CN114643576A - 一种基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法 - Google Patents

一种基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及遥操作技术领域，尤其涉及一种基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法，基于力反馈设备向操作者提供力觉临场感，实现协助操作者操作机械臂完成包括避障、目标趋近在内的目标抓取任务的功能。本发明包括以下步骤：获取从端机械臂末端、障碍物以及目标点的位置；构建管道形力场，生成趋近任务的虚拟力引导；构建障碍物斥力场，引导操作者进行避障动作；构建锥形力场，生成目标抓取任务的虚拟力引导；构建机械臂运动限制，减少操作者误操作的影响。与遥操作方法比较，本方法能够有效提高操作效率，更能适应复杂的作业环境。

Description

一种基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法
技术领域
本发明涉及遥操作技术领域，尤其涉及一种虚拟力引导的人机协同目标抓取方法。
背景技术
随着科学技术的发展，机器人的应用领域不断扩大，如电力系统带电作业等危险系数较高的人工作业将被机器人作业替代是必然趋势。遥操作能够将人的决策能力融入到机器人的自主控制中，具有广泛的适用范围。力反馈设备的出现增加了人机交互的方式，能够让操作者感受到从端设备与外部环境的力交互情况。因此，将力觉交互技术引入基于遥操作的人机协作系统中具有重要意义。
传统基于人工势场法的虚拟力引导方法会将机械臂末端受到的斥力和引力叠加后通过力反馈设备反馈给操作者，这种方法由于目标吸引力的存在导致操作者感受到的力并不适合于引导操作者进行机械臂本体避障任务。此外，对于6自由度机械臂的目标抓取操作而言，往往需要操作者操作机器人末端以需要的姿态到达目标位置。但在直接遥操作中，操作者往往难以将机械臂移动到某一精确的位置和姿态，并且由于人的手臂和手腕构成了一个耦合系统，二者的运动通常会相互影响，导致在操作过程中经常不可避免地会出现操作偏差。
发明内容
针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的是提供一种基于虚拟力引导的人机协同遥操作方法，解决力反馈遥操作中传统的人工势场法无法适应机械臂整体避障及在作业过程中操作者难以控制机械臂到达所需位姿的问题。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法，将机械臂识别障碍物对目标抓取的过程分解为趋紧目标点和接近目标点两个过程，包括以下步骤：
步骤1：获取障碍物、目标点的位置，以及从端机械臂末端实时位置；判断是否接近目标点，若是则执行步骤4；否则判断当前位置为趋近目标点，执行步骤2；
步骤2：构建管道形力场生成目标趋近任务的虚拟力引导，并以此引导力为依据控制机械臂按照预定义路径运动避免偏离；
步骤3：循环判断是否接近障碍物，若是则构建障碍物斥力场生成避障任务的虚拟力引导，并以此引导力结合目标趋近任务的虚拟力引导控制机械臂进行避障，然后返回步骤1判断是否接近目标点；
步骤4：构建锥形力场生成目标抓取任务的虚拟力引导，并以此引导力为依据控制机械臂到达目标位姿，对目标执行抓取任务；
其中，所述的避障任务的虚拟力引导结合目标趋近任务的虚拟力引导控制机械臂进行避障、所述的控制机械臂到达目标位姿的过程中，需要构建从端机械臂运动限制，用于减少操作者误操作的影响。
所述从端机械臂末端位置由机械臂控制器获取，所述障碍物位置已知或通过工业相机采集获取，所述目标点位置通过设定获取。
所述目标趋近任务的虚拟力引导的计算公式如下：
Fc＝kcδ(xc) (1)
其中，δ(xc)表示引导力的参考方向，其计算公式为：
δ(xc)＝xc-s(xc) (2)
其中，kc为系数，xc表示机械臂末端在笛卡尔空间中的坐标，s(xc)表示预定义路径上距离xc最近的点。
所述避障任务的虚拟力引导的计算公式如下：
Figure BDA0002842504830000031
其中，n表示障碍物的个数，Fc表示目标趋近任务的虚拟力引导，Fi,rep表示第i个障碍物的斥力，其计算公式如下：
Figure BDA0002842504830000032
其中ηi,rep是一个斥力的增益因子，ρi是机械臂本体上距离障碍物最近的点，ρi,0是障碍物的斥力作用范围。
所述构建锥形力场生成目标抓取任务的虚拟力引导包括目标位置的虚拟力引导和抓取姿态的虚拟力引导，具体为：
1)目标位置的虚拟力引导计算：
圆锥的中轴线可以定义为：
Figure BDA0002842504830000033
xt表示目标点，xs表示一个初始点；
若机械臂末端在圆锥范围内须满足下列条件：
conditionin(xc)≡||nO(xc)||≤dcone (6)
dcone＝||nR(xc)||tanα (7)
其中，nO(xc)和nR(xc)为机械臂末端在笛卡尔空间的位置与目标点连线分解得到的与圆锥轴线相关的正交分量；
no(xc)＝(I-aaT)(xt-xc) (8)
nR(xc)＝(aaT)(xt-xc) (9)
其中，α是基本圆锥的开口角度；
则，目标位置的虚拟力引导计算公式为：
Fp＝knnO(xc)+k2nR(xc) (10)
Figure BDA0002842504830000041
其中，dc是圆锥中轴线长度，k1和k2是两个增益参数，用于调节引导力的大小；
2)抓取姿态的虚拟力引导计算：
FR＝kn(rt-rc) (12)
3)操作者感受到的总的虚拟力引导包括目标位置的虚拟力引导和抓取姿态的虚拟力引导，计算公式为：
Figure BDA0002842504830000042
其中rt和rc分别表示目标抓取姿态和从端机械臂当前姿态。
所述从端机械臂运动限制具体如下：
从端机械臂末端的速度v可分解为：
v＝μ·vO+vR (15)
其中，vO和vR分别表示v垂直于圆锥中轴线和平行于中轴线的分量；μ是调节参数，可以实现对操作者输出的限制，其计算公式如下。
Figure BDA0002842504830000051
其中，d为||nO(xc)||，dcone表示从端机械臂末端所处锥形力场边缘与中轴线的距离。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.计算量小，实时性高。本发明在实施过程中仅需要进行简单的线性运算，计算量小，实时性高。
2.对环境的适应性好。本发明需要的环境参数少，在执行过程中仅需要获得目标点位置、障碍物位置和机械臂当前位姿即可对操作者提供协助；本方法可在复杂的作业环境中有效运行。
3.可移植性强。本发明不仅可运用于从端设备为机械臂的遥操作系统，还可以在以其他设备为从端的遥操作系统中有效运行。
4.对传统的协助方法比较，本发明具有更好的协助效果，操作者可以跟随引导力的作用进行作业，在更高作业效率的同时大幅减少操作者的操作负担。
附图说明
图1为过程的控制流程图。
图2为管形虚拟力场示意图。
图3为锥形虚拟力场示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明方法基于力反馈设备向操作者提供力觉临场感，机器人控制器、力反馈设备、工业相机、机械臂相互配合，实现协助操作者操作机械臂完成包括避障、目标趋近在内的目标抓取任务的功能。力反馈设备可以选取为Virtuose 6DDesktop力反馈设备。
本发明提供一种基于虚拟力引导的协同目标抓取方法，包括：
步骤1：获取从端机械臂末端、障碍物以及目标点的位置。判断是否接近目标点，若是则执行步骤4；否则判断当前位置为趋紧目标点，执行步骤2。
步骤2：构建管道形力场，生成目标趋近任务的虚拟力引导，协助操作者避免过多偏离预定义路径。
步骤3：循环判断是否接近障碍物，若是则构建障碍物斥力场，生成避障任务的力引导，协助操作者进行避障动作，然后返回步骤1判断是否接近目标点。
步骤4：构建锥形力场，生成目标抓取任务的力引导，协助操作者以规定姿态进行目标抓取任务。
步骤5：构建从端机械臂运动限制，减少操作者误操作的影响。
其中预定义路径可由任意路径规划算法生成，例如：目标点与机械臂末端初始位置的连线，或者RRT算法。
抓取过程分为趋近目标点和接近目标点两部分，具体实施过程如下：
步骤1，获取障碍物、目标点位置和从端机械臂末端当前位置，判断机械臂末端是否接近目标点。若已接近目标点则执行步骤4，否则，执行步骤2。
步骤2，构建管道形力场(如图2所示)，生成目标趋近任务的虚拟力引导，协助操作者避免过多偏离预定义路径。所述趋近任务的虚拟力引导计算公式为：
Fc＝kcδ(xc) (1)
其中，δ(xc)表示引导力的参考方向，其计算公式为：
δ(xc)＝xc-s(xc) (2)
其中，kc为系数，xc表示机械臂末端在笛卡尔空间中的坐标，s(xc)表示预定义路径上距离xc最近的点。
步骤3：构建障碍物斥力场，生成避障任务的虚拟力引导，协助操作者进行
避障动作。所述避障任务的虚拟力引导的计算公式如下：
Figure BDA0002842504830000071
其中n表示障碍物的个数，Fc表示目标趋近任务的虚拟力引导，Frep表示障碍物的斥力，其计算公式如下：
Figure BDA0002842504830000072
其中ηi,rep是一个斥力的增益因子，ρi是机械臂本体上距离障碍物最近的点，ρi,0是障碍物的作用范围。
步骤4：构建锥形力场(如图3所示)，生成目标抓取任务的虚拟力引导，协助操作者以规定姿态进行目标抓取任务。具体为：
圆锥的中轴线可以定义为：
Figure BDA0002842504830000081
xt表示目标点，xs表示一个初始点。若机械臂末端在圆锥范围内须满足下列
条件：
conditionin(xc)≡||nO(xc)||≤dcone (6)
dcone＝||nR(xc)||tanα (7)
其中，nO(xc)和nR(xc)为机械臂末端在笛卡尔空间的位置与目标点连线分解的与圆锥轴线相关的正交分量。
no(xc)＝(I-aaT)(xt-xc) (8)
nR(xc)＝(aaT)(xt-xc) (9)
其中，α是基本圆锥的开口角度。
目标位置的虚拟力引导计算公式为：
Fp＝knnO(xc)+k2nR(xc) (10)
Figure BDA0002842504830000082
其中，dc是圆锥中轴线长度，k1和k2是两个增益参数，用于调节引导力的大小。
抓取姿态的虚拟力引导计算：
FR＝kn(rt-rc) (12)
操作者感受到的总的虚拟力引导包括目标位置的虚拟力引导和抓取姿态的虚拟力引导，计算公式为：
Figure BDA0002842504830000083
其中rt和rc分别表示目标抓取姿态和从端机械臂当前姿态。
步骤5：构建从端机械臂运动限制，减少操作者误操作的影响。所述从端机械臂运动限制具体如下：
机械臂末端的速度v可分解为：
v＝vO+vR (14)
vO和vR分别表示v垂直于圆锥中轴线和平行于中轴线的分量。从端机械臂运动限制计算公式为：
v＝μ·vO+vR (15)
其中，μ是调节参数，可以实现对操作者输出的限制，其计算公式如下。
Figure BDA0002842504830000091
其中，d为||nO(xc)||，dcone表示从端机械臂末端所处锥形力场边缘与中轴线的距离。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法，其特征在于，将机械臂识别障碍物对目标抓取的过程分解为趋紧目标点和接近目标点两个过程，包括以下步骤：
步骤1：获取障碍物、目标点的位置，以及从端机械臂末端实时位置；判断是否接近目标点，若是则执行步骤4；否则判断当前位置为趋近目标点，执行步骤2；
步骤2：构建管道形力场生成目标趋近任务的虚拟力引导，并以此引导力为依据控制机械臂按照预定义路径运动避免偏离；
步骤3：循环判断是否接近障碍物，若是则构建障碍物斥力场生成避障任务的虚拟力引导，并以此引导力结合目标趋近任务的虚拟力引导控制机械臂进行避障，然后返回步骤1判断是否接近目标点；
步骤4：构建锥形力场生成目标抓取任务的虚拟力引导，并以此引导力为依据控制机械臂到达目标位姿，对目标执行抓取任务；
其中，所述的避障任务的虚拟力引导结合目标趋近任务的虚拟力引导控制机械臂进行避障、所述的控制机械臂到达目标位姿的过程中，需要构建从端机械臂运动限制，用于减少操作者误操作的影响。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法，其特征在于，所述从端机械臂末端位置由机械臂控制器获取，所述障碍物位置已知或通过工业相机采集获取，所述目标点位置通过设定获取。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法，其特征在于，所述目标趋近任务的虚拟力引导的计算公式如下：
Fc＝kcδ(xc) (1)
其中，δ(xc)表示引导力的参考方向，其计算公式为：
δ(xc)＝xc-s(xc) (2)
其中，kc为系数，xc表示机械臂末端在笛卡尔空间中的坐标，s(xc)表示预定义路径上距离xc最近的点。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法，其特征在于，所述避障任务的虚拟力引导的计算公式如下：
Figure FDA0002842504820000021
其中，n表示障碍物的个数，Fc表示目标趋近任务的虚拟力引导，Fi,rep表示第i个障碍物的斥力，其计算公式如下：
Figure FDA0002842504820000022
其中ηi,rep是一个斥力的增益因子，ρi是机械臂本体上距离障碍物最近的点，ρi,0是障碍物的斥力作用范围。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法，其特征在于，所述构建锥形力场生成目标抓取任务的虚拟力引导包括目标位置的虚拟力引导和抓取姿态的虚拟力引导，具体为：
1)目标位置的虚拟力引导计算：
圆锥的中轴线可以定义为：
Figure FDA0002842504820000023
xt表示目标点，xs表示一个初始点；
若机械臂末端在圆锥范围内须满足下列条件：
conditionin(xc)≡||nO(xc)||≤dcone (6)
dcone＝||nR(xc)||tanα (7)
其中，nO(xc)和nR(xc)为机械臂末端在笛卡尔空间的位置与目标点连线分解得到的与圆锥轴线相关的正交分量；
no(xc)＝(I-aaT)(xt-xc) (8)
nR(xc)＝(aaT)(xt-xc) (9)
其中，α是基本圆锥的开口角度；
则，目标位置的虚拟力引导计算公式为：
Fp＝knnO(xc)+k2nR(xc) (10)
Figure FDA0002842504820000031
其中，dc是圆锥中轴线长度，k1和k2是两个增益参数，用于调节引导力的大小；
2)抓取姿态的虚拟力引导计算：
FR＝kn(rt-rc) (12)
3)操作者感受到的总的虚拟力引导包括目标位置的虚拟力引导和抓取姿态的虚拟力引导，计算公式为：
Figure FDA0002842504820000032
其中rt和rc分别表示目标抓取姿态和从端机械臂当前姿态。
6.根据权利要求1所述的一种基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法，其特征在于，所述从端机械臂运动限制具体如下：
从端机械臂末端的速度v可分解为：
v＝μ·vO+vR (15)
其中，vO和vR分别表示v垂直于圆锥中轴线和平行于中轴线的分量；μ是调节参数，可以实现对操作者输出的限制，其计算公式如下。
Figure FDA0002842504820000041
其中，d为||nO(xc)||，dcone表示从端机械臂末端所处锥形力场边缘与中轴线的距离。
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