CN108568822A - 基于多个机器人的异构型遥操作系统 - Google Patents

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金滔
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    • B25J9/16—Programme controls
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Abstract

本发明涉及机器人控制领域。本发明公开了一种基于多个机器人的异构型遥操作系统，包括主端的PHANTOM Omni机器人1、主端的PHANTOM Omni机器人2、从端的SCARA机器人1、从端的SCARA机器人2、计算机、通讯网络，所述PHANTOM Omni机器人1和PHANTOM Omni机器人2与计算机连接，SCARA机器人1、SCARA机器人2通过通讯网络与计算机连接；对PHANTOM Omni机器人1和PHANTOM Omni机器人2分别施加作用力fh1和fh2，使其产生运动数据通过通讯网络分别传递给SCARA机器人1和SCARA机器人2，使其产生运动数据，对作用力fh1和fh2进行响应。本发明的有益效果是，解决了复杂或恶劣环境下单个的机器人难以自主有效完成任务的问题，扩展了机器人的执行力。

Description

基于多个机器人的异构型遥操作系统
技术领域
本发明涉及机器人控制领域，特别涉及机器人异构型遥操作控制系统，具体而言，涉及基于多个机器人的异构型遥操作系统。
背景技术
机器人遥操作系统因为能够代替人在复杂或恶劣环境中进行作业，从而可以避免对人体产生伤害，降低生产成本，提高生产效率。
根据主从机器人的机械结构、自由度和工作空间是否相同，机器人遥操作系统又可以分为同构型和异构型。
异构型机器人遥操作系统将人的经验智慧与机器人的优势相结合，实现了人的行为能力与感知能力的延伸。在一些人不能到达的复杂环境下如核工业、化工产业、空间技术、深海开发以及医疗应用等领域，能够代替人在复杂或恶劣环境中进行作业，与同构型机器人遥操作系统相比，异构型机器人遥操作系统能够最大限度的扩展主从机器人的可选范围和应用范围，提高机器人遥操作系统的实用性，是目前解决复杂环境下机器人作业问题最为理想的技术手段。
采用异构型遥操作系统使多个机器人相互协作，共同完成作业任务必将成为未来机器人领域的发展趋势，与同构遥操作系统相比，由于主从机器人的机械结构、自由度和工作空间等方面的差异，异构型遥操作系统的设计与控制方法面临着更大的困难。
文献[G.Song,S.Guo and Q.Wang,"A Tele-operation system based on hapticfeedback,"2006IEEE International Conference on Information Acquisition,Shandong,2006,pp.1127-1131.]设计了一种以PHANTOM Omni haptic device机器人为主机器人，以6自由度机械臂为从机器人的异构型机器人遥操作系统，在该系统中主机器人利用IEEE-1394火线接入一台计算机，从机器人利用RS232串口通信接入另一台计算机，再通过互联网络实现两台计算机的通信连接，以此实现主从机器人控制。文献[严水峰.主从异构型遥操作机器人工作空间映射与运动控制研究[D].浙江大学,2017.]设计了一种以Geomagic Touch力反馈设备为主机器人，以Baxter双臂机器人为从机器人的异构型遥操作系统，该系统运用机器人操作系统ROS及MATLAB Simulink模块编写相应软件，同时通过搭建局域网连接主从机器人等硬件设备，以此实现主从控制。
上述异构遥操作系统有的结构复杂，需要2台计算机进行协同工作，有的需要专用模块，通用性不强，系统构建成本高，而且都不能进行多个机器人的遥操作控制，不能实现对人双手活动的跟随操作这一机器人重要应用，机器人自主能力缺乏，协同作业能力低，实用性不强，适用范围大打折扣。
发明内容
本发明的主要目的在于提供基于多个机器人的异构型遥操作系统，以解决现有技术中异构遥操作系统构建成本高，适用范围小的问题。
为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种基于多个机器人的异构型遥操作系统，其特征在于，包括主端的PHANTOM Omni机器人1、主端的PHANTOM Omni机器人2、从端的SCARA机器人1、从端的SCARA机器人2、计算机、通讯网络，所述PHANTOM Omni机器人1和PHANTOM Omni机器人2与计算机连接，SCARA机器人1、SCARA机器人2通过通讯网络与计算机连接；
对PHANTOM Omni机器人1施加作用力fh1，使其产生运动数据xmaster1；
对PHANTOM Omni机器人2施加作用力fh2，使其产生运动数据xmaster2；
运动数据xmaster1通过通讯网络传递给SCARA机器人1，使其产生运动数据xslave1，对作用力fh1进行响应；
运动数据xmaster2通过通讯网络传递给SCARA机器人2，使其产生运动数据xslave2，对作用力fh2进行响应。
具体的，作用力fh1和作用力fh2分别为操作者的两只手施加的力。
具体的，所述SCARA机器人1对作用力fh1进行响应和SCARA机器人2对作用力fh2进行响应为2个SCARA机器人分别跟随所述操作者的两只手运动。
具体的，所述SCARA机器人为RS4350-01型四轴SCARA机器人。
进一步的，所述通讯网络为基于TCP/IP协议的局域网。
具体的，所述局域网为无线局域网。
进一步的，所述PHANTOM Omni机器人1和PHANTOM Omni机器人2通过IEEE-1394火线与计算机连接。
本发明的有益效果是，能够有效解决复杂或恶劣环境下单个的机器人难以自主有效完成任务的问题，从而扩展机器人的执行力，协同作业能力，提高机器人执行任务的效率，提高系统的实用性，降低系统构建成本。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为实施例系统结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实现人通过2个主机器人对多个异构从机器人的遥操作控制，使从机器人跟随人手的活动协同，是机器人遥操作系统发展领域的重要环节。
PHANTOM Omni机器人(也称为Sensable PHANTOM Omni力反馈设备)是一种由三个自由度组成的手臂型力反馈设备，其构造精密，应用广泛，底座小巧，具有便携式的特点，是目前最为经济的触觉设备之一，握感舒适的感应尖端以金属零件和塑胶外壳构成，适合操作者对主机器人端的握力输入，因而广泛应用于教育，医疗，科研及工程项目等领域。RS4350-01型四轴SCARA机器人(Selective Compliance Assembly Robot Arm，选择顺应性装配机器手臂)是一种由三个自由度组成的平面关节型机器人，其系统由机器手，机器臂，关节，步进电机驱动系统等组成，通过各自由度步进电机的驱动，完成机器手，机器臂的位置变化。主要用于精密仪器和物体的搬运和移动。由于体积小，传动原理简单，被广泛运用于电子电气业，家用电器业，精密机械业等领域。
PHANTOM Omni机器人端采用IEEE-1394火线的串口通信方式与外部进行通信。
SCARA机器人与外部进行通信(与外部设备配合时的动作、设定、操作)时，作为Modbus通讯附属器(服务器)功能，前期设定时可选择RS-232C(串行通信)进行Modbus通讯和使用以太网(Ethernet)进行Modbus通讯两种，本发明在SCARA机器人端主要采用了以太网(Ethernet)设定进行Modbus通讯从而与外部通信。
Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。
TCP/IP协议，全称为Transmission Control Protocol/Internet Protocol，中译名为传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通讯协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。
实施例
如图1所示，本例基于多个机器人的异构遥操作系统，包括2台PHANTOM Omni机器人、计算机、由无线路由器构成的局域网通讯网络以及2台RS4350-01型四轴SCARA机器人。操作者通过自己的左右手分别对主端的PHANTOM Omni机器人1施加作用力fh1和对主端的PHANTOM Omni机器人2施加作用力fh2来进行操纵。
PHANTOM Omni机器人1产生的运动数据xmaster1及PHANTOM Omni机器人2产生的运动数据xmaster2通过局域网络通信分别传递给从端的SCARA机器人1及SCARA机器人2，使从端的2台SCARA机器人分别产生运动数据xslave1和xslave2，从而跟随操作者的双手运动。
本例基于多个机器人的异构遥操作系统的通信机制，首先利用TCP/IP协议通过无线路由器与计算机连接搭建局域网。再采用建立在以太网基础上的Modbus协议来接入此局域网实现计算机与2台SCARA机器人本体控制柜的通信，即：利用Modbus协议让计算机上的程序调用2台SCARA机器人的控制子模块，从而实现相应动作。然后，再采用IEEE-1394火线让计算机与2台PHANTOM Omni机器人建立连接，使所有的SCARA机器人与PHANTOM Omni机器人处于同一局域网环境中。最后，通过计算机上的VC++程序和Modbus与TCP协议通信代码分别实现PHANTOM Omni机器人1对SCARA机器人1和PHANTOM Omni机器人2对SCARA机器人2的遥操作控制。
本例中，主端和从端分别采用两个机器人进行遥操作控制，主端和从端结构不同。操作者通过自己的两只手，对主端的机器人施加作用力，可以协同的控制从端的两个机器人完成操作者双手的动作。
作用力fh1和作用力fh2可以代表操作者两只手的各种动作，包括手掌的抓、握、扭、旋，手臂的屈伸、旋转、上举、下压等，以及动作力度大小、方向等。
这些动作产生的作用力，通过机器人PHANTOM Omni机器人1和PHANTOM Omni机器人2分别产生运动数据xmaster1和运动数据xmaster2，这些运动数据通过通讯网络分别传递给SCARA机器人1和SCARA机器人2。
SCARA机器人1和SCARA机器人2分别产生运动数据xslave1和运动数据xslave2，对作用力fh1和作用力fh2作出响应，跟随操作者的两只手运动，向外部环境施加影响。从而完成操作者对SCARA机器人1和SCARA机器人2的遥操作控制，实现各种复杂动作和精确作业。

Claims (7)

1.基于多个机器人的异构型遥操作系统，其特征在于，包括主端的PHANTOM Omni机器人1、主端的PHANTOM Omni机器人2、从端的SCARA机器人1、从端的SCARA机器人2、计算机、通讯网络，所述PHANTOM Omni机器人1和PHANTOM Omni机器人2与计算机连接，SCARA机器人1、SCARA机器人2通过通讯网络与计算机连接；
对PHANTOM Omni机器人1施加作用力fh1，使其产生运动数据xmaster1；
对PHANTOM Omni机器人2施加作用力fh2，使其产生运动数据xmaster2；
运动数据xmaster1通过通讯网络传递给SCARA机器人1，使其产生运动数据xslave1，对作用力fh1进行响应；
运动数据xmaster2通过通讯网络传递给SCARA机器人2，使其产生运动数据xslave2，对作用力fh2进行响应。
2.根据权利要求1所述的基于多个机器人的异构型遥操作系统，其特征在于，作用力fh1和作用力fh2分别为操作者的两只手施加的力。
3.根据权利要求2所述的基于多个机器人的异构型遥操作系统，其特征在于，所述SCARA机器人1对作用力fh1进行响应和SCARA机器人2对作用力fh2进行响应为2个SCARA机器人分别跟随所述操作者的两只手运动。
4.根据权利要求1所述的基于多个机器人的异构型遥操作系统，其特征在于，所述SCARA机器人为RS4350-01型四轴SCARA机器人。
5.根据权利要求1所述的基于多个机器人的异构型遥操作系统，其特征在于，所述通讯网络为基于TCP/IP协议的局域网。
6.根据权利要求5所述的基于多个机器人的异构型遥操作系统，其特征在于，所述局域网为无线局域网。
7.根据权利要求1所述的基于多个机器人的异构型遥操作系统，其特征在于，所述PHANTOM Omni机器人1和PHANTOM Omni机器人2通过IEEE-1394火线与计算机连接。
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