CN113059566A

CN113059566A - 基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法及装置

Info

Publication number: CN113059566A
Application number: CN202110361233.4A
Authority: CN
Inventors: 于文进; 韩峰涛; 庹华; 刘凯; 张航; 曹华; 韩建欢
Original assignee: Rokae Shandong Intelligent Technology Co ltd
Current assignee: Rokae Shandong Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2021-04-02
Filing date: 2021-04-02
Publication date: 2021-07-02

Abstract

本申请实施例提供一种基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法及装置，方法包括：主手将位姿信息发送给从手，主从手速度关系可以表示为：

从手将与外界环境的接触力矩反馈给主手，两者关系可以表示为：w_m，M＝Ψw_S，sc；其中，主手与从手断开时c＝0；主手与从手连接时c＝1；本申请能够完成类似于远程B超等遥操作服务，并克服现有技术的不足，显著提高用户操作体验。

Description

基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法及装置

技术领域

本申请涉及计算机技术领域，具体涉及一种基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法及装置。

背景技术

机器人已经广泛应用于工业现场和服务领域，但是由于人工智能等技术并未成熟地应用在机器人控制中，机器人无法或者很难完成复杂的自主规划和控制任务，需要借助于传感器或者人机协作，因此，基于人机交互的遥操作控制技术应运而生，并在空间探索，远程医疗，虚拟现实等领域发挥着重要作用。

通常遥操作系统分为主，从两端，也可以分别称为主手和从手，主手通常是一力反馈设备，按构型分类主要分为串联式主手和并联式主手；从手作为执行机构一般由机器人或者专用设备组成。主从端通过网络进行通讯。

跟踪性、透明性和稳定性是评价遥操作系统好坏的三个重要指标，也是遥操作控制系统的难点。跟踪性指得是从手跟踪主手运动得能力，需要主从端进行实时通讯；透明性指得是主手感受从端受力的能力，力反馈越真实，那么透明性越好；稳定性指得是系统抗干扰能力，由于网络通讯中的延时问题，系统的稳定性可能会被破坏。

发明人发现，现有遥操作系统的主要缺陷与不足在于：

1跟踪性较差，从手对主手的跟随运动存在明显的延时问题；

2透明性低，主手不能真实感受到从手与环境的接触力；

3在存在延时等干扰因素，无法保证系统稳定，在很多应用场合，例如远程医疗场景中，稳定性是很重要的，如果系统出现不稳定，很容易造成事故。

发明内容

针对现有技术中的问题，本申请提供一种基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法及装置，能够完成类似于远程B超等遥操作服务，并克服现有技术的不足，显著提高用户操作体验。

为了解决上述问题中的至少一个，本申请提供以下技术方案：

第一方面，本申请提供一种基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法，包括：

主手将位姿信息发送给从手，主从手速度关系可以表示为：

从手将与外界环境的接触力矩反馈给主手，两者关系可以表示为：

w_m，M＝Ψw_S，sc；

其中，主手与从手断开时c＝0；主手与从手连接时c＝1。

进一步地，还包括：

若系统无源监测器检测到系统无源时，c＝1，否则c＝0。

第二方面，本申请提供一种基于柔性机器人的直接力反馈遥操作装置，包括：

速度关系确定模块，用于主手将位姿信息发送给从手，主从手速度关系可以表示为：

力矩关系确定模块，用于从手将与外界环境的接触力矩反馈给主手，两者关系可以表示为：

w_m，M＝Ψw_S，sc；

其中，主手与从手断开时c＝0；主手与从手连接时c＝1。

进一步地，无源检测单元，用于若系统无源监测器检测到系统无源时，c＝1，否则c＝0。

第三方面，本申请提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法的步骤。

第四方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法的步骤。

由上述技术方案可知，本申请提供一种基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法及装置，通过柔性机器人的直接力反馈遥操作技术，加入状态反馈控制和无源检测器，能够完成类似于远程B超等遥操作服务，并克服现有技术的不足，显著提高用户操作体验。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中的力反馈遥操作系统示意图之一；

图2为本申请实施例中的力反馈遥操作系统示意图之二；

图3为本申请实施例中的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

考虑到现有遥操作系统的主要缺陷与不足在于：1跟踪性较差，从手对主手的跟随运动存在明显的延时问题；2透明性低，主手不能真实感受到从手与环境的接触力；3在存在延时等干扰因素，无法保证系统稳定，在很多应用场合，例如远程医疗场景中，稳定性是很重要的，如果系统出现不稳定，很容易造成事故的问题，本申请提供一种基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法及装置，通过柔性机器人的直接力反馈遥操作技术，加入状态反馈控制和无源检测器，能够完成类似于远程B超等遥操作服务，并克服现有技术的不足，显著提高用户操作体验。

为了能够完成类似于远程B超等遥操作服务，并克服现有技术的不足，显著提高用户操作体验，本申请提供一种基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法的实施例，所述基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法具体包含有如下内容：

主手将位姿信息发送给从手，主从手速度关系可以表示为：

w_m，M＝Ψw_S，Sc；

其中，主手与从手断开时c＝0；主手与从手连接时c＝1。

从上述描述可知，本申请实施例提供的基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法，能够通过柔性机器人的直接力反馈遥操作技术，加入状态反馈控制和无源检测器，能够完成类似于远程B超等遥操作服务，并克服现有技术的不足，显著提高用户操作体验。

在本申请的基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法的一实施例中，还可以具体包含如下内容：

若系统无源监测器检测到系统无源时，c＝1，否则c＝0。

为了能够完成类似于远程B超等遥操作服务，并克服现有技术的不足，显著提高用户操作体验，本申请提供一种用于实现所述基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法的全部或部分内容的基于柔性机器人的直接力反馈遥操作装置的实施例，所述基于柔性机器人的直接力反馈遥操作装置具体包含有如下内容：

w_m，M＝Ψw_S，sc；

其中，主手与从手断开时c＝0；主手与从手连接时c＝1。

从上述描述可知，本申请实施例提供的基于柔性机器人的直接力反馈遥操作装置，能够通过柔性机器人的直接力反馈遥操作技术，加入状态反馈控制和无源检测器，能够完成类似于远程B超等遥操作服务，并克服现有技术的不足，显著提高用户操作体验。

在本申请的基于柔性机器人的直接力反馈遥操作装置的一实施例中，还具体包含有如下内容：

无源检测单元，用于若系统无源监测器检测到系统无源时，c＝1，否则c＝0。

为了更进一步说明本方案，本申请还提供一种应用上述基于柔性机器人的直接力反馈遥操作装置实现基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法的具体应用实例，具体包含有如下内容：

本发明是一种基于柔性机器人的遥操作系统，使用此系统，可以完成类似于远程B超等遥操作服务，并克服现有技术的不足，显著提高用户操作体验。

本发明中，主手是一并联式力反馈设备，有7个关节，7个自由度，可以实现XYZ三个平移方向和XYZ三个旋转方向的力反馈，每个关节都设置有编码器，可以读取关节角度。设备力反馈精度高，响应快速。由每个关节的角度可以正解计算出主手设备末端位姿信息。

主手的动力学方程可以表示为：

其中θ是电机角度，B是电机惯量，τ_m是电机转矩，电机与连杆之间被认为是刚性连接的，M_l是连杆惯量，

是科氏力，g_l是重力，摩擦力不予考虑。

主手关节力矩与笛卡尔空间反馈力矩之间的关系可以表示为：

τ_s＝J(θ)^Tw_s，M (2)

其中J(θ)是主手雅可比矩阵，ω_s，M是主手笛卡尔空间的反馈力矩，可以理解为主手与操作者的交互力。

那么主手电机侧的力矩指令值可以表示为：

τ_m，d＝J(θ)Tw_m，M+g_l(θ)+g_h(θ) (3)

其中W_m，M是从手反馈给主手的笛卡尔空间力矩，g_h(θ)是重力补偿项。

主手末端位姿、速度、加速度和加加速度分别表示为：x_M,

位姿x_M可以有关节角度正解得到，速度由位姿微分得到，加速度通常不通过位姿的二次微分得到，因为噪声比较大，关节加速度可以表示为：

上式计算时忽略了科氏力，

近似为关节加速度

那么笛卡尔空间内末端位姿加速度可以表示为：

进一步主手末端加加速度可以表示为：

因为二阶雅可比近似为0，式中第一项可以忽略掉

从手是一台7自由度柔性协作机器人，7个关节都设置于电机和力矩传感器，能够实时高精度地感受环境的接触力。

从手机器人电机侧的动力学方程可以表示为：

从手机器人连杆侧的动力学方程可以表示为：

其中关节力矩为τ＝K(θ-q) (9)

，θ是电机侧角度，q是连杆侧角度，刚度矩阵是K，电机力矩是τ_m，τ_ext是外部力矩

g(q)分别表示离心力，科氏力和重力，同样摩擦力忽略不计。

从手状态反馈器的状态向量可以表示为

,状态反馈力矩可以表示为：

其中K_P，K_D，K_T，K_S为各状态增益。

由(7)式得到期望电机位置和关节期望力矩和期望关节角度的关系：

θ_d＝q_d+K^-1τ_d (11)

对(11)进行微分：

在从手外部力矩τ_ext为0的情况下，由(8)式得到：

对(13)进行微分得到：

即状态向量是关于关节位置、关节速度、关节加速度和关节加加速度的函数。

若外部力矩τ_ext不为0，期望关节角度与实际关节角度并不能近似相等，对关节角度和重力项进行近似估计，可以得到式(13)的变形式：

重力项对时间的微分为0，故(14)式可以变形得到：

进一步得到从手电机力矩指令值可以表示为：

从手跟随主手做运动，故笛卡尔末端位姿，速度、加速度和加加速度可有主手状态获得，参考式(5)，(6)。由笛卡尔空间与轴空间变量转换关系得：

逆解得到从手关节角度：q_d＝invkin(x_S，d) (18)

关节速度：

关节加速度：

关节加加速度：

力反馈遥操作系统示意图参见图1。

主从手之间通过外部控制接口实现数据交互，最高通信频率为1kHz，主从手之间位姿，速度，力矩等信息实现1kHz的高速交互，所以系统的跟随性很好，另外降低了系统延时，提高了系统的稳定性。

主手将位姿信息发送给从手，主从手速度关系可以表示为：

w_m，M＝Ψw_S，sc (23)

其中主手与从手断开时c＝0；主手与从手连接时c＝1；

上诉直接力矩反馈方案的缺点就是系统稳定性不能保证，即使主手控制器与从手控制器都是无源的，并不能保证整个遥操作系统的无源性，所以本发明中设置有一个系统无源监测器，检测到系统无源时，c＝1；检测到系统有源时，c＝0；

如下图所示，无源检测器可以看作是一个二端口网络结构，系统输入是：

系统输出是：

系统能量变化为：

E_N(t)＝E_in(t)+E_out(t) (26)

当E_N(t)≥0时系统时无源的，离合器闭合，主从手闭合，系统处于稳定状态；当E_N(t)≤0时系统是有源的，离合器断开，整个系统不稳定，主从手断开，但是各自的控制系统是稳定的，参见图2。

从硬件层面来说，为了能够完成类似于远程B超等遥操作服务，并克服现有技术的不足，显著提高用户操作体验，本申请提供一种用于实现所述基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法中的全部或部分内容的电子设备的实施例，所述电子设备具体包含有如下内容：

处理器(processor)、存储器(memory)、通信接口(Communications Interface)和总线；其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；所述通信接口用于实现基于柔性机器人的直接力反馈遥操作装置与核心业务系统、用户终端以及相关数据库等相关设备之间的信息传输；该逻辑控制器可以是台式计算机、平板电脑及移动终端等，本实施例不限于此。在本实施例中，该逻辑控制器可以参照实施例中的基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法的实施例，以及基于柔性机器人的直接力反馈遥操作装置的实施例进行实施，其内容被合并于此，重复之处不再赘述。

可以理解的是，所述用户终端可以包括智能手机、平板电子设备、网络机顶盒、便携式计算机、台式电脑、个人数字助理(PDA)、车载设备、智能穿戴设备等。其中，所述智能穿戴设备可以包括智能眼镜、智能手表、智能手环等。

在实际应用中，基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法的部分可以在如上述内容所述的电子设备侧执行，也可以所有的操作都在所述客户端设备中完成。具体可以根据所述客户端设备的处理能力，以及用户使用场景的限制等进行选择。本申请对此不作限定。若所有的操作都在所述客户端设备中完成，所述客户端设备还可以包括处理器。

上述的客户端设备可以具有通信模块(即通信单元)，可以与远程的服务器进行通信连接，实现与所述服务器的数据传输。所述服务器可以包括任务调度中心一侧的服务器，其他的实施场景中也可以包括中间平台的服务器，例如与任务调度中心服务器有通信链接的第三方服务器平台的服务器。所述的服务器可以包括单台计算机设备，也可以包括多个服务器组成的服务器集群，或者分布式装置的服务器结构。

图3为本申请实施例的电子设备9600的系统构成的示意框图。如图3所示，该电子设备9600可以包括中央处理器9100和存储器9140；存储器9140耦合到中央处理器9100。值得注意的是，该图3是示例性的；还可以使用其他类型的结构，来补充或代替该结构，以实现电信功能或其他功能。

一实施例中，基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法功能可以被集成到中央处理器9100中。其中，中央处理器9100可以被配置为进行如下控制：

主手将位姿信息发送给从手，主从手速度关系可以表示为：

w_m，M＝Ψw_S，sc；

其中，主手与从手断开时c＝0；主手与从手连接时c＝1。

从上述描述可知，本申请实施例提供的电子设备，通过柔性机器人的直接力反馈遥操作技术，加入状态反馈控制和无源检测器，能够完成类似于远程B超等遥操作服务，并克服现有技术的不足，显著提高用户操作体验。

在另一个实施方式中，基于柔性机器人的直接力反馈遥操作装置可以与中央处理器9100分开配置，例如可以将基于柔性机器人的直接力反馈遥操作装置配置为与中央处理器9100连接的芯片，通过中央处理器的控制来实现基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法功能。

如图3所示，该电子设备9600还可以包括：通信模块9110、输入单元9120、音频处理器9130、显示器9160、电源9170。值得注意的是，电子设备9600也并不是必须要包括图3中所示的所有部件；此外，电子设备9600还可以包括图3中没有示出的部件，可以参考现有技术。

如图3所示，中央处理器9100有时也称为控制器或操作控件，可以包括微处理器或其他处理器装置和/或逻辑装置，该中央处理器9100接收输入并控制电子设备9600的各个部件的操作。

其中，存储器9140，例如可以是缓存器、闪存、硬驱、可移动介质、易失性存储器、非易失性存储器或其它合适装置中的一种或更多种。可储存上述与失败有关的信息，此外还可存储执行有关信息的程序。并且中央处理器9100可执行该存储器9140存储的该程序，以实现信息存储或处理等。

输入单元9120向中央处理器9100提供输入。该输入单元9120例如为按键或触摸输入装置。电源9170用于向电子设备9600提供电力。显示器9160用于进行图像和文字等显示对象的显示。该显示器例如可为LCD显示器，但并不限于此。

该存储器9140可以是固态存储器，例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、SIM卡等。还可以是这样的存储器，其即使在断电时也保存信息，可被选择性地擦除且设有更多数据，该存储器的示例有时被称为EPROM等。存储器9140还可以是某种其它类型的装置。存储器9140包括缓冲存储器9141(有时被称为缓冲器)。存储器9140可以包括应用/功能存储部9142，该应用/功能存储部9142用于存储应用程序和功能程序或用于通过中央处理器9100执行电子设备9600的操作的流程。

存储器9140还可以包括数据存储部9143，该数据存储部9143用于存储数据，例如联系人、数字数据、图片、声音和/或任何其他由电子设备使用的数据。存储器9140的驱动程序存储部9144可以包括电子设备的用于通信功能和/或用于执行电子设备的其他功能(如消息传送应用、通讯录应用等)的各种驱动程序。

通信模块9110即为经由天线9111发送和接收信号的发送机/接收机9110。通信模块(发送机/接收机)9110耦合到中央处理器9100，以提供输入信号和接收输出信号，这可以和常规移动通信终端的情况相同。

基于不同的通信技术，在同一电子设备中，可以设置有多个通信模块9110，如蜂窝网络模块、蓝牙模块和/或无线局域网模块等。通信模块(发送机/接收机)9110还经由音频处理器9130耦合到扬声器9131和麦克风9132，以经由扬声器9131提供音频输出，并接收来自麦克风9132的音频输入，从而实现通常的电信功能。音频处理器9130可以包括任何合适的缓冲器、解码器、放大器等。另外，音频处理器9130还耦合到中央处理器9100，从而使得可以通过麦克风9132能够在本机上录音，且使得可以通过扬声器9131来播放本机上存储的声音。

本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的执行主体为服务器或客户端的基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法中全部步骤的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的执行主体为服务器或客户端的基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述步骤：

主手将位姿信息发送给从手，主从手速度关系可以表示为：

w_m，M＝Ψw_S，sc；

其中，主手与从手断开时c＝0；主手与从手连接时c＝1。

从上述描述可知，本申请实施例提供的计算机可读存储介质，通过柔性机器人的直接力反馈遥操作技术，加入状态反馈控制和无源检测器，能够完成类似于远程B超等遥操作服务，并克服现有技术的不足，显著提高用户操作体验。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(装置)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法，其特征在于，所述方法包括：

主手将位姿信息发送给从手，主从手速度关系可以表示为：

w_m，M＝Ψw_S，sc；

其中，主手与从手断开时c＝0；主手与从手连接时c＝1。

2.根据权利要求1所述的基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法，其特征在于，还包括：

若系统无源监测器检测到系统无源时，c＝1，否则c＝0。

3.一种基于柔性机器人的直接力反馈遥操作装置，其特征在于，包括：

w_m，M＝Ψw_S，sc；

其中，主手与从手断开时c＝0；主手与从手连接时c＝1。

4.根据权利要求3所述的基于柔性机器人的直接力反馈遥操作装置，其特征在于，还包括：

5.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至2任一项所述的基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法的步骤。

6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至2任一项所述的基于柔性机器人的直接力反馈遥操作方法的步骤。