CN109333497A - 一种带虚拟约束力的遥操作系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人遥操作系统技术领域。本发明公开了一种带虚拟约束力的遥操作系统控制方法，以点到点的位置差产生虚拟力，解决现有技术置跟踪误差大的问题。本发明一种带虚拟约束力的遥操作系统控制方法，包括以下步骤：主机器人操作从机器人移动到目标物的一定范围内时，将此时从机器人末端执行器实际位置B与任务位置A的位置差映射至主机器人端；通过虚拟弹簧产生虚拟力信号，该力信号反馈到主机器人并经过主机器人形成虚拟约束力以所述虚拟约束力约束操作者的操作。本发明简化了系统结构，节约了设备成本，能够缓解操作者的操作负担，增加系统的准确性，提高机器人执行任务的能力，提高遥操作系统的实用性。

Description

一种带虚拟约束力的遥操作系统控制方法

技术领域

本发明属于机器人遥操作系统技术领域，涉及机器人控制技术，特别涉及一种带虚拟约束力的遥操作系统控制方法。

背景技术

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的延伸，从而广泛应用于危险或复杂环境下的工程实践。采用带虚拟约束力的遥操作系统控制方法，简化了系统结构，节约了设备成本，缓解操作者的操作负担，增加了遥操作系统的准确性，为遥操作系统的工程应用提供了很好的技术支持。

文献“Abbott J,Okamura A.Stable forbidden-region virtual fixtures forbilateral telemanipulation.Journal of Dynamics Systems Measurement&Control,2006,128(1):53-64.”针对遥操作系统中在目标区域内虚拟夹具(即末端执行器)的稳定性问题，提出了一种虚拟夹具稳定性状态分析方法，来进行系统评估。文献“Maddahi Y,Zareinia K,Sepehri N.An augmented virtual fixture to improve task performancein robot-assisted live-line maintenance.Computers&Electrical Engineering,2015,43(C):292-305.”以虚拟夹具的概念为基础，设计了一种增强型的虚拟夹具，以在遥操作系统的带电作业维护任务中减小主从机器人的位置跟踪误差，改善机器人遥操作系统的任务性能。在这些相似的研究中，对于虚拟夹具在遥操作系统中的应用和研究均做出了一定贡献，其主要思想是通过主机器人与理想轨迹的位置差产生虚拟力，以修正从机器人的运动轨迹，使其按照指定轨迹运动。

受到其原理的限制，传统方法只能用于主从机器人位置跟踪时，修正机器人的运动轨迹，对于具体的任务点进行夹持等操作时，缺乏良好约束效果，缺乏专门对具体的任务点的虚拟力约束方法，无法很好地作用于指定的具体目标点，因此当针对具体的目标点作用时，其精确性还需要进一步提高。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种带虚拟约束力的遥操作系统控制方法，以点到点的位置差产生虚拟力，解决现有技术置跟踪误差大的问题。

为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种带虚拟约束力的遥操作系统控制方法，包括以下步骤：

主机器人操作从机器人移动到目标物的一定范围内时，将此时从机器人末端执行器实际位置B与任务位置A的位置差映射至主机器人端；

通过虚拟弹簧产生虚拟力信号，该力信号反馈到主机器人并经过主机器人形成虚拟约束力

以所述虚拟约束力约束操作者的操作。

进一步的，所述虚拟约束力表示为：

所述一定范围内是指从机器人末端执行器实际位置B与任务位置A的位置差大于以任务位置A为中心的区域范围L，小于设定的以任务位置为中心最大区域范围L₁，即：

进一步的，所述实际位置B表达式为：

其中，为从机器人末端执行器实际位置B的三维坐标。

进一步的，所述虚拟约束力满足表达式：

其中，F_x，F_y，F_z为虚拟约束力的三维分量；H＝diag[β β β]为主机器人三维任务空间中末端执行器实际位置C到任务位置D之间的虚拟弹簧刚度系数矩阵，β为虚拟弹簧的刚度系数。

进一步的，所述实际位置C的表达式为：

其中：为主机器人末端执行器实际位置C的三维坐标；

记为从机器人任务位置A的三维坐标，其表达式为:

主机器人和从机器人在X/Y/Z轴方向上的实际位置与任务位置满足关系：

其中，k₁,k₂,k₃为任务空间映射匹配比例因子，α₁，α₂，α₃为任务空间映射时的位置冗余量。

本发明的有益效果是，与基于主机器人与理想轨迹的位置差的传统虚拟夹具方法不同，本发明将从机器人末端执行器实际位置与任务位置的位置差映射至主机器人端，通过虚拟弹簧产生虚拟力信号，该虚拟力信号通过主机器人反馈到操作者手部，将操作者的过失操作等非理想运动转向为靠近目标物区域范围内的理想运动方向，使操作者手部的运动约束在目标点附近的理想范围内以增加任务执行的准确性。本发明简化了系统结构，节约了设备成本，能够缓解操作者的操作负担，增加系统的准确性，提高机器人执行任务的能力，提高遥操作系统的实用性。

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。

图1为本发明系统原理结构图；

图2为本发明带虚拟约束力的遥操作夹持控制原理结构图；

图3为本发明系统虚拟约束力实现原理图。

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。

下面以主机器人操作从机器人对目标物在一定范围内进行夹持作业为例，详细描述本发明的技术方案。

如图1所示，本发明一种带虚拟约束力的遥操作系统，包括主机器人、从机器人、通信通道、计算机及夹具。在遥操作系统针对目标物的一定范围内进行夹持作业时，通过监控视频辅助，在目标物所在区域内采集多个有效位置，再利用所采集的位置计算得到任务位置，并将从机器人端与此任务位置的位置差映射至主机器人端，再通过虚拟弹簧产生虚拟力信号经过主机器人应用到操作者人部，以通过添加虚拟约束力，将操作者的非理想运动转向理想的运动方向。

如图2及图3所示，通过获取主机器人末端执行器的实际三维位置坐标与主-从机器人的映射比例常量k₁,k₂,k₃通过关系式转换(如公式(4)-(7)所示)，再根据从机器人的运动学特点可得到其末端执行器的实际位置坐标从而实现主从机器人的位置轨迹跟踪。同时，目标物所在区域范围内的任务位置的位置信息，为操作者通过监控视频辅助，并利用从机器人末端执行器在目标物范围内采集到的N个可靠的执行任务的位置通过式(7)-(9)所计算得到。最后可经过映射比例因子k₁,k₂,k₃的关系式转换，即可得到主机器人的任务位置

主、从机器人在任务空间的实际位置x_ma、x_sl：

主、从机器人在X/Y/Z轴方向上的实际位置与任务位置关系为：

其中，表示从机器人的末端执行器上夹具的实际位置B的三维坐标，表示从机器人端的目标物所在区域范围内的任务位置A的三维坐标，表示主机器人末端执行器在任务空间中的实际位置C的三维坐标，表示主机器人末端执行器在任务空间中的任务位置D的三维坐标。k₁,k₂,k₃为任务空间映射匹配比例因子，α₁，α₂，α₃为任务空间映射时的位置冗余量。

由上述公式及如图3所示可知，从机器人的末端执行器上夹具的实际位置 映射到主机器人的任务空间端即为点从机器人端的目标物所在位置的区域范围内任务位置映射到主机器人端即为点

再根据主机器人的任务位置与实际位置的差，利用虚拟弹簧的概念，得到此位置差与虚拟弹簧的弹性刚度H的乘积即得到虚拟约束力

其中，H＝diag[β β β]；

表示在任务空间中赋予主机器人的虚拟约束力，F_x，F_y，F_z为虚拟约束力的三维分量，为从机器人末端执行器实际位置B与任务位置A的位置差(映射到主机器人端，即为主机器人任务空间中末端执行器上实际位置C与任务位置D的位置差)，H为主机器人三维任务空间中末端执行器上实际位置C到任务位置D之间的虚拟弹簧刚度系数矩阵，β为虚拟弹簧的刚度系数。

当操作者操作主机器人控制从机器人移动到目标物的一定范围内移动时，即从机器人端与任务位置的位置差小于距目标点的区域范围时时，虚拟约束力不作用或不产生虚拟约束力。当操作者操作主机器人控制从机器人对目标物执行任务出现过失操作时,即从机器人端与任务位置的位置差大于以任务位置为中心的区域范围L，小于所设定的以任务位置为中心最大区域范围时，此时从机器人端与任务位置的位置差映射至主机器人端，再通过虚拟弹簧产生虚拟力信号，经过主机器人形成虚拟约束力将其应用到操作者的手部，以约束操作者的操作，将非理想的运动状态转向理想的运动状态。

Claims (5)

1.一种带虚拟约束力的遥操作系统控制方法，包括以下步骤：

主机器人操作从机器人移动到目标物的一定范围内时，将此时从机器人末端执行器实际位置B与任务位置A的位置差映射至主机器人端；

通过虚拟弹簧产生虚拟力信号，该力信号反馈到主机器人并经过主机器人形成虚拟约束力

以所述虚拟约束力约束操作者的操作。

2.根据权利要求1所述的一种带虚拟约束力的遥操作系统控制方法，其特征在于，所述虚拟约束力表示为：

所述一定范围内是指从机器人末端执行器实际位置B与任务位置A的位置差大于以任务位置A为中心的区域范围L，小于设定的以任务位置为中心最大区域范围L₁，即：

3.根据权利要求2所述的一种带虚拟约束力的遥操作系统控制方法，其特征在于，所述实际位置B表达式为：

其中，为从机器人末端执行器实际位置B的三维坐标。

4.根据权利要求1所述的一种带虚拟约束力的遥操作系统控制方法，其特征在于，所述虚拟约束力满足表达式：

其中，F_x，F_y，F_z为虚拟约束力的三维分量；H＝diag[β β β]为主机器人三维任务空间中末端执行器实际位置C到任务位置D之间的虚拟弹簧刚度系数矩阵，β为虚拟弹簧的刚度系数。

5.根据权利要求4所述的一种带虚拟约束力的遥操作系统控制方法，其特征在于，所述实际位置C的表达式为：

其中：为主机器人末端执行器实际位置C的三维坐标；

记为从机器人任务位置A的三维坐标，其表达式为:

主机器人和从机器人在X/Y/Z轴方向上的实际位置与任务位置满足关系：

其中，k₁,k₂,k₃为任务空间映射匹配比例因子，α₁，α₂，α₃为任务空间映射时的位置冗余量。