CN108818533B - 异构机器人遥操作***位置和速度同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人遥操作控制技术领域。本发明公开了一种异构机器人遥操作***位置和速度同步控制方法，主要步骤包括：施加作用力f_h使主机器人产生位置信息x_master和位置变化量；位置信息x_master及主机器人位置变化量通过通讯网络传递给从机器人；从机器人运动并产生位置信息x_slave；以主机器人位置信息x_master控制从机器人位置信息x_slave，实现主机器人和从机器人位置同步；以主机器人位置变化量控制从机器人的速度V_s，实现主机器人和从机器人速度同步。本发明实现了主机器人的位置信息控制从机器人在三维任务空间中的位置移动，同时也使主机器人在该过程中的位置变化量控制从机器人在三维任务空间中的速度变化，实现了从机器人的位置和速度与主机器人的位置和速度保持同步。

Description

异构机器人遥操作***位置和速度同步控制方法

技术领域

本发明属于机器人遥操作控制技术领域。特别涉及一种异构机器人遥操作***位置和速度同步控制方法。

背景技术

异构机器人遥操作***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与感知能力的延伸，让机器人能够代替人在复杂或恶劣环境中进行作业，从而可以避免对人体产生伤害，降低生产成本，提高生产效率。在太空、深海、医疗手术、矿工业以及核工业等领域得到了广泛应用。因此实现主机器人与从机器人的位置同步跟踪及对从机器人速度的精确控制，是机器人遥操作***中最重要功能。

异构机器人遥操作***因其所使用的主机器人和从机器人型号和结构不同，搭建遥操作***平台的方法不同。对于速度与位置控制方法，其中比较有代表性的为：文献[M.Mamdouh and A.A.Ramadan,"Development of a teleoperation system with a newworkspace spanning technique,"2012IEEE International Conference on Roboticsand Biomimetics(ROBIO),Guangzhou,2012,pp.1570-1575.]主要利用主机器人端的额外开关变量来进行开关的切换，触发开关设定不同的模式，实现不同形式的主从机器人位置和速度的控制，以此达到主机器人在微小范围及大范围内对从机器人运动模式的控制。文献[Farkhatdinov I,Ryu J H.Hybrid position-position and position-speed commandstrategy for the bilateral teleoperation of a mobile robot[C].InternationalConference on Control,Automation and Systems.IEEE,2007:2442-2447.]针对轮式移动机器人的远程导航遥操作***，提出了一种位置-位置和位置-速度模式的混合控制方法，通过对两种模式的切换以实现在二维平面上主机器人对轮式移动机器人的位置或者对其线速度、航向角度的控制。

这些方法存在的不足之处主要在于需要手动进行开关的切换，增加了异构遥操作***控制的复杂性，对于从机器人的操作也缺乏灵活性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种异构机器人遥操作***位置和速度同步控制方法，以改善异构型机器人遥操作***的操作性能。

为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种异构机器人遥操作***位置和速度同步控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

施加作用力f_h使主机器人产生位置信息x_master和位置变化量；

位置信息x_master及主机器人位置变化量通过通讯网络传递给从机器人；

从机器人运动并产生位置信息x_slave；

以主机器人位置信息x_master控制从机器人位置信息x_slave，实现主机器人和从机器人位置同步；

以主机器人位置变化量控制从机器人的速度V_s，实现主机器人和从机器人速度同步。

进一步的，所述作用力f_h为操作者施加的力。

进一步的，还包括步骤：

作用力f_h使从机器人作用于目标物，并使从机器人产生作用于目标物的力f_envi，该力f_envi反馈给操作者，使其进行下一步操作。

进一步的，所述主机器人位置信息x_master为主机器人的三维空间坐标；所述从机器人位置信息x_slave为从机器人任务空间的三维空间坐标。

进一步的，所述主机器人位置信息x_master和从机器人位置信息x_slave满足关系式：

其中，x_m,y_m,z_m为主机器人在任务空间中的位置矢量；x_s,y_s,z_s为从机器人在任务空间中的位置矢量；在机器人任务空间三维坐标中，x_m对应x_s；y_s对应z_m；z_s对应y_m；k_x,k_y,k_z为主机器人在任务空间中的比例常数；λ_x,λ_y,λ_z为主机器人在任务空间中的参数常量。

进一步的，所述主机器人位置变化量与从机器人的速度V_s满足关系式：

其中，v_zx,v_zy,v_xy代表从机器人在任务空间中各三维坐标上的速度；k₁,k₂,k₃为从机器人在任务空间中各三维坐标上速度变化的比例常数；h₁,h₂,h₃分别代表主机器人在任务空间中zx,zy,xy三维坐标上的位置取值；Δx_m，Δz_m，Δy_m分别表示主机器人在任务空间中的坐标轴x，z，y上的单位时间位置变化量；x_d，z_d，y_d为主机器人在任务空间中各坐标上限定的边界常量值。

本发明的有益效果是，克服了现有技术中需要手动切换模式的问题，利用操作者作用于主机器人的力，使主机器人产生位置信息，实现主机器人的位置信息控制从机器人在三维任务空间中的位置移动，同时也使主机器人在该过程中的位置变化量控制从机器人在三维任务空间中的速度变化，实现从机器人的位置和速度与主机器人的位置和速度保持同步，从而使从机器人更为精确、快速地作用于目标物。

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。在附图中：

图1为本发明控制原理示意图；

图2为位置-位置控制示意图；

图3为主机器人任务空间中的三维坐标示意图；

图4为从机器人任务空间中的三维坐标示意图；

图5为位置-速度控制示意图。

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。

实施例

本发明异构机器人遥操作***位置与速度同步控制方法，操作原理如图1所示，包括操作者、主机器人、计算机、通信网络、从机器人和目标物。操作者作用于主机器人的力f_h，使主机器人产生位置信息x_master和位置变化量，位置信息x_master及主机器人位置变化量通过通讯网络传递给从机器人；从而控制从机器人在三维任务空间中的位置x_slave，使主机器人在该过程中的位置变化量控制从机器人在三维任务空间中的速度V_s，实现从机器人的位置和速度与主机器人的位置和速度保持同步。使从机器人更精确地作用于目标物，并使从机器人产生作用于目标物的力f_envi，经过通信网络将该力f_envi反馈给操作者端，使其进行下一步操作。

主从机器人位置-位置的同步控制，如图2所示。

操作者作用于主机器人的力f_h，使主机器人产生位置信息x_master，经过通信网络进行信息传递，使从机器人运动并产生位置信息x_slave，并使从机器人产生作用于目标物的力f_envi，从而实现了主机器人对从机器人位置-位置的同步控制，其公式为：

其中，x_m,y_m,z_m为主机器人在任务空间中的位置矢量；x_s,y_s,z_s为从机器人在任务空间中的位置矢量，在机器人任务空间三维坐标中x_m对应x_s；y_s对应z_m；z_s对应y_m；k_x,k_y,k_z为主机器人在任务空间中的比例常数，λ_x,λ_y,λ_z为主机器人在任务空间中参数常量，主从机器人在任务空间中的三维坐标示意图分别如图3和4所示。

主从机器人的位置-速度控制，如图5所示。

通过操作主机器人进行位置移动，此时主机器人移动产生的位置信息x_master的变化量转化为从机器人的速度信息V_s，使从机器人更精确地作用于目标物，并使从机器人产生作用于目标物的力f_envi。从而达到主从机器人的速度同步，实现了利用主机器人的位置对从机器人的速度控制。

主从机器人的位置-速度控制分如下三种情况：

情况1

当从机器人到目标物的距离L大于等于设定的从机器人到目标物的安全距离常量L_p(即L≥L_p)时，表明从机器人的距离目标物在安全距离之外，此时主机器人在任务空间中的速度V_m大于等于所设定的主机器人的正常速度常量V_p(即V_m≥V_p)，从机器人的实时速度参数V_s大于等于从机器人的正常速度常量V_q(即V_s≥V_q)。

情况2

当从机器人到目标物的距离L小于设定的从机器人到目标物的安全距离常量L_p(即L<L_p)时，表明从机器人的距离目标物在设定的安全距离以内，此时操作者通过操作主机器人进行位置移动，通过位置-速度控制实现主从机器人的速度同步，而达到从机器人在有限范围内进行位置的小幅度移动的目的，此时主机器人在任务空间中的速度V_m小于所设定的主机器人的正常速度常量V_p(即V_m<V_p)时，从机器人的实时速度参数V_s小于从机器人的正常速度常量V_q(即V_s<V_q)时。

主从机器人位置-速度的同步控制，公式为：

其中，主从机器人任务空间中的三维坐标示意图分别如图3和4所示。V_m，V_s代表从机器人的速度，v_zx,v_zy,v_xy代表从机器人在任务空间中各三维坐标上的速度，k₁,k₂,k₃为从机器人在任务空间中各三维坐标上速度变化的比例常数，h₁,h₂,h₃分别代表主机器人在任务空间中zx,zy,xy三维坐标上的位置取值，Δx_m，Δz_m，Δy_m分别表示主机器人在任务空间中的坐标轴x,z，y上的单位时间位置变化量，x_d，z_d,y_d为主机器人在任务空间中各坐标上限定的边界常量值，即主机器人在此常量值范围内进行微小移动时，从机器人的速度将不跟随产生变化，以防止因人手抖动而造成的误差操作。

Claims (4)

1.异构机器人遥操作***位置和速度同步控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

施加作用力f_h使主机器人产生位置信息x_master和位置变化量；

位置信息x_master及主机器人位置变化量通过通讯网络传递给从机器人；

从机器人运动并产生位置信息x_slave；

以主机器人位置信息x_master控制从机器人位置信息x_slave，实现主机器人和从机器人位置同步；

以主机器人位置变化量控制从机器人的速度V_s，实现主机器人和从机器人速度同步；

所述主机器人位置信息x_master为主机器人的三维空间坐标；所述从机器人位置信息x_slave为从机器人任务空间的三维空间坐标；

所述主机器人位置变化量与从机器人的速度V_s满足关系式：

其中，v_zx,v_zy,v_xy代表从机器人在任务空间中各三维坐标上的速度；k₁,k₂,k₃为从机器人在任务空间中各三维坐标上速度变化的比例常数；h₁,h₂,h₃分别代表主机器人在任务空间中zx,zy,xy三维坐标上的位置取值；△x_m，△z_m，△y_m分别表示主机器人在任务空间中的坐标轴x，z，y上的单位时间位置变化量；x_d，z_d，y_d为主机器人在任务空间中各坐标上限定的边界常量值。

2.根据权利要求1所述的异构机器人遥操作***位置和速度同步控制方法，其特征在于，所述作用力f_h为操作者施加的力。

3.根据权利要求2所述的异构机器人遥操作***位置和速度同步控制方法，其特征在于，还包括步骤：

作用力f_h使从机器人作用于目标物，并使从机器人产生作用于目标物的力f_envi，该力f_envi反馈给操作者，使其进行下一步操作。

4.根据权利要求1所述的异构机器人遥操作***位置和速度同步控制方法，其特征在于，所述主机器人位置信息x_master和从机器人位置信息x_slave满足关系式：

其中，x_m,y_m,z_m为主机器人在任务空间中的位置矢量；x_s,y_s,z_s为从机器人在任务空间中的位置矢量；在机器人任务空间三维坐标中，x_m对应x_s；y_s对应z_m；z_s对应y_m；k_x,k_y,k_z为主机器人在任务空间中的比例常数；λ_x,λ_y,λ_z为主机器人在任务空间中的参数常量。

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