CN107877517B - 基于CyberForce遥操作机械臂的运动映射方法 - Google Patents

Abstract

基于CyberForce遥操作机械臂的运动映射方法，属于机器人遥操作技术领域。本发明是为了解决现有对机器人宇航员的控制方法，由于机械臂与人手臂工作空间不一致导致控制映射效果差的问题。它将机械臂的运动空间分为自由移动空间和精细操作空间；用凸包表示相应空间内可达工作空间外轮廓；在自由移动空间的凸包外轮廓内，根据机械臂的可达工作空间，采用定缩放因子映射方式控制位置，采用姿态调整映射方式控制姿态；在精细操作空间的凸包外轮廓内，根据机械臂的定姿态空间，采用变缩放因子映射方式控制位置，采用姿态调整映射方式控制姿态。本发明用于机械臂的末端位置和姿态控制。

Description

基于CyberForce遥操作机械臂的运动映射方法

技术领域

本发明涉及基于CyberForce遥操作机械臂的运动映射方法，属于机器人遥操作技术领域。

背景技术

在空间站的建设中涉及到大量的空间装配、设备维护以及燃料补给等任务，如果全部依赖宇航员来完成，将会耗费大量的人力物力，并且恶劣复杂的太空环境发生的毒气泄漏、起火等危险任务会对宇航员的生命安全构成巨大的威胁。同时，空间站中大多装配和维护任务是对模块单元进行简单的装配和更换，动作相对简单单一且重复次数较多，依靠宇航员完成此类任务十分枯燥，且效率较低。目前，在国际空间站搭建和维护中使用了机械臂来辅助宇航员的工作，并发挥了重要作用。但是，安装有空间机械臂的机器人宇航员结构复杂，全身自由度数目较多，在当前阶段对其进行全自主的操作还难以实现，而临场感遥操作是控制机器人宇航员的一种有效方式。

遥操作的控制方式能使机器人和操作者相隔离，操作者处在安全的环境下控制机器人宇航员进入危险区域工作，这种工作模式比较适合机器人宇航员空间作业。由于操作人员使用的遥操作设备与机器人宇航员在结构方面存在差异性，因此研究遥操作的运动映射方法对实现机器人宇航员的直观准确操作至关重要。

遥操作系统的运动映射方案是指通过一定的对应关系，将操作者的运动转换为其操作机器人的运动。目前，运动映射方案研究的重点在提高操作的透明性，保证系统的安全性和稳定性等，虽然研究采取的方法各异，但总体上来讲，可以将遥操作系统的运动映射方案分为关节空间映射、笛卡尔空间映射和混合映射三种。其中，采用关节空间映射的机械臂末端定位精度一般较差，而且由于通常情况下主从设备之间存在着构型的差异，其关节之间并不具有直接的对应关系，所以，目前主要集中在基于笛卡尔空间映射和混合映射上。传统的运动映射是在操作者胸部和手臂安装位置跟踪器，测量手臂跟踪器相对胸部跟踪器的位姿来控制机器人宇航员，这种运动映射策略虽然能够保证良好的映射精度，但却存在机械臂与人手臂工作空间不一致等问题。

发明内容

本发明目的是为了解决现有对机器人宇航员的控制方法，由于机械臂与人手臂工作空间不一致导致控制映射效果差的问题，提供了一种基于CyberForce遥操作机械臂的运动映射方法。

本发明所述基于CyberForce遥操作机械臂的运动映射方法，它包括以下步骤：

将机械臂的运动空间分为自由移动空间和精细操作空间；

对自由移动空间和精细操作空间进行分析，并用凸包表示相应空间内可达工作空间外轮廓；

在自由移动空间的凸包外轮廓内，根据机械臂的可达工作空间，分别按照遥操作的位置映射方式和姿态映射方式，采用CyberForce设备控制机械臂末端的位置和姿态；所述位置映射方式的映射策略为定缩放因子映射，姿态映射方式的映射策略为姿态调整映射；

在精细操作空间的凸包外轮廓内，根据机械臂的定姿态空间，分别按照遥操作的位置映射方式和姿态映射方式，采用CyberForce设备控制机械臂末端的位置和姿态；所述位置映射方式的映射策略为变缩放因子映射，姿态映射方式的映射策略为姿态调整映射。

本发明的优点：本发明在笛卡尔空间映射的基础上提出，基于CyberForce设备(力反馈设备)实现。它首先对机械臂的工作空间进行分析，并且使用凸包对工作空间表述进行了简化；在工作空间分析结果的基础上，提出了定缩放因子映射、变缩放因子映射和姿态调整三种映射方案。操作者在进行机械臂操作时，通过对映射方案的组合使用，能够在自由移动空间和精细操作空间完成相应的任务，并提升映射效果。

附图说明

图1是本发明所述基于CyberForce遥操作机械臂的运动映射方法的流程图；

图2是机械臂在运动空间内两个工作空间的工作示意图；

图3是机械臂定姿态工作空间求解的流程图；

图4是机械臂包围体的确定示意图；

图5是机械臂正六面包围体的求解线段的划分图；

图6是凸包的表示方法图和应用凸包表示机械臂可达工作空间的示意图；

图7是CyberForce主端与从端坐标系的示意图；

图8是机械臂的工作空间包含关系检测流程图；

图9是机械臂的工作空间包含关系检测点的位置判断示意图；

图10是机械臂的工作空间表面的法向量示意图；

图11是机械臂末端沿X方向接近或远离障碍物的示意图；

图12是机械臂末端远离障碍物时，缩放因子随到障碍距离的变化规律示意图；

图13是机械臂末端接近障碍物时，缩放因子随到障碍距离的变化规律示意图；

图14是机械臂末端接近操作目标物体时，缩放因子随到障碍距离的变化规律示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图14具体说明本实施方式，本实施方式所述基于CyberForce遥操作机械臂的运动映射方法，结合图1所示，它包括：

将机械臂的运动空间分为自由移动空间和精细操作空间；

对自由移动空间和精细操作空间进行分析，并用凸包表示相应空间内可达工作空间外轮廓；

在自由移动空间的凸包外轮廓内，根据机械臂的可达工作空间，分别按照遥操作的位置映射方式和姿态映射方式，采用CyberForce设备控制机械臂末端的位置和姿态；所述位置映射方式的映射策略为定缩放因子映射，姿态映射方式的映射策略为姿态调整映射；

在精细操作空间的凸包外轮廓内，根据机械臂的定姿态空间，分别按照遥操作的位置映射方式和姿态映射方式，采用CyberForce设备控制机械臂末端的位置和姿态；所述位置映射方式的映射策略为变缩放因子映射，姿态映射方式的映射策略为姿态调整映射。

本实施方式中，结合图2所示，针对机械臂的实际任务，根据任务目标和或者障碍物的情况，将其运动空间分为精细操作空间和自由移动空间；在精细操作空间内，机械臂进行精细操作，例如插拔操作；机械臂由自由移动空间移动到精细操作空间时，其末端姿态基本是已经预先调整好的，即固定姿态，所以精细操作空间往往是机械臂当前姿态的定姿态工作空间的一部分。

而自由移动空间对应着除精细操作空间以外的可达工作空间。

按照机械臂的运动能力，可将其运动空间分为可达工作空间、定姿态工作空间以及灵巧工作空间。机械臂在自由移动空间内运动时，其最大可能达到的范围为其可达工作空间，因此，自由移动空间通常大于可达工作空间。由于机械臂在进行任务时，往往需要操作者操作机械臂以一定的姿态和位置进入精细操作空间，自由移动空间越大，机械臂进入精细操作空间前的姿态和位置就越容易调整；同时，由于受到机械臂关节角度限位以及奇异问题的影响，过小的自由移动空间可能导致在进入精细操作空间之前，操作者不能操作机械臂达到要求的姿态和位置。

所述精细操作空间可以被定义为当机械臂末端接近操作目标、障碍物或机械臂可达工作空间边界时机械臂所处的工作空间；例如被定义为机械臂的运动空间中，机械臂末端距离操作目标、障碍物表面或机械臂可达工作空间边界小于0.02m的点集合形成的空间；

在自由移动空间时，机械臂具有更为广大的移动范围。此时，对遥操作系统来说，只需要在保证自己本身稳定的情况下，能够快速地让机械臂移动到目标位置即可，对机械臂末端的定位精度没有较高的要求。但是，当机械臂处于精细操作空间时，由于机械臂离目标物体比较近，为了顺利完成实际任务，以及避免机械臂与物体接触时出现异常情况，此时机械臂需要很高的运动精度和较低的运动速度。而且，针对具体的装配任务，机械臂在精细操作空间下需要进行定姿态的移动。所以对于机械臂而言，精细操作空间可以属于它定姿态工作空间的一部分。

用凸包表示相应空间外轮廓的具体方法为：针对自由移动空间或精细操作空间，用 Graham扫描法寻找相应空间的构成点，在相应空间的构成点中选定至少五个点构成多边形，并对所有构成点进行包围，所述多边形作为凸包，用来表示相应空间外轮廓。

例如结合图6所示，当存在p₁-p₈点时，可选定p₁-p₅点构成多边形对所有构成点进行包围，构成的多边形被称为凸包，构成凸多边形的点p₁-p₅被称为凸包点。对于给定的一组点，可以采用Graham扫描法进行凸包及凸包点的寻找。图6右侧的凸包即为采用该方法描述的机械臂可达空间，该简化有效地排除了工作空间内部对于描述空间形状无意义的点。

在自由移动空间内，首先，通过蒙特卡洛随机取样的方式获取表示机械臂的可达工作空间的实心点云，如果直接采用实心点云对机械臂的工作空间进行描述，并不是一种可行的方式，主要是由于实心点云存在过多的描述点，而点云的内部点对描述工作空间并没有用。因此，为了简化工作空间的描述，提出了凸包描述法，并采用凸包来表示机械臂的可达工作空间；凸包表示的机械臂可达工作空间呈现了机械臂在了机械臂在三维空间中所有能够到达的位置。

对CyberForce的工作空间进行分析如下：

结合图7所示，遥操作主端的CyberForce设备通过读取安装在结构关节处的光电编码器数据，在系统内部进行正运动学计算，可以得到机械臂设备末端的位置和姿态。由于CyberForce所采取的编码器为增量式的光电编码器，所以每次启动时都需要针对该设备进行初始位置的标定。标定结束后，可以将CyberForce末端位姿在一个固定的坐标系中进行表示，如图7中的O₀-X₀Y₀Z₀坐标系。针对CyberForce数据进行映射，就是寻找一个新的从端坐标系O₁-X₁Y₁Z₁表示从端的机械臂位姿，并且得到CyberForce末端在该坐标系下的表示。为了得到CyberForce的实际可达工作空间，需要采用操作者操作情况下的随机取样进行获取。这是因为在实际操作过程中，人手实际可达的范围要远远小于 CyberForce设备的理论工作空间。所以采用与机械臂相同的表示方法对CyberForce的工作空间进行表示。

遥操作的运动映射是指，通过一定的函数关系，将主端操作设备采集到的位姿数据转换为末端机械臂的位姿数据，即：

T_s＝f(T_m)，

式中T_s为从端的其次变换矩阵，T_m为主端的其次变换矩阵；

由于位置和姿态的表述方式不同，以及主从设备的构型均存在差异，所以需要将位置映射和姿态映射分开进行描述。

机械臂的遥操作位置映射表达式为：

X_s＝S(RX_m+T)，

式中X_s为期望的机械臂位置，S为映射方案的缩放系数，R为主端坐标系 O₀-X₀Y₀Z₀和从端坐标系O₁-X₁Y₁Z₁的转换矩阵，X_m为操作者操作CyberForce设备的位置，T为映射方案的偏置系数；

机械臂的遥操作位置映射策略也可以由其增量形式进行表述，对机械臂的遥操作位置映射表达式两端求导，获得主端CyberForce设备与从端机械臂的速度映射关系式：

V_s＝S·R·V_m，

式中V_s期望的机械臂速度，V_m操作者操作CyberForce设备的速度；

机械臂在空间运动时，基本的运动是机械臂的定姿态运动。但当机械臂运动到工作空间边界时，为了能够使机械臂达到更远的地方，可以更改机械臂末端的姿态，以便拥有更大的自由运动空间。此外，操作者也可以单独对机械臂末端的姿态进行操作。为此，将机械臂运动过程中的映射分为三种：定缩放因子映射，姿态调整映射和变缩放因子映射。

在自由移动空间，机械臂运动需要满足如下条件：①机械臂具有较灵活的运动状态，能够尽可能到达更大的运动范围；②机械臂姿态和位置不需要特别精确地进行控制；③机械臂在运动过程中，针对障碍物，工作空间边界等其他异常情况能够进行处理；故在自由移动空间运动时，将机械臂的运动规定为定姿态运动和姿态调整的组合；即正常情况下，机械臂采用固定的姿态进行运动。一旦遇到特殊情况需要进行机械臂的姿态调整时，可以将机械臂的移动模式更改为姿态调整模式。对于定缩放因子来说，机械臂的遥操作位置映射表达式中，主要待定的参数为缩放系数S和偏置系数T，这两个系数确定的原则是：保证通过该映射算法确定的机械臂移动空间在相应的机械臂工作空间范围内。

所述定缩放因子映射为：在无障碍运动情况下，机械臂采用固定的姿态进行运动，通过确定机械臂的遥操作位置映射表达式中的缩放系数S和偏置系数T，使机械臂在相应的工作空间内移动；

对机械臂的可达工作空间进行检测区域的划分：针对用凸包表示的机械臂的可达工作空间的凸包点，判断所述凸包点到自由移动空间凸包面法线的夹角，是否为锐角，如果是，表明凸包点在自由移动空间凸包面内部，确定缩放系数S和偏置系数T为可行解；若要获得最大化的缩放系数s_max，则通过二分法进行最优缩放系数的搜索；

所述姿态调整映射为：在任务中要求的机械臂姿态与当前机械臂姿态不相符时，或者机械臂根据定缩放因子映射或变缩放因子映射运动到定姿态操作空间边界但并未满足任务位置要求时，需采用姿态调整映射调整机器人末端姿态。姿态调整映射基于机械臂和 CyberForce的末端坐标系进行增量映射以控制机械臂末端的姿态，其操作过程直观，操作方法符合操作者的习惯。

定缩放因子映射策略主要基于机械臂工作空间的凸包简化表示方法和工作空间包含关系检测算法进行设计，该策略能够确保机械臂拥有尽可能大的实际运动空间。

图8所示，为本公开提出的工作空间凸包简化表述的基础上，工作空间包含关系检测算法。当检测运动空间点是否在工作空间范围内部时，只需要在对应的检测区域内进行即可。其中一个划分好的检测区域如图10中的箭头所在的区域。实际检测时，分别取运动空间的凸包点和工作空间的凸包面，判断点到面中心的连线与凸包面法线的夹角，如果为钝角，表面点在面内部，如果为锐角，表明点在面的外部。其判断关系示意图如图9所示。如果判断得到移动空间上所有的凸包点均位于工作空间范围内，则表明移动空间被工作空间包含；反之，则表明两空间不存在包含关系。如果映射之后机械臂的移动空间位于其工作空间之内，则表明所取得的缩放系数S和偏置系数T为一个可行解。此外，如果要求取得最大化的缩放系数S，以便使操作者在操作过程中获得尽可能大的工作空间和灵巧的操作体验，可以通过二分法进行最优缩放系数的搜索。

在精细操作空间内，首先确定机械臂的正六面包围体，以机械臂基坐标系方向为基准方向，在不考虑机械臂碰撞的情况下，X轴正方向的最大伸展边界为(X_max，0，0)，X轴负方向的最大伸展边界为(X_min，0，0)，并依照此形式获取(0，Y_max，0)、(0，Y_min，0)、 (0，0，Z_max)和(0，0，Z_min)，建立正六面体使得以上六个点分别在六面体的六个面上；然后沿Z轴方向按预设间距a平均分割正六面包围体，获得多个平行于Z轴的线段，作为求解线段；对于每条求解线段，根据求解步长划分，生成相应的计算点；在每个计算点上，采用臂角法进行逆运动学求解，保存每条求解线段上存在逆运动学解的最远两点，将所有求解线段上的两个最远逆运动学求解点连接后，获得机械臂的定姿态空间；

变缩放因子策略：当采用定缩放因子映射时，机械臂在整个运动空间中具有一致的运动能力。但是，根据实际的遥操作实验，越小的缩放因子具有越高的运动精度和越差的运动效率。因此，在机械臂的整个运动过程中采用相同的缩放因子并不是一种合理的做法。此外，在机械臂运动过程中，如果路径中间突然出现障碍物，这时若仍然采用定缩放因子方式进行操作，则很可能来不及避免与障碍物的碰撞。为此，本实施方法在定缩放因子算法的基础上提出了变缩放因子的映射方式。该变缩放因子映射的方法能够有效进行障碍物和工作空间边界的躲避，以及针对目标物的接近过程进行优化。对于所述的精细操作空间，由于其需满足如下条件：①机械臂末端需要具有比较高的定位精度；②机械臂的移动速度应该比较慢；③不应该对机械臂末端进行大范围的姿态调整，应该尽量保证机械臂进行定姿态的移动；④机械臂移动的范围应该保证始终位于相应的定姿态工作空间内；故在机械臂的精细操作空间中使用本实施方法中的变缩放因子策略。

对障碍物的接近：在遥操作机械臂接近障碍物时，需要提高机械臂的运动精度，所以应相应地减小缩放因子，必要时甚至消除机械臂接近障碍物方向上的运动，确保机械臂不会与障碍物进行接触。为此，本实施方法采用S型函数来描述缩放因子的变化规律。所述变缩放因子映射为：

第一种情况：在精细操作空间内，针对机械臂末端与障碍物的接近，采用S型函数描述缩放因子的变化规律：

式中f(d)为缩放因子变化函数，d为机械臂末端距离障碍物或者操作目标的距离，γ为根据操作要求预设置的阈值，α为函数值减小的速度；

S型函数的特性为当d小于γ所定义的阈值时，函数值会急剧减小，当d接近0 时，函数值为1；

在S型函数的变化趋势下，采用基于主端CyberForce设备与从端机械臂的速度映射关系式进行映射；

结合图11所示，X_robo为机械臂X方向的位置，当机械臂末端以速度v₁接近接近障碍物X_obs时，缩放系数S的改变规律为：

s＝s_max·(1-f(d))；

缩放系数S变化时，机械臂运行的距离为d₁；

当机械臂末端以速度v₂远离障碍物X_obs时，缩放系数S的改变规律为：

s＝(s_max-s_lea)·(1-f(d))+s_lea，

缩放系数S变化时，机械臂运行的距离为d₂；

式中s_lea为偏置因子；该因子用于保证s从0开始，并且最大值与公式 s＝s_max·(1-f(d))的最大值相同。

如果将缩放因子的改变用函数图像表示，则可得到如图12和图13所示的结果。在实际遥操作过程中，首先操作者遥操作机械臂运动到障碍物附近时，需要读取CyberForce设备移动的速度方向，并判断在各个方向上，机械臂是接近障碍物还是远离障碍物。然后，再依据此时机械臂末端在某个方向上距离障碍物的距离，计算出相应的缩放因子，并利用该缩放因子进行速度的映射。

所述变缩放因子映射策略通过对映射参数的在线调节，能够实现辅助操作者躲避障碍和接近目标物体的效果。

第二种情况：在精细操作空间内，针对机械臂末端与机械臂可达工作空间边界的接近，对第一种情况的变缩放因子进行拓展，以躲避可达工作空间边界；

当机械臂采用定姿态移动时，其工作空间可以由提出的工作空间凸包表示方法进行描述。将精细操作空间用点集P构成的凸包集合convP表示，以P_e为机械臂末端点，机械臂末端点到精细操作空间边界的最小距离表达式为：

dis(P_i，P_e)＝||P_i-P_e||，

式中P_i为点集P中距离P_e点最近的点；

所述P_i可以采用冒泡法进行搜索获得；获得P_i后，再根据第一种情况提出的针对障碍物的接近时的缩放系数算法进行缩放系数的更新；

目标物体的接近：在接近目标物体时，映射的缩放因子应该具有与接近障碍物时相似的变化规律。但是两者之间存在一定的区别，其中最大的区别是：在接近障碍物时，缩放因子需要快速地减小至0，保证机械臂末端不会与障碍物发生碰撞；而在接近目标物体时，机械臂仍然需要以一较小的速度进行移动调节，保证能够以正确的位置和姿态靠近目标物体，达到目标位置。为此，将式s＝s_max·(1-f(d))进行修改，作为在接近目标物体时缩放因子的改变规律：

第三种情况：在精细操作空间内，针对机械臂末端距离操作目标的接近，缩放系数S 的改变规律为：

s＝(s_max-s_min)·f(d)+s_min，

S_min表示预设的最小缩放因子。将f(d)表达式中的γ和α也进行相应的调整。其缩放因子的改变如图14所示。

对定姿态工作空间的分析：由于主从遥操作设备存在的较大构型差异，实际操作过程中，很难同时让从端机械臂满足主端设备发出的位置和姿态命令。加之CyberForce设备不能在操作者腕部施加姿态调整的力反馈，所以在映射过程中，定姿态运动为机械臂主要的运动方式。为此，可以采用图3所示的流程进行工作空间的求解，图3中展示了机械臂的包围体的划分和求解线段的生成过程。其中包围体的确定如图4所示，为了简单起见，本实施方法包围体选择为正六面体。图5展示了求解线段的生成过程。当采用沿X轴方向和沿Y轴方向的等间距平面分割包围体时，可以获得一系列平行于Z轴的线段，该线段即为所需的求解线段。对于每条选取好的求解线段，根据求解步长进行划分，从而在线段上生成相应的计算点，在每个计算点上，采用臂角法进行逆运动学求解。保存每条线段上存在逆运动学解的最远两点，将所有线段上的这些点连接起来，即可得到机械臂的定姿态工作空间表示。

根据操作者操作的舒适性准则，实际映射采用如图7所示的姿态映射方式，在该映射方式中，操作者末端坐标系的旋转[R_x R_y R_z]分别被映射到机器人末端坐标系中的[R_x -R_z R_y]。此外，姿态调整策略采用了增量映射的方式，初始化时，机器人末端姿态和操作者末端姿态并不一定要求一致，初始化结束后，操作者的增量旋转通过上述映射方式，使机器人末端姿态进行相应的增量调整。当机械臂移动到工作空间边界或者是改变机械臂末端姿态进行抓取时，需要操作者操作机械臂进行末端姿态的调节。但是，CyberForce设备和实际的机械臂末端姿态相差很多，正常移动时，基本不可能存在机械臂末端姿态和 CyberForce姿态完全对应的情况。为此，采用增量映射的方式来控制机械臂末端的姿态，

所述姿态映射方式为：将操作者末端坐标系的旋转[R_x R_y R_z]映射到机械臂末端坐标系中的[R_x -R_z R_y]，同时，姿态调整策略采用增量映射的方式：

R_{m_ref}·R_m＝R_{m_new}，

R_{s_ref}·R_s＝R_{s_new}，

式中，R_m为主端CyberForce设备末端的增量旋转，R_{m_ref}为主端初始的旋转矩阵，R_{m_new}为主端经过姿态调整后的旋转矩阵；R_s为从端机械臂末端的增量旋转，R_{s_ref}为从端初始时的旋转矩阵，R_{s_new}为从端经过姿态调整后的旋转矩阵；

使主端CyberForce设备采用RPY欧拉角表示旋转，则：

式中，R_z为绕z轴旋转的旋转变换矩阵，

为绕z轴的旋转角度，R_Y为绕y轴旋转的旋转变换矩阵，θ为绕y轴的旋转角度，R_X为绕X轴旋转的旋转变换矩阵，ψ为绕x 轴的旋转角度；

如果将该旋转按照姿态映射策略进行映射，则针对同样的旋转角度，从端机械臂的增量旋转可以表达为：

再经过推导获得R_m和R_s之间的转换关系为：

R_s＝R_t·R_m·R′_t，

式中R_t为主端设备姿态到机械臂末端姿态的旋转变换矩阵；

R′_t为为R_t矩阵的转置；

综上，计算获得最终的映射矩阵的转换为：

R_{s_new}＝R_{s_ref}·R_t·R′_{m_ref}·R_{m_new}·R′_t；

式中R′_{m_ref}为R_{m_ref}矩阵的转置。

本公开中，缩放系数也可以称作缩放因子。

Claims (5)

1.一种基于CyberForce遥操作机械臂的运动映射方法，其特征在于，它包括：

将机械臂的运动空间分为自由移动空间和精细操作空间；

对自由移动空间和精细操作空间进行分析，并用凸包表示相应空间内可达工作空间外轮廓；

在自由移动空间的凸包外轮廓内，根据机械臂的可达工作空间，分别按照遥操作的位置映射方式和姿态映射方式，采用CyberForce设备控制机械臂末端的位置和姿态；所述位置映射方式的映射策略为定缩放因子映射，姿态映射方式的映射策略为姿态调整映射；

在精细操作空间的凸包外轮廓内，根据机械臂的定姿态空间，分别按照遥操作的位置映射方式和姿态映射方式，采用CyberForce设备控制机械臂末端的位置和姿态；所述位置映射方式的映射策略为变缩放因子映射，姿态映射方式的映射策略为姿态调整映射；

用凸包表示相应空间内可达工作空间外轮廓的具体方法为：针对自由移动空间或精细操作空间，用Graham扫描法寻找相应空间的构成点，在相应空间的构成点中选定至少五个点构成多边形，并对所有构成点进行包围，所述多边形作为凸包，用来表示相应空间内可达工作空间外轮廓；

在自由移动空间内，首先，通过蒙特卡洛随机取样的方式获取表示机械臂的可达工作空间的实心点云，并采用凸包来表示机械臂的可达工作空间外轮廓；

遥操作主端的CyberForce设备通过读取安装在结构关节处的光电编码器数据，经过计算得到机械臂末端的位置和姿态；通过主端坐标系O₀-X₀Y₀Z₀表示主端的CyberForce设备位姿，通过从端坐标系O₁-X₁Y₁Z₁表示从端的机械臂位姿；

机械臂的遥操作位置映射表达式为：

X_s＝S(RX_m+T)，

式中X_s为期望的机械臂位置，S为映射方案的缩放系数，R为主端坐标系O₀-X₀Y₀Z₀和从端坐标系O₁-X₁Y₁Z₁的转换矩阵，X_m为操作者操作CyberForce设备的位置，T为映射方案的偏置系数；

对机械臂的遥操作位置映射表达式两端求导，获得主端CyberForce设备与从端机械臂的速度映射关系式：

V_s＝S·R·V_m，

式中V_s期望的机械臂速度，V_m操作者操作CyberForce设备的速度；

所述定缩放因子映射为：在无障碍运动情况下，机械臂采用固定的姿态进行运动，通过确定机械臂的遥操作位置映射表达式中的缩放系数S和偏置系数T，使机械臂在相应的工作空间内移动；

对机械臂的可达工作空间进行检测区域的划分：针对用凸包表示的机械臂的可达工作空间的凸包点，判断所述凸包点到自由移动空间凸包面法线的夹角，是否为锐角，如果是，表明凸包点在自由移动空间凸包面内部，确定缩放系数S和偏置系数T为可行解；若要获得最大化的缩放系数s_max，则通过二分法进行最优缩放系数的搜索。

2.根据权利要求1所述的基于CyberForce遥操作机械臂的运动映射方法，其特征在于，

所述精细操作空间为机械臂的运动空间中，机械臂末端距离操作目标、障碍物表面或机械臂可达工作空间边界小于0.02m的点集合形成的空间；

自由移动空间为机械臂的运动空间中除去精细操作空间以外的空间。

3.根据权利要求2所述的基于CyberForce遥操作机械臂的运动映射方法，其特征在于，

所述姿态调整映射为：采用增量映射的方式控制机械臂末端的姿态。

4.根据权利要求3所述的基于CyberForce遥操作机械臂的运动映射方法，其特征在于，

在精细操作空间内，首先确定机械臂的正六面包围体，以机械臂基坐标系方向为基准方向，X轴正方向的最大伸展边界为(X_max,0,0)，X轴负方向的最大伸展边界为(X_min,0,0)，并依照此形式获取(0,Y_max,0)、(0,Y_min,0)、(0,0,Z_max)和(0,0,Z_min)，建立正六面体使得以上六个点分别在六面体的六个面上；然后沿Z轴方向按预设间距a平均分割正六面包围体，获得多个平行于Z轴的线段，作为求解线段；对于每条求解线段，根据求解步长划分，生成相应的计算点；在每个计算点上，采用臂角法进行逆运动学求解，保存每条求解线段上存在逆运动学解的最远两点，将所有求解线段上的两个最远逆运动学求解点连接后，获得机械臂的定姿态空间；

所述变缩放因子映射为：

第一种情况：在精细操作空间内，针对障碍物的接近，采用S型函数描述缩放因子的变化规律：

式中f(d)为缩放因子变化函数，d为机械臂末端距离障碍物或者操作目标的距离，γ为根据操作要求预设置的阈值，α为函数值减小的速度；

在S型函数的变化趋势下，采用基于主端CyberForce设备与从端机械臂的速度映射关系式进行映射；

当机械臂末端以速度v₁接近障碍物时，缩放系数S的改变规律为：

s＝s_max·(1-f(d))；

当机械臂末端以速度v₂远离障碍物时，缩放系数S的改变规律为：

s＝(s_max-s_lea)·(1-f(d))+s_lea，

式中s_lea为偏置因子；

读取CyberForce设备移动的速度方向，并判断在各个方向上，机械臂是接近障碍物或是远离障碍物，然后计算相应的缩放系数S，并利用缩放系数S进行速度的映射；

第二种情况：在精细操作空间内，针对机械臂可达工作空间边界的接近，对第一种情况的变缩放因子进行拓展，以躲避可达工作空间边界；

将精细操作空间用点集P构成的凸包集合convP表示，以P_e为机械臂末端点，机械臂末端点到精细操作空间边界的最小距离表达式为：

dis(P_i,P_e)＝||P_i-P_e||，

式中P_i为点集P中距离P_e点最近的点；

所述P_i采用冒泡法进行搜索获得；获得P_i后，再根据第一种情况提出的针对障碍物的接近时的缩放系数算法进行缩放系数的更新；

第三种情况：在精细操作空间内，针对机械臂末端距离操作目标的接近，缩放系数S的改变规律为：

s＝(s_max-s_min)·f(d)+s_min，

S_min为预设的最小缩放因子。

5.根据权利要求4所述的基于CyberForce遥操作机械臂的运动映射方法，其特征在于，

所述姿态映射方式为：将操作者末端坐标系的旋转[R_x R_y R_z]映射到机械臂末端坐标系中的[R_x -R_z R_y]，同时，姿态调整策略采用增量映射的方式：

R_{m_ref}·R_m＝R_{m_new}，

R_{s_ref}·R_s＝R_{s_new}，

式中，R_m为主端CyberForce设备末端的增量旋转，R_{m_ref}为主端初始的旋转矩阵，R_{m_new}为主端经过姿态调整后的旋转矩阵；R_s为从端机械臂末端的增量旋转，R_{s_ref}为从端初始时的旋转矩阵，R_{s_new}为从端经过姿态调整后的旋转矩阵；

使主端CyberForce设备采用RPY欧拉角表示旋转，则：

式中，R_z为绕z轴旋转的旋转变换矩阵，

为绕z轴的旋转角度，R_Y为绕y轴旋转的旋转变换矩阵，θ为绕y轴的旋转角度，R_X为绕X轴旋转的旋转变换矩阵，ψ为绕x轴的旋转角度；

再经过推导获得R_m和R_s之间的转换关系为：

R_s＝R_t·R_m·R′_t，

式中R_t为主端CyberForce设备姿态到机械臂末端姿态的旋转变换矩阵；

R'_t为R_t矩阵的转置；

综上，计算获得最终的映射矩阵的转换为：

R_{s_new}＝R_{s_ref}·R_t·R′_{m_ref}·R_{m_new}·R′_t；

式中R'_{m_ref}为R_{m_ref}矩阵的转置。

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