CN108297068A - 一种基于力反馈主从控制的带电作业机器人专用工具更换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于力反馈主从控制的带电作业机器人专用工具更换方法。机械臂、主操作手以及工控机构成力反馈主从控制系统，工控机根据机械臂末端受力数据，计算出主操作手各个关节的扭矩数据，通过主操作手的控制接口，控制主操作手各关节输出扭矩，使主操作手反馈受力，操作人员根据主操作手的反馈受力确认机械臂的力度；操作人员改变主操作末端位姿，工控机根据主操作手各旋转关节的角度数据，计算出机械臂末端速度矢量的期望值，通过机械臂的控制接口，按照所述期望值控制机械臂运动，以改变机械臂的力度。本发明提高了作业临场感，可以更加精准地判断各项操作是否精准到位。

Description

一种基于力反馈主从控制的带电作业机器人专用工具更换 方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，具体涉及一种基于力反馈主从控制的带电作业机器人专用工具更换方法。

背景技术

当今工业机器人专用工具的更换通过使机器人更换不同的末端执行器或外围设备，使机器人的应用更具柔性，这些末端执行器和外围设备包含例如点焊焊枪、抓手、真空工具、气动和电动马达等。

此前，作业人员可以通过主操作手远程遥控机器人的带电作业机器人，可保证作业人员与高压电场隔离；远程遥控操作时，操作人员根据作业场景监控系统监控作业过程，对机器臂与作业对象之间、机械臂之间、作业对象与作业环境之间的相对位置的判断更精确，且不会存在视觉死角，操作精度更高，可以防止碰撞发生，提高了作业安全性。但是，在使用前述带电作业机器人进行精确定位的带电操作时，例如拆接隔离刀闸、跌落式熔断器及避雷器两端导线等，主要通过观察作业环境图像(包括实时图像和3D建模图像)来判断机械臂是否操作到位，对于机械臂与操作对象之间以及机械臂与机械臂之间接触力度大小并无感知，难以判断操作精度是否符合操作要求。如果操作人员或者控制系统能够感知机械臂与操作对象之间以及机械臂与机械臂之间接触力度大小，则可以更加精准地判断各项操作是否精准到位。

由于力反馈主手能够同时实现多个自由度的位置控制与力反馈，把力反馈主手应用到带电作业机器人主从控制的需求非常强烈。

发明内容

本发明解决的技术问题是，提出一种基于力反馈主从控制的带电作业机器人专用工具更换方法，提高了作业临场感，可以更加精准地判断各项操作是否精准到位。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于力反馈主从控制的带电作业机器人专用工具更换方法，带电作业机器人具有设置在机器人平台上的机械臂，包括两个机械臂；用于更换工具的装置包括连接于工业机器人机械臂末端的机器人侧1和连接于工具的工具侧2，两个机械臂完成以下工作：

辅助机械臂移动至专用工具箱上方并夹持快速更换装置的机器人侧；然后第一机械臂安装机器人侧；

辅助机械臂移动至专用工具箱上方并夹持快速更换装置的工具侧，然后第一机械臂安装工具侧，使机器人侧与工具侧配合，以将工具安装于机械臂末端；

在上述过程中，工控机根据机械臂末端受力数据，计算出主操作手各个关节的扭矩数据，通过主操作手的控制接口，控制主操作手各关节输出扭矩，使主操作手反馈受力，操作人员根据主操作手的反馈受力确认机械臂的力度；

在上述过程中，操作人员改变主操作末端位姿，工控机根据主操作手各旋转关节的角度数据，计算出机械臂末端速度矢量的期望值，通过机械臂的控制接口，按照所述期望值控制机械臂运动。

进一步，所述机械臂末端受力数据由安装在机械臂末端的六自由度力/力矩传感器采集获得，其标量为六自由度力/力矩数据。

进一步，所述械臂末端受力数据的标量为六自由度力/力矩数据，其由工控机根据机械臂的末端位姿数据和末端速度数据，使用基于虚拟现实技术计算获得，具体过程为：

步骤1，运用八分法对机械臂作业场景对应的虚拟现实场景进行逐步划分，构建八叉树；

步骤2，获取机械臂末端位姿数据，以该末端位姿数据为球心，创建包围球，设置包围球的半径为所需碰撞检测的距离；

步骤3，对步骤2的包围球与步骤1的八叉树进行碰撞检测，若没有发生碰撞，则机械臂末端的六自由度力/力矩数据为零，若发生碰撞，则获取虚拟现实场景中发生碰撞的数据点，根据发生碰撞的数据点坐标与机械臂末端位姿数据，计算碰撞深度矢量；

步骤4，根据碰撞深度矢量计算机械臂末端六自由度力/力矩数据，即采用弹簧阻尼模型计算反馈力，

F＝-kx-cv

其中，k为弹簧系数，x为碰撞深度矢量，c为阻尼系数，v为机械臂末端速度矢量，F为反馈力，其标量为六自由度力/力矩数据。

进一步，对主操作手静力学建模，得到机械臂末端六自由度力/力矩数据到主操作手各个关节扭矩数据的转换关系，工控机根据所述转换关系计算出主操作手各个关节的扭矩数据。

进一步，获取机械臂末端速度矢量期望值的方法为：运用D-H建模方法对主操作手建模，得出主操作手的各个旋转关节的角度数据到主操作手末端位姿数据的转换关系；工控机接收主操作手发送的各个旋转关节的角度数据，根据所述转换关系计算得到主操作手末端位姿数据，然后将主操作手末端位姿数据通过微分运算得到主操作手末端速度数据；根据主操作手末端位姿数据和末端速度数据，使用速度前馈PID控制器，计算得到机械臂末端速度矢量期望值。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)操作人员通过操控主操作手的末端，带电作业机械臂的末端能够跟随主操作手末端的姿态，操作人员看到的主操作手的姿态也是带电作业机械臂的姿态，这使得操作直观、灵活；

(2)力反馈功能的引入使得遥操作不再是单一的姿态给定，操作人员能够感受带电作业机械臂与环境的接触力，拥有更好的操作临场感，从而提高操作机械臂的便捷性和精确度；另外，通过力觉反馈能够发现机械臂与环境的碰撞，从而减小危险的发生，弥补仅靠视觉操作的不足；

(3)本发明通过构建好的虚拟现实场景，运用碰撞检测技术，在机械臂碰撞前输出反馈力，使得操作人员感受到反馈力，从而限制操作人员的操作行为，提高系统的安全性；本发明进一步为了避免主从操作导致机械臂与高压带电设备碰撞，通过力反馈的方式提醒与限制操作人员进一步操作。

(4)本发明整体上提高了机器人作业的自动化和作业精度，同时提高了作业安全性。

附图说明

图1为本发明带电作业机器人一种实施例的整体结构示意图。

图2为本发明中绝缘斗臂车的系统组成框图。

图3为本发明中机器人平台的结构示意图。

图4为本发明中机械臂的结构示意图。

图5是本发明中专用工具更换方法流程图。

图6为本发明中机器人末端工具的快速更换装置的外部结构拆分示意图。

图7为本发明中机器人末端工具的快速更换装置解锁时的内部结构示意图。

图8为本发明中机器人末端工具的快速更换装置断气保护时的内部结构示意图。

图9为本发明中机器人末端工具的快速更换装置锁紧时的内部结构示意图。

图10为本发明中机器人末端工具的快速更换装置活塞尾部凹槽的表面结构示意图。

图11为本发明中机器人末端工具的快速更换装置的整体结构打开的示意图。

图12为本发明中力反馈主从控制系统的框图。

图13为本发明中机械臂位姿闭环控制器的框图。

图14是本发明中基于虚拟现实技术的反馈力计算方法示意图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明于力反馈主从控制的带电作业机器人专用工具更换方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

结合附图，带电作业机器人包括绝缘斗臂车1、控制室2、伸缩臂3、机器人平台4。其中，绝缘斗臂车1上架设控制室2和伸缩臂3，伸缩臂3末端连接机器人平台4，机器人平台4与控制室2之间采用光纤以太网通信或者无线网络通信。

绝缘斗臂车1可供操作人员驾驶，从而将机器人平台4运输到作业现场。绝缘斗臂车1上装有支撑腿，支撑腿可以展开，从而将绝缘斗臂车1与地面稳固支撑。绝缘斗臂车1上装有发电机，从而给控制室2及伸缩臂3供电。

伸缩臂3设有沿伸缩方向的驱动装置，操作人员可以通过控制驱动装置，从而将机器人平台4升降到作业高度。该伸缩臂3由绝缘材料制成，用于实现机器人平台4与控制室2的绝缘。在本发明中，伸缩臂3可有由剪叉式升降机构或其他机构代替。

作为一种实施方式，控制室2中设置有第二工控机、显示屏、第一主操作手、第二主操作手、辅助主操作手以及通信模块等。

作为一种实施方式，机器人平台4包括绝缘子46、第一机械臂43、第二机械臂44、辅助机械臂42、第一工控机48、双目摄像头45、全景摄像头41、深度摄像头410、蓄电池49、专用工具箱47、通信模块。

机器人平台4的绝缘子46用于支撑第一机械臂43、第二机械臂44、辅助机械臂42，将这三个机械臂的外壳与机器人平台4绝缘。

蓄电池49为第一工控机48、第一机械臂43、第二机械臂44、辅助机械臂42、全景摄像头41、双目摄像头45、深度摄像头410、通信模块供电。

作为一种实施方式，双目摄像头45一共有三个，分别安装在第一机械臂43、第二机械臂44和辅助机械臂42的腕关节437上，负责采集作业场景的图像数据，并将图像数据发送给第二工控机。双目摄像头45由两个光轴平行的工业相机组成，平行光轴之间的距离固定。

深度摄像头410安装在机器人平台4正对作业场景的侧面，负责采集作业场景的景深数据，将景深数据发送给第二工控机。

全景摄像头41通过支架安装在机器人平台4的上方，负责采集作业场景的全景图像数据，将图像数据发送给第二工控机，并显示在显示器上，作业人员可以通过全景图像监控作业场景。

专用工具箱47是放置抓具、扳手等作业工具的场所。机械臂末端安装有工具快换装置。机械臂根据作业任务的类型到专用工具箱47中使用工具快换装置获取作业工具。

控制室2中第一主操作手、第二主操作手以及辅助主操作手是一种用于人工远程操作机械臂的操作装置，他们与第一机械臂43、第二机械臂44和辅助机械臂42构成主从操作关系。机械臂和主操作手具有相同的结构，只是主操作手尺寸规格比机械臂小，以便于操作人员操作。机械臂和主操作手拥有六个关节，每个关节都有光电编码器采集角度数据，各主操作手的微型控制器通过串口将六个关节的角度数据发送给第二工控机。

作为本发明一个实施例，所述机械臂为六自由度机构，包括基座431，旋转轴方向与基座平面垂直的腰关节432，与腰关节432连接的肩关节433，与肩关节433连接的大臂434，与大臂434连接的肘关节435，与肘关节435连接的小臂436，与小臂436连接的腕关节437，腕关节437由三个旋转关节组成，分别为腕俯仰关节、腕摇摆关节和腕旋转关节；所述六自由度机构中各个关节均具有相应的正交旋转编码器31和伺服驱动电机，正交旋转编码器31用于采集各个关节的角度数据，伺服驱动电机用于控制各关节的运动；第一工控机根据所述机械臂的空间路径解算出各关节的运动角度，控制伺服驱动电机按照所述运动角度控制机械臂各关节运动。

作为一种实施方式，机器人平台4与控制室2之间的数据传输通过光纤有线传输，或者使用无线网络传输。机器人平台4上的通信模块是光纤收发器，光纤收发器用于实现光纤中的光信号与双绞线中的电信号的相互转换，从而在通信上实现机器人平台4与控制室2的电气隔离。控制室2中的通信模块是光纤收发器，光纤收发器用于实现光纤中的光信号与双绞线中的电信号的相互转换，从而在通信上实现机器人平台4与控制室2的电气隔离。

作为一种实施方式，第二工控机可以完成以下任务：

建立动作序列库。预先将各项带电作业任务分解为作用序列，组成动作序列库，存储在第二工控机中，用于机械臂路径规划。

建立作业对象模型库。预先制作各项带电作业任务所涉及的作业对象的三维模型和目标识别模型，例如，根据电力塔杆、电线、金属氧化物避雷器、隔离刀闸、避雷器等器件实物，制作三维模型和目标识别模型，用于带电作业机器人自动识别作业对象，构建作业场景三维虚拟场景。

建立机械臂和专用工具模型库。预先制作机械臂和专用工具的三维模型和目标识别模型，例如，扳手等，用于带电作业机器人自动构建作业场景三维虚拟场景，规划机械臂空间路径。

获取图像数据。获取全景图像、深度图像和双目图像的数据信息。

根据图像数据识别和跟踪作业目标。

获取主操作手的角度、角速度和角加速度数据，获取机械臂的角度、角速度和角加速度数据。

对相关图像数据进行处理和计算，获取机械臂位置，获取作业对象的位置，获取机械臂与作业对象之间的相对位置，并根据相对位置和作业任务规划机械臂的空间路径。

根据图像数据构建作业对象三维场景，根据机械臂角度信息和作业对象三维场景获得机械臂与作业对象的相对位置，并根据相对位置和作业任务规划机械臂的空间路径。

对相关图像数据进行处理和计算，构建3D虚拟作业场景，送显示器显示，操作人员根据3D虚拟作业场景监控作业过程。与全景图像相比，3D虚拟作业场景综合和深度图像信息和双目图像信息，对机器臂与作业对象之间、机械臂之间、作业对象与作业环境之间的相对位置的判断更精确，且不会存在视觉死角。因此，操作人员通过3D虚拟作业场景进行作业监控，操作精度更高，可以防止碰撞发生，提高了安全性。同时，3D虚拟作业场景显示在控制室2中的显示器上，远离机械臂作业现场，提高了人作业人员的人身安全。

作为一种实施方式，第一工控机可以完成以下任务：

根据第二工控机发送的主操作手各关节的角度信息，控制机械臂各关节的运动。

获取第二工控机发送的机械臂的空间路径数据，根据作业任务的动作序列，解算出机械臂各关节的角度数据运动量，并控制机械臂各关节运动。

工业机器人专用工具的快速更换装置包括连接于工业机器人的机器人侧11和连接于末端执行器的工具侧12。末端执行器即安装于机械臂末端的工具。机器人侧11和工具侧12相互扣合后共同形成中空的容腔，容腔内由上至下分别设有活塞杆15、滚柱壳21和锁紧座圈22，滚柱壳21固定于机器人侧11内，锁紧座圈22固定于工具侧12内，活塞杆15的下部穿设于滚柱壳21的中心，且活塞杆15竖直滑动于机器人侧11的容腔内，活塞杆15的底部固定有活塞尾部18，一根活塞螺钉17由下至上依次穿设于活塞尾部18和活塞杆15，使活塞尾部18和活塞杆15固定连接，活塞尾部18倒扣于滚柱壳21内，滚柱壳21的下部内嵌于锁紧座圈22内。

活塞尾部18的外侧壁和锁紧座圈22的内侧壁之间抵靠有若干个锁紧滚柱19，且滚柱壳21的侧壁上开设有容纳锁紧滚柱19进出的缺口，随活塞杆15的竖直滑动，锁紧滚柱19沿活塞尾部18的外侧壁滚动且与锁紧座圈22的内侧壁抵靠或分离，锁紧滚柱19可被上下运动的活塞杆15推动并通过滚柱壳21的缺口进入工具端的锁紧座圈22。

活塞尾部18的外侧壁设有限制锁紧滚柱19运动的凹槽，凹槽与锁紧座圈22的内侧壁之间通过所述锁紧滚柱19啮合，凹槽由下至上依次为一体成型的接触解锁面26、过渡面27，故障保护面28和锁紧面29，四个面在快速更换装置的锁紧与解锁过程中均具有特定的功能。

当活塞杆15从接触位置下移到锁紧位置，带动锁紧滚柱19运动到锁紧表面29，锁紧滚柱19与锁紧表面29以及锁紧座圈22的内侧壁同时接触，活塞尾部18的凹槽表面通过对称分布的锁紧滚柱19啮合至矩形座圈22，产生稳定的锁紧力，活塞尾部18与锁紧座圈22锁紧；

当活塞杆15从锁紧位置上移到解锁位置，带动锁紧滚柱19运动到接触解锁面26，锁紧滚柱19与过渡面27逐渐分离，活塞尾部18与锁紧座圈22之间解锁。

故障保护面28和接触解锁面26之间的表面摩擦力大于锁紧面29和故障保护面28之间的表面摩擦力。故障保护面28的至少一部分向外突出，使得当活塞杆15在锁紧面29和接触解锁面26之间移动时，故障保护面28与锁紧滚柱19的接合产生相反的力，防止活塞杆15从锁紧面29移动到接触解锁面26。故障保护面28与活塞杆15的纵向轴线的夹角优选为1～5度。

活塞杆15与滚柱壳21接触处设有第一密封圈16，活塞端部与机器人侧11的接触处设有第二密封圈20。机器人侧11和工具侧12上都分别开设有多个外接气源装置接口24和多个模块安装位置23，外接气源装置接口24连接于机器人的气动末端执行器，以用于不同型号的工业机器人手臂以及机器人末端执行器。外接气源装置接口24的数目根据实际情况确定。模块安装位置23能够让不同的介质例如气体、电信号、液体、视频、超声等从机器人手臂连通到末端执行器。

机器人侧11和工具侧12的外侧壁上分别固定设有第一适应盘13和第二适应盘14，第一适应盘13和第二适应盘14分别连接于工业机器人和末端执行器。

上述快速更换装置为现有技术。

本发明中，第一机械臂和第二机械臂相互配合，可以模仿人的两个手的作业顺序，使用快速更换装置完成工具更换。考虑到灵活性，可以再增加一个强壮的辅助机械臂，此时，辅助机械臂专司器件夹持等力道大的动作，第一机械臂和第二机械臂则进行相关业务操作。

本发明带电作业机器人可以由作业人员进行远程操控主操作手从而使用快速更换装置完成工具更换。在带电作业机器人更换工具的过程中，会涉及机械臂作业效果的确认工作，例如工具是否固定稳妥、机械臂夹持是否到位、机械臂夹持力度是否过大等，这些需要确认效果的操作，实际上涉及到机械臂与周围环境接触时的力反馈检测，并基于力反馈检测的结果确认操作效果，并进一步调整操作人员对主操作手的控制，即本发明所述的力反馈主从控制。为了实现力反馈主从控制，本发明对现有技术做了一下改进。

在上述带点作业机器人中，主操作手、机械臂和工控机组成带电作业机器人力反馈主从控制系统。

所述主操作手为一个或者多个自由度串联机械臂结构，能够采集每个旋转关节的角度数据，每个旋转关节具备力矩电机，能够输出扭矩，从而实现力反馈功能。作为一种实施方式，可以采用六自由度串联机械臂结构，能够采集六个旋转关节的角度数据，每个旋转关节具备力矩电机，能够输出扭矩，从而实现力反馈功能。

所述机械臂与主操作手相通或者相似，为一个或者多个自由度机械臂结构，能够实时发送机械臂末端位姿数据，机械臂末端安装有六自由度力/力矩传感器，六自由度力/力矩传感器用于采集机械臂与环境接触时产生的六个方向的受力数据。作为一种实施方式，可以采用六自由度机械臂，机械臂末端安装六自由度力/力矩传感器，力/力矩传感器用于采集机械臂与环境接触产生的受力数据。

工控机接收主操作手发送的六个旋转关节的角度数据，根据力反馈主从控制方法，计算出机械臂末端速度矢量的期望值，通过机械臂的控制接口，控制机械臂运动；所述工控机接收机械臂发送的六自由度力/力矩数据，根据力反馈主从控制方法，计算出主操作手六个关节的扭矩数据，通过主操作手的控制接口，控制主操作手输出扭矩。

本发明所述力反馈主从控制包括两个方面，一是机械臂位姿控制方法，即根据主操作手各旋转关节的角度数据，计算出机械臂末端速度矢量的期望值作为控制量，通过机械臂的控制接口，控制机械臂运动；二是主操作手力反馈控制方法，即根据械臂发送的六自由度力/力矩数据，计算出主操作手各个关节的扭矩数据，通过主操作手的控制接口，控制主操作手输出扭矩。

下面以六自由度主操作手和机械臂为例，说明力反馈主从控制过程。

机械臂位姿控制方法，即根据主操作手发送的六个旋转关节的角度数据，实时计算出机械臂末端位置与姿态的控制量，所述控制量为机械臂末端速度矢量。具体地，机械臂位姿控制方法分为以下步骤：

步骤1，主操作手运动学建模，运用D-H建模方法对主操作手建模，得出主操作手的六个旋转关节的角度数据到主操作手末端位姿数据的转换关系。

步骤2，根据步骤1得到的转换关系，工控机接收主操作手发送的六个旋转关节的角度数据，计算得到主操作手末端位姿数据，将主操作手末端位姿数据通过微分运算得到主操作手末端速度数据。

步骤3，设计机械臂位姿闭环控制器，采用速度前馈PID控制器。将步骤2得到的主操作手末端位姿数据和末端速度数据，根据速度前馈PID控制器，计算得到机械臂控制量，即机械臂末端速度矢量，工控机将机械臂末端速度矢量发送给机械臂的控制接口，控制机械臂运动。

主操作手力反馈控制方法，即根据机械臂发送的六自由度力/力矩数据，实时计算出主操作手六个关节的扭矩数据。具体地，主操作手力反馈控制方法分为以下步骤：

步骤1，主操作手静力学建模，运用虚功原理对主操作手静力学建模，得到机械臂末端六自由度力/力矩数据到主操作手六个关节扭矩数据的转换关系。

步骤2，根据步骤1得到的转换关系，工控机接收由六自由度力/力矩传感器采集的机械臂与环境接触时产生的受力数据，计算得到主操作手六个关节的扭矩数据，工控机将扭矩数据发送给主操作手的力反馈控制接口，使主操作手反馈受力。自由度力/力矩传感器采集的机械臂与环境接触时产生的受力数据的标量为六自由度力/力矩数据。

作用另一种实施方式，机械臂与环境接触时产生的受力数据可以不使用六自由度力/力矩传感器采集，而是使用基于虚拟现实技术的反馈力计算方法计算获得。具体过程为：

步骤1，运用八分法对机械臂作业场景对应的虚拟现实场景进行逐步划分，构建八叉树。本步骤进一步分为以下步骤：

步骤1-1，找出虚拟现实场景数据中最小与最大的x坐标值、y坐标值、z坐标值，从而确定包围所有虚拟现实场景数据的最小立方体，将该立方体作为八叉树的根节点；

步骤1-2，对该立方体八等分，形成8个子立方体，作为该立方体的子节点；

步骤1-3，对于每个子立方体，判断其空间内数据的个数。若个数为0，则把该节点的值设置为空，不再继续构造；若个数为1，则把该节点的值置为这个点的坐标，并不再继续构造；若个数大于1，则对该子立方体重复步骤1-2。

步骤1-4，经过以上步骤构造出的八叉树，其每个子节点代表一个数据点或者为空。

步骤2，获取机械臂末端位姿数据，以该末端位姿数据为球心，创建包围球，设置包围球的半径为所需碰撞检测的距离，即判断机械臂与周围环境是否发生接触的最小距离，当机械臂末端与周围环境的距离小于该最小距离时，视为机械臂与周围环境发生了接触或者碰撞。

步骤3，对步骤2的包围球与步骤1的八叉树进行碰撞检测，若没有发生碰撞，那么机械臂的六自由度力/力矩数据为零，若发生碰撞，得到虚拟现实场景中发生碰撞的数据点，根据发生碰撞的数据点坐标与机械臂末端位姿数据，计算碰撞深度矢量。

步骤4，根据碰撞深度矢量计算机械臂末端六自由度力/力矩数据，即采用弹簧阻尼模型计算反馈力，该反馈力F为六维矢量，其标量为机械臂末端六自由度力/力矩数据。

F＝-kx-cv

其中，k为弹簧系数，x为碰撞深度矢量，c为阻尼系数，v为机械臂末端速度矢量，F为反馈力。

基于前述力反馈主从控制的带电作业机器人专用工具更换的过程为：

辅助机械臂42移动至专用工具箱47上方并夹持快速更换装置的机器人侧。夹持过程中，可以根据前述力反馈控制过程，通过机械臂反馈的夹持阻力，使主操作手受力，操作人员根据受力大小，用主操作手调节夹持力度，避免损坏元器件。第一机械臂43安装机器人侧，安装过程中，主操作手接收从操作手发送的六自由度力/力矩数据，计算得到主操作手六个关节的扭矩数据，工控机将扭矩数据发送给主操作手的力反馈控制接口，使主操作手反馈受力，操作人员根据反馈力的大小确定安装效果。

辅助机械臂42移动至专用工具箱47上方并夹持快速更换装置的工具侧，夹持效果可通过上述力反馈过程确定，第一机械臂43安装工具侧，安装效果可通过上述力反馈过程确定；

机器人侧11内的活塞杆15的上端腔室充气，活塞杆15经气压驱动向下运动，活塞尾部18的外侧壁接触并向外部挤压锁紧滚柱19，逐步接触到锁紧座圈22的内侧壁；

机器人侧11内的活塞杆15的上端腔室继续充气，活塞杆15经气压驱动继续向下运动，锁紧滚柱19经过接触解锁面26与故障保护面28之间的过渡面27，进入锁紧面29，此时锁紧滚柱19与锁紧座圈22的内侧壁产生较大接触力与锁紧力，机器人侧11与工具侧12锁紧，同时完成机器人侧与工具侧的锁紧，达到装置锁紧目的；

当供气源停止供气时，活塞杆15的上端因无气压驱动在机器人侧11的腔室内上移，此时锁紧滚柱19先与故障保护面28接触，同时与锁紧座圈22的内侧壁接触，此时锁紧力依然存在，保证装置在故障情况下保持锁紧状态，以至于工具侧不会因故障掉落。处于断气保护状态；

解锁时，活塞杆15的上端腔室充气先使活塞略微下移，之后上端腔室停止供气，随即活塞尾部18的腔室充气，此时锁紧滚柱19逐渐与活塞尾部18的外侧壁分离，同时锁紧滚柱19逐渐移出锁紧座圈22，达到装置解锁的目的。

在上述过程中，各种固定、拆装、夹持的力道和效果，以及力道的调整都可以根据前述力反馈控制过程进行确定。

Claims (5)

1.一种基于力反馈主从控制的带电作业机器人专用工具更换方法，其特征在于，带电作业机器人具有设置在机器人平台上的机械臂，包括两个机械臂；用于更换工具的装置包括连接于工业机器人机械臂末端的机器人侧和连接于工具的工具侧，两个机械臂完成以下工作：

辅助机械臂移动至专用工具箱上方并夹持快速更换装置的机器人侧；然后第一机械臂安装机器人侧；

辅助机械臂移动至专用工具箱上方并夹持快速更换装置的工具侧，然后第一机械臂安装工具侧，使机器人侧与工具侧配合，以将工具安装于机械臂末端；

在上述过程中，工控机根据机械臂末端受力数据，计算出主操作手各个关节的扭矩数据，通过主操作手的控制接口，控制主操作手各关节输出扭矩，使主操作手反馈受力，操作人员根据主操作手的反馈受力确认机械臂的力度；

在上述过程中，操作人员改变主操作末端位姿，工控机根据主操作手各旋转关节的角度数据，计算出机械臂末端速度矢量的期望值，通过机械臂的控制接口，按照所述期望值控制机械臂运动。

2.如权利要求1所述专用工具更换方法，其特征在于，所述机械臂末端受力数据由安装在机械臂末端的六自由度力/力矩传感器采集获得，其标量为六自由度力/力矩数据。

3.如权利要求1所述专用工具更换方法，其特征在于，所述械臂末端受力数据的标量为六自由度力/力矩数据，其由工控机根据机械臂的末端位姿数据和末端速度数据，使用基于虚拟现实技术计算获得，具体过程为：

步骤1，运用八分法对机械臂作业场景对应的虚拟现实场景进行逐步划分，构建八叉树；

步骤2，获取机械臂末端位姿数据，以该末端位姿数据为球心，创建包围球，设置包围球的半径为所需碰撞检测的距离；

步骤3，对步骤2的包围球与步骤1的八叉树进行碰撞检测，若没有发生碰撞，则机械臂末端的六自由度力/力矩数据为零，若发生碰撞，则获取虚拟现实场景中发生碰撞的数据点，根据发生碰撞的数据点坐标与机械臂末端位姿数据，计算碰撞深度矢量；

步骤4，根据碰撞深度矢量计算机械臂末端六自由度力/力矩数据，即采用弹簧阻尼模型计算反馈力，

F＝-kx-cv

其中，k为弹簧系数，x为碰撞深度矢量，c为阻尼系数，v为机械臂末端速度矢量，F为反馈力，其标量为六自由度力/力矩数据。

4.如权利要求1所述专用工具更换方法，其特征在于，对主操作手静力学建模，得到机械臂末端六自由度力/力矩数据到主操作手各个关节扭矩数据的转换关系，工控机根据所述转换关系计算出主操作手各个关节的扭矩数据。

5.如权利要求1所述专用工具更换方法，其特征在于，获取机械臂末端速度矢量期望值的方法为：运用D-H建模方法对主操作手建模，得出主操作手的各个旋转关节的角度数据到主操作手末端位姿数据的转换关系；工控机接收主操作手发送的各个旋转关节的角度数据，根据所述转换关系计算得到主操作手末端位姿数据，然后将主操作手末端位姿数据通过微分运算得到主操作手末端速度数据；根据主操作手末端位姿数据和末端速度数据，使用速度前馈PID控制器，计算得到机械臂末端速度矢量期望值。