CN113021344A - 一种主从异构型遥操作机器人工作空间映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种主从异构型遥操作机器人工作空间映射方法，针对主从异构型遥操作主端小范围操作空间难以覆盖从端大范围工作空间以及准确位置定位问题，设计一种主端位置‑从端速度映射以及主端位置‑从端位置映射切换的方法。通过主端位置‑从端速度映射解决工作空间覆盖的问题，通过主端位置‑从端位置映射实现从端精细位置定位，同时克服主端位置‑从端速度映射中无法快速换向运动的缺陷。采用手柄第七自由度的力反馈模拟开关按钮作为两种模式切换的信号。本发明方法实施方便，通用性较强，具有较灵活的操作手感，能够同时满足大范围工作空间覆盖以及局部精细位置定位。

Description

一种主从异构型遥操作机器人工作空间映射方法

技术领域

本发明属于遥操作机器人控制领域，具体涉及一种基于omega.7手柄的主从异构型遥操作机器人工作空间映射方法。

背景技术

随着近现代工业技术的推进，许多复杂探索和作业环境人类难以到达或者可能会对人类产生致命伤害。得益于机器人技术的发展和工业需求的快速增长，越来越多的机器人被投放到大众的生活场景中，为人类带来了很多的便利，但在复杂、未知、非机构化的场景中实现机器人的完全自主尚是目前未解决的一大难题，而人类对于在此类环境中通过机器人辅助完成任务存在迫切的需求。因此，在利用人类的智能感知以及决策能力的同时，发挥机器人的操作能力，设计一种人在回路的人机交互遥操作系统成为一种可行的解决方案。遥操作机器人不同于传统的自主机器人，一般的遥操作系统由操作者、主端、通信通道、从端和环境5部分组成，操作者根据从端视觉反馈以及机器人状态等信息控制主端设备运动，并将主端的控制命令发送给从端机器人。从端机器人接收到控制命令后，在复杂、危险环境中代替人类完成工作任务。目前，遥操作技术已经被应用于太空探测、核废料分拣、智能防疫等诸多领域。

遥操作系统从结构上来看可分为主从同构和主从异构两种类型。主从异构型结构可方便我们根据实际需求选择合适的主从端设备，更有通用性和实用性，但在此类构型下，遥操作技术中一个关键性的问题是主从端工作空间映射，有时主端和从端工作空间相差几百倍甚至上千倍。这种主从端工作范围的差异会给遥操作系统的开发带来主从端空间匹配上的难题。

主从异构型遥操作系统中常见的工作空间映射方法有常比例映射、变比例映射、速率映射等。当主端和从端工作空间相差很大时，在采用比例映射的情况下，主从端较小的比例系数使得主端运动不能实现从端较大的工作空间覆盖，而较大的比例系数虽然能够尽可能地覆盖从端工作空间，但会使得主端较小的运动导致从端产生较大的偏移量，从端运动定位精度大大降低。速率映射虽然在一定程度上改善了上述缺点，但单纯的速度映射难以胜任精细操作任务，且不能实现快速换向，操作灵活性较差。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于omega.7手柄的主从异构型遥操作机器人工作空间映射方法，既解决了主从端小范围工作空间到从端大范围工作空间点对点的映射覆盖问题，同时又能够保证从端精细操作时的准确定位，操作灵活、通用性强、计算成本低。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种主从异构型遥操作机器人工作空间映射方法，基于omega.7手柄，在笛卡尔空间中，当目标位置在从端机器人运动范围内时，采用主端位置-从端位置映射方式，保证精细操作任务时的准确定位；当目标位置在从端机器人运动范围外时，主端位置-从端速度映射方式，实现从端机器人粗定位，增大从端工作空间的覆盖范围；两种工作方式通过omega.7手柄最后一个自由度的力反馈模拟开关按钮进行切换。

进一步的，当从端机器人处于目标任务运动范围内时，采用主端位置-从端位置映射方式，通过以下公式计算当前从端的末端位姿X_{s_t}：

X_{s_t}＝X_s0+K_position(X_{m_t}-X_m0)

其中X_s0∈R^6×1表示切换到主端位置-从端位置映射时从端机器人末端相对于其基坐标系的位姿，X_m0∈R^6×1表示切换到主端位置-从端位置映射时主端设备的末端位姿，X_{m_t}∈R^6×1表示切换到主端位置-从端位置映射方式后主端设备当前的末端位姿，K_position∈R^6×6为对角矩阵，表示笛卡尔空间中主端位置-从端位置映射的比例系数。

进一步的，当切换到主端位置-从端速度映射方式；从端机器人采集主端设备在笛卡尔空间下的位姿数据，将主端设备偏离机械零点的大小和方向作为从端速度命令的一个度量，即当主端设备末端偏离自身机械零点越大时从端机器人末端移动速度越快，反之越慢；具体地，采用以下公式计算切换后时刻t下从端机器人的末端位置x_{s_t}：

其中x_{s_t-1}∈R^3×1表示t-1时刻从端机器人末端位置，k_velocity∈R^3×3表示主端位置-从端速度映射比例系数，u∈R^3×1表示根据主端位置信息计算得到的从端机器人末端在笛卡尔空间下的移动速度，x_{m_t}∈R^3×1表示当前时刻主端设备末端在笛卡尔空间下的位置，x_{m_0}∈R^3×1表示主端设备末端零点位置，

表示与x_{m_t}同方向的单位向量，s为从端机器人末端在笛卡尔空间下的平移速度死区阈值，即当主端位置位于死区范围内时，从端机器人末端的平移速度u为0；

在t时刻机械臂末端笛卡尔空间位置可由下式给出

x_{s_t}＝x_{s_t-1}+k_velocity·u·Δt

在主端位置-从端速度映射方式下，从端机器人姿态控制命令离散形式由下式确定：

其中φ_{s_t}∈R^3×1和φ_{s_t-1}∈R^3×1分别表示从端机器人在t时刻和t-1时刻的ZYX欧拉角φ_{s_t-1}∈R^3×1，φ_{m_t}∈R^3×1表示主端设备t时刻的ZYX欧拉角，φ_thread∈R^3×1表示从端机器人末端在笛卡尔空间下的旋转角速度死区阈值，即当主端姿态角位于死区范围内时，从端机器人末端旋转角速度为0，(φ_{s_t})_i＝(φ_{s_t-1})_i。

进一步的，对于两种映射方式的相互切换，将主端omega.7第七个自由度的力反馈模拟开关按钮作为映射方式切换的信号；当按钮被按下时，从端映射命令被切断并保持当前姿态不变，控制主端设备末端自动回到其机械零点附近，然后再使能主端发送给从端的映射命令。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明通过主端位置-从端速度映射解决工作空间覆盖的问题，通过主端位置-从端位置映射实现从端精细位置定位，同时克服主端位置-从端速度映射中无法快速换向运动的缺陷。采用手柄第七自由度的力反馈模拟开关按钮作为两种模式切换的信号。

2.本发明方法实施方便，通用性较强，具有较灵活的操作手感，能够同时满足大范围工作空间覆盖以及局部精细位置定位。

3.本发明针对主端位置-从端速度映射方式，设置从端机器人末端平移速度以及旋转角速度死区阈值，解决当主端末端处于其零点位置附近而产生较小速度信号而由速度积分导致从端机器人产生位置漂移的问题，同时能够克服由主端位置-从端位置映射方式切换到主端位置-从端速度映射方式时从端机器人末端位置突变的弊端。

4.本发明将主从工作空间的映射解耦为笛卡尔空间平动和转动两部分，运动控制物理意义明确，操作简单，占用资源较少，对控制主从设备的操作系统硬件配置要求较低。

附图说明

图1为本发明的主从端连接示意图。

图2a和图2b分别为实施例中机械臂结构及基坐标系示意图。

图3a和图3b分别为实施例中omega.7力反馈手柄及坐标系示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明实施的可行性和技术方案的具体细节进行清晰、完整的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

首先搭建主从异构型遥操作系统，硬件方面选择omega.7力反馈手柄作为主端设备，从端为xmate7 pro机械臂，使用realsense D435i相机监测从端机械臂的运动状态并传递到主端，为操作人员提供视觉辅助。控制主从端的PC通过交换机进行连接，在开源机器人操作系统ROS框架下对主从端进行控制设计。

如附图1至图3b所示，主端omega.7力反馈手柄连接主端PC，主端PC采集手柄的位姿信息，经过处理后发送给从端机械臂，驱动机械臂完成相应的运动。从端使用realsenseD435i双目相机与从端机械臂相连，采集机械臂运动的实时画面，并反馈给操作者辅助其完成操作任务。

针对本实施例，本发明的具体步骤如下：

1.建立omega.7手柄前三个并联关节与xmate7 pro机械臂的平动映射关系；

2.建立omega.7手柄三个转动关节与xmate7 pro机械臂的转动映射关系；

3.根据omega.7手柄的平动和转动输出，得到xmate7 pro机械臂末端在笛卡尔空间运动命令。

(1)对于主端位置-从端位置映射方式：

具体地，记录切换到主端位置-从端位置映射方式时机械臂末端相对于其基坐标系的姿态X_s0＝[x_s0,y_s0,z_s0,α_s0,β_s0,γ_s0]^T和omega.7手柄的姿态X_m0＝[x_m0,y_m0,z_m0,α_m0,β_m0,γ_m0]^T

其中x_i0,y_i0,z_i0为笛卡尔空间下的位置，α_i0,β_i0,γ_i0为ZYX欧拉角，i＝m,s。

通过下式计算主端发送给从端机械臂的控制命令

X_{s_t}＝X_s0+K_position(X_{m_t}-X_m0)＝[x_st,y_st,z_st,α_st,β_st,γ_st]^T

其中X_s0∈R^6×1表示切换到主端位置-从端位置映射时从端机器人末端相对于其基坐标系的位姿，X_m0∈R^6×1表示切换到主端位置-从端位置映射时主端设备的末端位姿，X_{m_t}∈R^6×1表示切换到主端位置-从端位置映射方式后主端设备当前的末端位姿，K_position∈R^6×6为对角矩阵，表示笛卡尔空间中主端位置-从端位置映射的比例系数。

在本实施例中，为了提高主从端之间的透明性，使操作员获得更好的操作手感，选择1:1的主从映射比例系数，即：

记切换到主端位置-从端位置映射时，机械臂末端相对于基坐标系的旋转矩阵为R_s0，则切换后t时刻机械臂末端姿态对应的旋转矩阵为R_{s_t}＝R_s0R(z,α_st)R(y,β_st)R(x,γ_st)，根据x_st,y_st,z_st和R_{s_t}计算表示当前时刻机械臂姿态的其次变换矩阵T，从端将控制命令T发送给机械臂控制柜驱动其按照操作员命令进行运动。

(2)对于主端位置-从端速度映射方式：

将omega.7手柄相对于其机械零点的偏差作为从端机械臂的速度控制输入，手柄的平移偏差对应机械臂在笛卡尔空间下的平移速度，三个转动关节的偏差对应三个方向姿态角的角速度。即omega.7手柄末端偏离其机械零点越大，对应的控制速度也越大。机械臂末端位姿由速度积分得到，这样可实现主端小空间到从端大工作空间的覆盖，具体地，采用以下公式计算切换后时刻t下从端机器人的末端位置x_{s_t}：

其中x_{s_t-1}∈R^3×1表示t-1时刻从端机器人末端位置，k_velocity∈R^3×3表示主端位置-从端速度映射比例系数，u∈R^3×1表示根据主端位置信息计算得到的从端机器人末端在笛卡尔空间下的移动速度，x_{m_t}∈R^3×1表示当前时刻主端设备末端在笛卡尔空间下的位置，x_{m_0}∈R^3×1表示主端设备末端零点位置，

表示与x_{m_t}同方向的单位向量，s为从端机器人末端在笛卡尔空间下的平移速度死区阈值，将其设置为0.01m。设置从端机器人末端平移速度以及旋转角速度死区阈值解决当主端末端处于其零点位置附近而产生较小速度信号，而由速度积分导致从端机器人产生位置漂移的问题，同时能够克服由主端位置-从端位置映射方式切换到主端位置-从端速度映射方式时从端机器人末端位置突变的弊端。

在t时刻机械臂末端笛卡尔空间位置可由以下迭代式近似给出

x_{s_t}＝x_{s_t-1}+k_velocity·u·Δt

实施例中xmate7 pro机械臂的控制频率为1kHz，即Δt＝0.001，设置速度映射系数k_velocity＝0.0001。

在主端位置-从端速度映射方式下，从端机器人姿态控制命令离散形式由下式确定：

其中φ_{s_t}∈R^3×1和φ_{s_t-1}∈R^3×1分别表示从端机器人在t时刻和t-1时刻的ZYX欧拉角φ_{s_t-1}∈R^3×1，φ_{m_t}∈R^3×1表示主端设备t时刻的ZYX欧拉角，φ_thread∈R^3×1表示从端机器人末端在笛卡尔空间下的旋转角速度死区阈值，设置为φ_thread＝[0.01,0.01,0.01]^T，单位rad。

对于两种映射方式的切换，将主端omega.7第七个自由度的力反馈模拟开关按钮作为映射方式切换的信号，当按钮被按下时，从端映射命令被切断并保持当前姿态不变，控制主端设备末端自动回到其机械零点附近，然后再使能主端发送给从端的映射命令。特别注意，每次由位置-位置模式切换到主端位置-从端速度映射模式时，需要将从端积分初值设置为0，防止机械臂产生顿挫甚至突变而造成失稳。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种主从异构型遥操作机器人工作空间映射方法，基于omega.7手柄，其特征在于，在笛卡尔空间中，当目标位置在从端机器人运动范围内时，采用主端位置-从端位置映射方式，保证精细操作任务时的准确定位；当目标位置在从端机器人运动范围外时，主端位置-从端速度映射方式，实现从端机器人粗定位，增大从端工作空间的覆盖范围；两种工作方式通过omega.7手柄最后一个自由度的力反馈模拟开关按钮进行切换。

2.根据权利要求1所述的一种主从异构型遥操作机器人工作空间映射方法，其特征在于，当从端机器人处于目标任务运动范围内时，采用主端位置-从端位置映射方式，通过以下公式计算当前从端的末端位姿X_{s_t}：

X_{s_t}＝X_s0+K_position(X_{m_t}-X_m0)

其中X_s0∈R^6×1表示切换到主端位置-从端位置映射时从端机器人末端相对于其基坐标系的位姿，X_m0∈R^6×1表示切换到主端位置-从端位置映射时主端设备的末端位姿，X_{m_t}∈R^6×1表示切换到主端位置-从端位置映射方式后主端设备当前的末端位姿，K_position∈R^6×6为对角矩阵，表示笛卡尔空间中主端位置-从端位置映射的比例系数。

3.根据权利要求1所述的一种主从异构型遥操作机器人工作空间映射方法，其特征在于，当切换到主端位置-从端速度映射方式；从端机器人采集主端设备在笛卡尔空间下的位姿数据，将主端设备偏离机械零点的大小和方向作为从端速度命令的一个度量，即当主端设备末端偏离自身机械零点越大时从端机器人末端移动速度越快，反之越慢；具体地，采用以下公式计算切换后时刻t下从端机器人的末端位置x_{s_t}：

其中x_{s_t-1}∈R^3×1表示t-1时刻从端机器人末端位置，k_velocity∈R^3×3表示主端位置-从端速度映射比例系数，u∈R^3×1表示根据主端位置信息计算得到的从端机器人末端在笛卡尔空间下的移动速度，x_{m_t}∈R^3×1表示当前时刻主端设备末端在笛卡尔空间下的位置，x_{m_0}∈R^3×1表示主端设备末端零点位置，

表示与x_{m_t}同方向的单位向量，s为从端机器人末端在笛卡尔空间下的平移速度死区阈值，即当主端位置位于死区范围内时，从端机器人末端的平移速度u为0；

在t时刻机械臂末端笛卡尔空间位置可由下式给出

x_{s_t}＝x_{s_t-1}+k_velocity·u·Δt

在主端位置-从端速度映射方式下，从端机器人姿态控制命令离散形式由下式确定：

其中φ_{s_t}∈R^3×1和φ_{s_t-1}∈R^3×1分别表示从端机器人在t时刻和t-1时刻的ZYX欧拉角φ_{s_t-1}∈R^3×1，φ_{m_t}∈R^3×1表示主端设备t时刻的ZYX欧拉角，φ_thread∈R^3×1表示从端机器人末端在笛卡尔空间下的旋转角速度死区阈值，即当主端姿态角位于死区范围内时，从端机器人末端旋转角速度为0，(φ_{s_t})_i＝(φ_{s_t-1})_i。

4.根据权利要求1所述的一种主从异构型遥操作机器人工作空间映射方法，其特征在于，对于两种映射方式的相互切换，将主端omega.7第七个自由度的力反馈模拟开关按钮作为映射方式切换的信号；当按钮被按下时，从端映射命令被切断并保持当前姿态不变，控制主端设备末端自动回到其机械零点附近，然后再使能主端发送给从端的映射命令。

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