的舒适感，同时，操作人员可以用腾出的双手并行地进行其他设备的操作，提高了特种机器人整个作业过程的效率；独立于设备本身的动力学，增加了主手运动的自主性，丰富了主从异构遥操作作业的运动模式；同时本方法直接作用于参与实际作业的那一台指定的主手设备，补偿更为精确而有针对性，提高了补偿的效果；独立于设备本身的动力学，增加了主手运动的自主性，丰富了主从异构遥操作作业的运动模式；同时本方法直接作用于参与实际作业的那一台指定的主手设备，补偿更为精确而有针对性，提高了补偿的效果。
实施例3
一种主从异构机械手的重力保持方法，包括以下步骤：
离线质量预估，分别定义机械手的主手和从手工作空间的三维基坐标系；选择主手基坐标系中的立方体，将其内部均分为若干个相等的立方体块；设定立方体块顶点的质量初值，控制机械手的主手移动到每个顶点并通过比例微分控制的递归算法估算主手在每个顶点的预估质量，得到实时在线重力补偿中的质量值；
实时在线插值重力补偿，按照离线质量预估过程中划分的立方体块来获取实时动作过程中的机械手主手所处的立方体块在主手三维基坐标系中各顶点的坐标位置，并通过三线性插值计算得到重力补偿值完成实时在线重力补偿保持机械手自平衡；
所述采用比例微分控制的递归算法得到主手在每个顶点的预估质量Mj+1(Xi)的具体方法为，在第j个迭代循环，向主手末端施加比例微分控制算法的作用力
Fj(X,v)＝Kp·(Xi-X)-KD·v+Mj(Xi)·g·vG
其中g表示实验地点当地的重力加速度值；X表示主手末端在主手三维基座标系的坐标；Xi表示正在估计质量的顶点在主手三维基座标系的坐标；Mj(Xi)表示当前递归循环中顶点的估计质量，j表示第j个迭代循环、第i个顶点开始迭代循环时的质量，Mj(Xi)初值M0(Xi)＝0.1；v表示当前主手末端的运动速度，由主手与笔记本电脑通过TCP/IP实时通讯获得；Kp和KD分别表示迭代循环中的比例系数和微分系数；
vG表示当前主手重力补偿方向的单位向量，
当对顶点的质量估计达到稳态输出后，再根据
得到顶点的预估质量Mj+1(Xi)作为Xi的离线质量估计值，其中Kp(i,j)为比例控制的比例系数；Mj(Xi)表示当前递归循环中顶点的估计质量；
所述通过三线性插值计算得到重力补偿值的方法为
M(X)＝ecaM0+ecbM1+edaM2+edbM3+fcaM4+fcbM5+fdaM6+fdbM7
式中，M0～M7分别表示主手末端落入的立方体块的8个顶点采用比例微分控制的递归算法得到的预估质量值，M0＝(xk,yk,zk)为三个坐标值最小的顶点。Lx,Ly,Lz分别表示小长方体的长、宽、高，而a～e的表达式为
式中，a～e是三次线性插值的中间计算量；
所述稳态输出具体是指持续15个通信周期，主手末端位置与定点位置的距离始终小于0.1mm时。
这是本发明一种优选的实施方案。通过先离线标定主手工作空间中的特征位置，然后在线进行补偿的方式，有效提供了从手工作处于暂停状态时主手保持同样姿态的功能，解放了主手操作人员，丰富了特种机器人领域主从遥操作的应用，提高了人类进行不便于人类直接操作中进行工作的舒适感，同时，操作人员可以用腾出的双手并行地进行其他设备的操作，提高了特种机器人整个作业过程的效率；独立于设备本身的动力学，增加了主手运动的自主性，丰富了主从异构遥操作作业的运动模式；同时本方法直接作用于参与实际作业的那一台指定的主手设备，补偿更为精确而有针对性，提高了补偿的效果；独立于设备本身的动力学，增加了主手运动的自主性，丰富了主从异构遥操作作业的运动模式；同时本方法直接作用于参与实际作业的那一台指定的主手设备，补偿更为精确而有针对性，提高了补偿的效果。
实施例4
一种主从异构机械手的重力保持方法，包括以下步骤：
离线质量预估，分别定义机械手的主手和从手工作空间的三维基坐标系；选择主手基坐标系中的立方体，将其内部均分为若干个相等的立方体块；设定立方体块顶点的质量初值，控制机械手的主手移动到每个顶点并通过比例微分控制的递归算法估算主手在每个顶点的预估质量，得到实时在线重力补偿中的质量值；
实时在线插值重力补偿，按照离线质量预估过程中划分的立方体块来获取实时动作过程中的机械手主手所处的立方体块在主手三维基坐标系中各顶点的坐标位置，并通过三线性插值计算得到重力补偿值完成实时在线重力补偿保持机械手自平衡。
所述采用比例微分控制的递归算法得到主手在每个顶点的预估质量Mj+1(Xi)的具体方法为，在第j个迭代循环，向主手末端施加比例微分控制算法的作用力
Fj(X,v)＝Kp·(Xi-X)-KD·v+Mj(Xi)·g·vG
其中g表示实验地点当地的重力加速度值；X表示主手末端在主手三维基座标系的坐标；Xi表示正在估计质量的顶点在主手三维基座标系的坐标；Mj(Xi)表示当前递归循环中顶点的估计质量，j表示第j个迭代循环、第i个顶点开始迭代循环时的质量，Mj(Xi)初值M0(Xi)＝0.1；v表示当前主手末端的运动速度，由主手与笔记本电脑通过TCP/IP实时通讯获得；Kp和KD分别表示迭代循环中的比例系数和微分系数，例如经过调试我们取vG表示当前主手重力补偿方向的单位向量，
当对顶点的质量估计达到稳态输出后，再根据
得到顶点的预估质量Mj+1(Xi)作为Xi的离线质量估计值，其中Kp(i,j)为比例控制的比例系数；Mj(Xi)表示当前递归循环中顶点的估计质量；
3.如权利要求2所述的一种主从异构机械手的重力保持方法，其特征在于：所述稳态输出具体是指持续15个通信周期，主手末端位置与定点位置的距离始终小于0.1mm时。
4.如权利要求1所述的一种主从异构机械手的重力保持方法，其特征在于：所述通过三线性插值计算得到重力补偿值的方法为
M(X)＝ecaM0+ecbM1+edaM2+edbM3+fcaM4+fcbM5+fdaM6+fdbM7
式中，M0～M7分别表示主手末端落入的立方体块的8个顶点采用比例微分控制的递归算法得到的预估质量值，即通过得到的，稳态后记录下来，离线保存，在线时找到立方体后赋值M0～M7，然后开始这个在线的插值，M0＝(xk,yk,zk)为三个坐标值最小的顶点。Lx,Ly,Lz分别表示小长方体的长、宽、高，而a～e的表达式为
式中，a～e是三次线性插值的中间计算量。
Claims (4)
1.一种主从异构机械手的重力保持方法，其特征在于，包括以下步骤：
离线质量预估，分别定义机械手的主手和从手工作空间的三维基坐标系；选择主手基坐标系中的立方体，将其内部均分为若干个相等的立方体块；设定立方体块顶点的质量初值，控制机械手的主手移动到每个顶点并通过比例微分控制的递归算法估算主手在每个顶点的预估质量，得到实时在线重力补偿中的质量值；
实时在线插值重力补偿，按照离线质量预估过程中划分的立方体块来获取实时动作过程中的机械手主手所处的立方体块在主手三维基坐标系中各顶点的坐标位置，并通过三线性插值计算得到重力补偿值完成实时在线重力补偿保持机械手自平衡。
2.如权利要求1所述的一种主从异构机械手的重力保持方法，其特征在于：所述采用比例微分控制的递归算法得到主手在每个顶点的预估质量Mj+1(Xi)的具体方法为，在第j个迭代循环，向主手末端施加比例微分控制算法的作用力
Fj(X,v)＝Kp·(Xi-X)-KD·v+Mj(Xi)·g·vG
其中g表示实验地点当地的重力加速度值；X表示主手末端在主手三维基座标系的坐标；Xi表示正在估计质量的顶点在主手三维基座标系的坐标；Mj(Xi)表示当前递归循环中顶点的估计质量，j表示第j个迭代循环、第i个顶点开始迭代循环时的质量，Mj(Xi)初值M0(Xi)＝0.1；v表示当前主手末端的运动速度，由主手与笔记本电脑通过TCP/IP实时通讯获得；Kp和KD分别表示迭代循环中的比例系数和微分系数；vG表示当前主手重力补偿方向的单位向量，
当对顶点的质量估计达到稳态输出后，再根据
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得到顶点的预估质量Mj+1(Xi)作为Xi的离线质量估计值，其中Kp(i,j)为比例控制的比例系数；Mj(Xi)表示当前递归循环中顶点的估计质量。
3.如权利要求2所述的一种主从异构机械手的重力保持方法，其特征在于：所述稳态输出具体是指持续15个通信周期，主手末端位置与定点位置的距离始终小于0.1mm时。
4.如权利要求1或2所述的一种主从异构机械手的重力保持方法，其特征在于：所述通过三线性插值计算得到重力补偿值的方法为
M(X)＝ecaM0+ecbM1+edaM2+edbM3+fcaM4+fcbM5+fdaM6+fdbM7
式中，M0～M7分别表示主手末端落入的立方体块的8个顶点采用比例微分控制的递归算法得到的预估质量值，M0＝(xk,yk,zk)为三个坐标值最小的顶点。Lx,Ly,Lz分别表示小长方体的长、宽、高，而a～e的表达式为
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式中，a～e是三次线性插值的中间计算量。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102085663A (zh) * | 2010-12-22 | 2011-06-08 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 遥操作系统及方法 |
| CN107028663A (zh) * | 2017-04-18 | 2017-08-11 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种新型主从式手术机器人控制方法 |
| CN107097203A (zh) * | 2017-03-29 | 2017-08-29 | 浙江大学 | 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 |
-
2017
- 2017-09-22 CN CN201710865385.1A patent/CN107679019B/zh active Active
Patent Citations (3)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107679019B (zh) | 2020-12-25 |
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