CN112405488B - 基于力引导的异构型主从遥操作控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于力引导的异构型主从遥操作控制方法及装置，考虑到当前通过位置控制实现主从臂之间的位姿跟踪时，容易受到系统信号的影响，当系统信号不连续时，会显著影响遥操作的平顺，严重时还会导致从臂损坏；因此，在主从遥操作控制过程中，根据预设时段的主臂末端位姿信息和从臂末端位姿信息生成从臂目标位姿，并将从臂目标位姿与从臂实时位姿之间进行比对，以确定主臂与从臂之间的位置误差，然后将该位置误差转换为虚拟弹性拉力，实现由位置跟踪到力控制的转变；并且，由于力的不连续只会引起加速的跳变以及速度的缓变，从臂运动始终连续平顺，也不会造成从臂损坏。

Description

基于力引导的异构型主从遥操作控制方法及装置

技术领域

本发明涉及遥操作机器人技术领域，尤其涉及一种基于力引导的异构型主从遥操作控制方法、装置、存储介质和作业机器人。

背景技术

目前，电力配电架空线路的检修作业逐渐由特种作业机器人装备取代人工来完成，相较于人工检修而言，具有安全风险低，作业效率高的优点。

现有的特种作业机器人的主从遥操作控制都是基于位姿映射实现。针对同构主从控制，主臂向控制器发送各关节角度信号，控制器控制从臂各个关节的角度运动跟踪主臂信号，实现遥操作；针对异构主从控制，主臂向控制器发送其末端位姿信号，控制器通过逆运动学将主臂末端位姿求解为从臂各关节角度，并控制从臂各关节角度，实现主从遥操作。

但是，上述主从遥操作控制都是通过位置控制实现主从臂之间的位姿跟踪，当系统信号不连续时，会显著影响遥操作的平顺，严重时还会导致从臂损坏。

发明内容

本发明的目的旨在至少能解决上述的技术缺陷之一，特别是现有技术中主从遥操作控制都是通过位置控制实现主从臂之间的位姿跟踪，当系统信号不连续时，会显著影响遥操作的平顺，严重时还会导致从臂损坏的技术缺陷。

本发明提供了一种基于力引导的异构型主从遥操作控制方法，包括：

获取预设时段的主臂末端位姿信息和从臂末端位姿信息；其中，所述从臂末端位姿信息包括从臂实时位姿；

根据所述主臂末端位姿信息和所述从臂末端位姿信息生成从臂目标位姿，并将所述从臂目标位姿与所述从臂实时位姿进行比对，确定主臂与从臂之间的位置误差；

将所述位置误差转换为虚拟弹性拉力，并通过所述虚拟弹性拉力控制所述从臂对所述主臂进行位姿跟踪。

可选地，所述主臂末端位姿信息包括主臂起始位姿和主臂实时位姿。

可选地，所述根据所述主臂末端位姿信息和所述从臂末端位姿信息生成从臂目标位姿的步骤，包括：

根据所述主臂起始位姿和所述主臂实时位姿生成主臂在笛卡尔坐标系下的第一旋转矩阵；

根据所述从臂实时位姿生成从臂在所述笛卡尔坐标系下的第二旋转矩阵；

根据所述第一旋转矩阵和所述第二旋转矩阵生成从臂目标位姿。

可选地，将所述位置误差转换为虚拟弹性拉力的方法为：

其中，

表示虚拟弹性拉力，k_s表示转换系数，

为6×1向量，即位置误差。

可选地，所述通过所述虚拟弹性拉力控制所述从臂对所述主臂进行位姿跟踪的步骤，包括：

将所述虚拟弹性拉力输入到位置域阻抗控制器中，利用所述位置域阻抗控制器控制所述从臂对所述主臂进行位姿跟踪。

本发明还提供了一种基于力引导的异构型主从遥操作控制装置，包括：

信息获取单元，用于获取预设时段的主臂末端位姿信息和从臂末端位姿信息；其中，所述从臂末端位姿信息包括从臂实时位姿；

信息处理单元，用于根据所述主臂末端位姿信息和所述从臂末端位姿信息生成从臂目标位姿，并将所述从臂目标位姿与所述从臂实时位姿之间进行比对，确定主臂与从臂之间的位置误差；

位姿控制单元，用于将所述位置误差转换为虚拟弹性拉力，并通过所述虚拟弹性拉力控制所述从臂对所述主臂进行位姿跟踪。

可选地，所述主臂末端位姿信息包括主臂起始位姿和主臂实时位姿。

可选地，所述信息处理单元中根据所述主臂末端位姿信息和所述从臂末端位姿信息生成从臂目标位姿的步骤，包括：

根据所述主臂起始位姿和所述主臂实时位姿生成主臂在笛卡尔坐标系下的第一旋转矩阵；

根据所述从臂实时位姿生成从臂在所述笛卡尔坐标系下的第二旋转矩阵；

根据所述第一旋转矩阵和所述第二旋转矩阵生成从臂目标位姿。

本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行如上述实施例中任一项所述基于力引导的异构型主从遥操作控制方法的步骤。

本发明还提供了一种作业机器人，所述作业机器人包括主臂、从臂、控制器，所述控制器对所述主臂和所述从臂进行遥操作控制时，执行如上述实施例中任一项所述基于力引导的异构型主从遥操作控制方法的步骤。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供的一种基于力引导的异构型主从遥操作控制方法、装置、存储介质和作业机器人，包括：获取预设时段的主臂末端位姿信息和从臂末端位姿信息；其中，所述从臂末端位姿信息包括从臂实时位姿；根据所述主臂末端位姿信息和所述从臂末端位姿信息生成从臂目标位姿，并将所述从臂目标位姿与所述从臂实时位姿之间进行比对，确定主臂与从臂之间的位置误差；将所述位置误差转换为虚拟弹性拉力，并通过所述虚拟弹性拉力控制所述从臂对所述主臂进行位姿跟踪。

本发明考虑到当前通过位置控制实现主从臂之间的位姿跟踪时，容易受到系统信号的影响，当系统信号不连续时，会显著影响遥操作的平顺，严重时还会导致从臂损坏；因此，在主从遥操作控制过程中，根据预设时段的主臂末端位姿信息和从臂末端位姿信息生成从臂目标位姿，并将从臂目标位姿与从臂实时位姿之间进行比对，以确定主臂与从臂之间的位置误差，然后将该位置误差转换为虚拟弹性拉力，实现由位置跟踪到力控制的转变；并且，由于力的不连续只会引起加速的跳变以及速度的缓变，从臂运动始终连续平顺，也不会造成从臂损坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于力引导的异构型主从遥操作控制方法的流程示意图；

图2为发明实施例提供的控制系统结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于力引导的异构型主从遥操作控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像本申请实施例中一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种基于力引导的异构型主从遥操作控制方法的流程示意图，图1中，本发明提供的一种基于力引导的异构型主从遥操作控制方法，具体包括如下步骤：

S110：获取预设时段的主臂末端位姿信息和从臂末端位姿信息；其中，所述从臂末端位姿信息包括从臂实时位姿。

本申请中，可利用作业机器人对电力配电架空线路进行检修，当采用作业机器人进行检修作业时，需要实时采集主从臂的位姿状态，从而通过控制器对主臂以及从臂的位姿进行实时调整。

针对异构型主从控制，主臂向控制器发送其末端位姿信号，控制器通过逆运动学将主臂末端位姿求解为从臂各关节角度，并控制从臂各关节角度，实现主从遥操作。

本步骤中，当主臂和从臂分别被控制器发送的控制信号触发后，可实时采集自身的末端位姿，并与触发时刻的位姿作比较，输出相对变化矢量。因而，控制器可在主臂和从臂被触发后，再次下发控制指令，获取预设时段的主臂末端位姿信息以及从臂末端位姿信息。

可以理解的是，这里的预设时段指的是控制器采集的从触发时刻到采集时刻由主臂自身采集主臂末端位姿信息，以及控制器采集的从臂末端位姿信息；这里的主臂末端位姿信息指的是主臂自身实时采集的、与触发时刻相对应的相对变化矢量，包括但不限于主臂起始位姿和主臂实时位姿；这里的从臂末端位姿信息指的是控制器实时采集的从臂末端的相对变化矢量，包括但不限于从臂实时位姿。

需要说明的是，由于主臂信号可随时接入控制系统，须保证从臂对主臂接入触发时的起始位置的无记忆，所谓无记忆就是指所有动作都是增量式的，从臂不会因为主臂触发时的绝对位置发生运动。

S120：根据所述主臂末端位姿信息和所述从臂末端位姿信息生成从臂目标位姿，并将所述从臂目标位姿与所述从臂实时位姿进行比对，确定主臂与从臂之间的位置误差。

本步骤中，当通过步骤S110采集到主臂末端位姿信息以及从臂末端位姿信息后，控制器可根据采集到的主臂末端位姿信息和从臂末端位姿信息生成从臂目标位姿，这样，将从臂目标位姿与从臂自身采集的从臂实时位姿进行比对，即可确定主臂与从臂之间的位置误差。

举例来说，当控制器采集到主臂末端位姿信息以及从臂末端位姿信息后，由于主臂末端位姿信息中包含有末端位姿的相对变化矢量，通过该相对变化矢量可得到与主臂对应的旋转矩阵，同理，亦可得到从臂末端位姿对应的旋转矩阵，当得到两者的旋转矩阵后，可通过一定的计算，生成从臂的目标位姿。

当得到从臂的目标位姿后，可将采集到的从臂实时位姿中的最后时刻的位姿与该目标位姿进行比对，如相减求差计算等，进而得到主臂与从臂之间的位置误差。

需要说明的是，由于主臂信号可随时接入控制系统，须保证从臂对主臂接入触发时的起始位置的无记忆，保障无记忆就是由控制器采集的主臂末端位姿信息以及从臂末端位姿信息决定的，由于主臂末端位姿信息和从臂末端位置信息均为相对变化矢量，这个值是一个差值，正因为传递的是差值，所以与初始位置无关，也就是无记忆。

S130：将所述位置误差转换为虚拟弹性拉力，并通过所述虚拟弹性拉力控制所述从臂对所述主臂进行位姿跟踪。

本步骤中，当通过步骤S120确定主臂与从臂之间的位置误差后，可将该位置误差转换为虚拟弹性拉力的形式，并通过力控制实现从臂对主臂的位姿跟踪。

上述实施例中，考虑到当前通过位置控制实现主从臂之间的位姿跟踪时，容易受到系统信号的影响，当系统信号不连续时，会显著影响遥操作的平顺，严重时还会导致从臂损坏；因此，在主从遥操作控制过程中，根据预设时段的主臂末端位姿信息和从臂末端位姿信息生成从臂目标位姿，并将从臂目标位姿与从臂实时位姿之间进行比对，以确定主臂与从臂之间的位置误差，然后将该位置误差转换为虚拟弹性拉力，实现由位置跟踪到力控制的转变；并且，由于力的不连续只会引起加速的跳变以及速度的缓变，从臂运动始终连续平顺，也不会造成从臂损坏。

在一个实施例中，如图2所示，图2为发明实施例提供的控制系统结构示意图；所述主臂末端位姿信息包括主臂起始位姿和主臂实时位姿，步骤S120中根据所述主臂末端位姿信息和所述从臂末端位姿信息生成从臂目标位姿的步骤，可以包括：

S121：根据所述主臂起始位姿和所述主臂实时位姿生成主臂在笛卡尔坐标系下的第一旋转矩阵；

S122：根据所述从臂实时位姿生成从臂在所述笛卡尔坐标系下的第二旋转矩阵；

S123：根据所述第一旋转矩阵和所述第二旋转矩阵生成从臂目标位姿。

本实施例中，由于主臂信号可随时接入控制系统，须保证从臂对主臂接入触发时的起始位置的无记忆，即主臂末端位姿信息和从臂末端位置信息均为相对变化矢量；并且，由于异构型主从控制过程中，主臂向控制器发送其末端位姿信号，控制器通过逆运动学将主臂末端位姿求解为从臂各关节角度，从而控制从臂各关节角度，实现主从遥操作。

因此，控制器获取到的主臂末端位姿信息为在笛卡尔坐标系下，主臂从接入瞬间的位姿状态通过旋转和平移到达当前实时位姿状态的相对变化矢量对应的第一旋转矩阵；控制器采集的从臂末端位姿信息为在笛卡尔坐标系下，控制器根据实时采集的从臂实时位姿计算其相对变化矢量，得到与之对应的第二旋转矩阵。

当得到第一旋转矩阵和第二旋转矩阵后，可通过第一旋转矩阵和第二旋转矩阵生成从臂目标位姿。具体地，如图2所示，主臂实时采集自身的实时位姿，并与触发时刻的位姿作比较，得到主臂在预设时段对应的第一旋转矩阵M_{i→f_m}，执行器实时采集从臂末端位姿信息，并对其进行计算后得到从臂的第二旋转矩阵M_s，f(u₁·u₂)为第一旋转矩阵和第二旋转矩阵与对应欧拉角和位移的变换关系，P_{d_s}为主臂实际输入控制系统信号，其表达式如下所示：

p_{d_s}＝f(M_{i→f_m}M_s)

其中，M_{i→f_m}为在笛卡尔坐标系下主设备从接入瞬间的位姿状态通过旋转和平移到达当前实时位姿状态的旋转矩阵，M_s表示在笛卡尔坐标系下从臂末端实时位姿的旋转矩阵，f为旋转矩阵与对应欧拉角和位移的变换关系，P_{d_s}为从臂目标位姿。

在一个实施例中，如图2所示，步骤S130中将所述位置误差转换为虚拟弹性拉力的方法为：根据控制律的计算公式将所述位置误差转换为虚拟弹性拉力，所述计算公式为：

其中，

表示虚拟弹性拉力，为6×1向量，k_s表示转换系数，为6×6对称距阵，

为6×1向量，即位置误差。

在一个实施例中，如图2所示，步骤S130中通过所述虚拟弹性拉力控制所述从臂对所述主臂进行位姿跟踪的步骤，可以包括：

将所述虚拟弹性拉力输入到位置域阻抗控制器中，利用所述位置域阻抗控制器控制所述从臂对所述主臂进行位姿跟踪。

在一个实施例中，如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种基于力引导的异构型主从遥操作控制装置的结构示意图；图3中，本发明还提供了一种基于力引导的异构型主从遥操作控制装置，可以包括信息获取单元110、信息处理单元120、位姿控制单元130，具体如下：

信息获取单元110，用于获取预设时段的主臂末端位姿信息和从臂末端位姿信息；其中，所述从臂末端位姿信息包括从臂实时位姿；

信息处理单元120，用于根据所述主臂末端位姿信息和所述从臂末端位姿信息生成从臂目标位姿，并将所述从臂目标位姿与所述从臂实时位姿进行比对，确定主臂与从臂之间的位置误差；

位姿控制单元130，用于将所述位置误差转换为虚拟弹性拉力，并通过所述虚拟弹性拉力控制所述从臂对所述主臂进行位姿跟踪。

本实施例中，考虑到当前通过位置控制实现主从臂之间的位姿跟踪时，容易受到系统信号的影响，当系统信号不连续时，会显著影响遥操作的平顺，严重时还会导致从臂损坏；因此，在主从遥操作控制过程中，根据预设时段的主臂末端位姿信息和从臂末端位姿信息生成从臂目标位姿，并将从臂目标位姿与从臂实时位姿之间进行比对，以确定主臂与从臂之间的位置误差，然后将该位置误差转换为虚拟弹性拉力，实现由位置跟踪到力控制的转变；并且，由于力的不连续只会引起加速的跳变以及速度的缓变，从臂运动始终连续平顺，也不会造成从臂损坏。

在一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行如上述实施例中任一项所述基于力引导的异构型主从遥操作控制方法的步骤。

在一个实施例中，本发明还提供了一种作业机器人，所述作业机器人包括主臂、从臂、控制器，所述控制器对所述主臂和所述从臂进行遥操作控制时，执行如上述实施例中任一项所述基于力引导的异构型主从遥操作控制方法的步骤。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于力引导的异构型主从遥操作控制方法，其特征在于，包括：

获取预设时段的主臂末端位姿信息和从臂末端位姿信息；其中，所述从臂末端位姿信息包括从臂实时位姿，所述主臂末端位姿信息包括主臂起始位姿和主臂实时位姿；

根据所述主臂起始位姿和所述主臂实时位姿生成主臂在笛卡尔坐标系下的第一旋转矩阵，根据所述从臂实时位姿生成从臂在所述笛卡尔坐标系下的第二旋转矩阵，根据所述第一旋转矩阵和所述第二旋转矩阵生成从臂目标位姿，并将所述从臂目标位姿与所述从臂实时位姿进行比对，确定主臂与从臂之间的位置误差；

将所述位置误差转换为虚拟弹性拉力，并通过所述虚拟弹性拉力控制所述从臂对所述主臂进行位姿跟踪。

2.根据权利要求1所述的一种基于力引导的异构型主从遥操作控制方法，其特征在于，将所述位置误差转换为虚拟弹性拉力的方法为：

其中，

表示虚拟弹性拉力，k_s表示转换系数，

为6×1向量，即位置误差。

3.根据权利要求1所述的一种基于力引导的异构型主从遥操作控制方法，其特征在于，所述通过所述虚拟弹性拉力控制所述从臂对所述主臂进行位姿跟踪的步骤，包括：

将所述虚拟弹性拉力输入到位置域阻抗控制器中，利用所述位置域阻抗控制器控制所述从臂对所述主臂进行位姿跟踪。

4.一种基于力引导的异构型主从遥操作控制装置，其特征在于，包括：

信息获取单元，用于获取预设时段的主臂末端位姿信息和从臂末端位姿信息；其中，所述从臂末端位姿信息包括从臂实时位姿，所述主臂末端位姿信息包括主臂起始位姿和主臂实时位姿；

信息处理单元，用于根据所述主臂起始位姿和所述主臂实时位姿生成主臂在笛卡尔坐标系下的第一旋转矩阵，根据所述从臂实时位姿生成从臂在所述笛卡尔坐标系下的第二旋转矩阵，根据所述第一旋转矩阵和所述第二旋转矩阵生成从臂目标位姿，并将所述从臂目标位姿与所述从臂实时位姿进行比对，确定主臂与从臂之间的位置误差；

位姿控制单元，用于将所述位置误差转换为虚拟弹性拉力，并通过所述虚拟弹性拉力控制所述从臂对所述主臂进行位姿跟踪。

5.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行如权利要求1至3中任一项所述基于力引导的异构型主从遥操作控制方法的步骤。

6.一种作业机器人，其特征在于，所述作业机器人包括主臂、从臂、控制器，所述控制器对所述主臂和所述从臂进行遥操作控制时，执行如权利要求1至3中任一项所述基于力引导的异构型主从遥操作控制方法的步骤。

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