CN109048897B - 一种主从机器人遥操作的方法 - Google Patents

Abstract

一种主从机器人遥操作方法，包括步骤如下：A1.主端机器人发出指令；A2.确定主端机器人的自由度，建立虚拟分解矩阵单元；A3.确定从端机器人的自由度，建立虚拟分解矩阵单元；A4.相同数量的虚拟分解矩阵单元，将根据下列式子可生成相同数量的虚拟关节,

V_i ^X为虚拟分解矩阵单元，S^X(t)为状态向量，M为主端机器人，S为从端机器人，

为虚拟关节；A5.主从端机器人相对应的虚拟关节组成虚拟关节对；A6.将所有虚拟关节对的相似度矩阵进行相加，形成虚拟关节的映射，将上述发出的指令转化为从端机器人的指令，从而实现对从端机器人的控制。与现有技术相比，无论主从端机器人构型是否相同，都可以保证主从端机器人在任务空间的同步性，同时还保证在构型上的相似性。

Description

一种主从机器人遥操作的方法

技术领域

本发明涉及一种主从机器人遥操作方法，属于机器人技术领域。

背景技术

机器人广泛地应用在很多人类无人到达的场景进行作业，例如核污染现场、海洋/水下作业现场、太空机器人作业现场、以及远程手术等这些任务，由于人类无法亲临现场，而机器人的智能水平还远远达不到自主作业的程度，因此必须要对机器人进行远程控制，而遥操作就是一种非常普遍的机器人远程控制模式。遥操作指的是操作员通过人机交互设备发出动作指令，指令通过网络或专用通信链路发送到远端的机器人，机器人收到指令后，按照指令进行操作，最终完成任务。

遥操作中，如何采集到操作员的动作指令，并转化为远端机器人的控制指令，该指令能准确地复现操作员的操作意图，是遥操作中至关重要的一个环节，也是其核心关键技术。一般而言，将操作员一端称为主端，远端机器人称为从端。这里采集到主端的动作指令，并转化为从端机器人运动控制指令的过程，称为主从运动学映射。

主端的人机交互设备可以有多种形式，例如摇杆、串联多连杆式机器人、并联式及机器人、上肢穿戴式设备、以及无接触的视觉或光学动作捕捉设备。同样，取决于不同的任务需要，从端的机器人也可以有多种构型或不同的自由度，例如三自由度、六自由度、七自由度甚至更多。比较简单的情况是主端的交互设备与从端机器人构型完全一致，即具有相同的构型和运动参数(可以认为从端是主端的复制)，那么运动映射时，主从端直接采用相同的关节角就可以实现主从一致的遥操作控制。但实际应用中更多的是主端与从端的机器人主从异构的情况，我们无法运用传统的运动学映射来实现主从一致的遥操作控制。

发明内容

本发明的目的是为了解决无论主从端机器人构型是否相同，都可以保证主从端机器人在任务空间的同步性，同时还保证在构型上的相似性问题，提出一种主从机器人遥操作的方法。

为解决上述技术问题，提出主从机器人遥操作的方法，具体步骤如下：A1.主端机器人发出指令；A2.确定主端机器人的自由度，建立虚拟分解矩阵单元；A3.确定从端机器人的自由度，建立虚拟分解矩阵单元；A4.相同数量的虚拟分解矩阵单元，将根据下列式子可生成相同数量的虚拟关节,

V_i ^X为虚拟分解矩阵单元，S^X(t)为状态向量，M为主端机器人，S为从端机器人，

为虚拟关节；A5.主从端机器人相对应的虚拟关节组成虚拟关节对；A6.将所有虚拟关节对的相似度矩阵进行相加，形成虚拟关节的映射，将上述发出的指令转化为从端机器人的指令，从而实现对从端机器人的控制。

优选地，上述技术方案中，所述虚拟分解矩阵单元V_i ^X的表达式为：

是主端第i个虚拟关节包含的自由度的数目,

是从端第i个虚拟关节包含的自由度的数目,m为主端的自由度的数量，n为从端的自由度的数量。

优选地，上述技术方案中，所述虚拟分解矩阵单元V_i ^X，每行有且仅有一个1元素，而每列最多有一个1元素，其余均为零。

优选地，上述技术方案中，通过多个所述虚拟分解矩阵单元建立虚拟分解矩阵，所述虚拟分解矩阵定义如下：

优选地，上述技术方案中，通过所述虚拟关节对的相似性对主从端机器人运动相似度进行度量，所述运动相似矩阵定义如下：

其中，

是虚拟关节

随时间的导数，而0<α<1是权重因子，

表示的是主端与从端机器人的虚拟关节在静态下的运动相似性，

表示的为主从端之间的动态相似性。

优选地，上述技术方案中，所述权重因子α决定了主从端机器人的虚拟关节在静态下的运动相似度与主从端机器人的虚拟关节在动态下的运动相似度的相对权重。

优选地，上述技术方案中，所述虚拟关节映射转化为一个最优化表达式为：

优选地，上述技术方案中，所述的i＝1,2,…,l，

所述的虚拟关节映射转化为传统的关节空间矩阵度量法。

优选地，上述技术方案中，所述l＝1，V₁ ^M＝I_m,V₁ ^S＝I_n，所述的虚拟关节映射转化为传统的基于笛卡尔空间的度量方法。

优选地，上述技术方案中，所述主端机器人和从端机器人的构型不一致。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

与现有技术相比，上述主从机器人遥操作方法,主端机器人发出指令，利用虚拟关节映射，把主端机器人的指令转化成从端机器人的指令，从而对从端机器人进行控制，保证主从端机器人在任务空间的同步性，同时还保证在构型上的相似性。

附图说明

图1是本发明实施例主从机器人遥操作方法流程图。

图2是本发明实施例UR5坐标系图。

图3是本发明实施例UR5构型图。

图4是本发明实施例Irb2400坐标系图。

图5是本发明实施例Irb2400构型图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

图1所示，一种主从机器人遥操作方法的步骤如下：A1.主端机器人发出指令；A2.确定主端机器人的自由度，建立虚拟分解矩阵单元；A3.确定从端机器人的自由度，建立虚拟分解矩阵单元；A4.相同数量的虚拟分解矩阵单元，将根据下列式子可生成相同数量的虚拟关节,

V_i ^X为虚拟分解矩阵单元，S^X(t)为状态向量，M为主端机器人，S为从端机器人；A5.主从端机器人相对应的虚拟关节组成虚拟关节对；A6.将所有虚拟关节对的相似度矩阵进行相加，形成虚拟关节的映射，将上述发出的指令转化为从端机器人的指令，从而实现对从端机器人的控制。

图2和图3所示，UR5为主端机器人，是六个自由度的机器人，图4和图5所示，Irb2400为从端机器人，也是六个自由度的机器人，下面将具体介绍实现情况：

UR5和Irb2400的运动映射实验中，主端(UR5)和从端(Irb2400)具有相同的自由度(m＝n＝6)。

虚拟分解矩阵单元的表达式：

其中i＝1,2,…,l，i为自由度，且X＝M,S，且M为主端机器人，S为从端机器人；

是操控端第i个虚拟关节包含的自由度的数目,

是从端第i个虚拟关节包含的自由度的数目,m为主端的自由度的数量，n为从端的自由度的数量，m＝n＝6。

我们定义UR5有5个虚拟分解矩阵单元和Irb2400有5个虚拟分解矩阵单元，表达式如下式：

根据UR5和Irb2400的虚拟分解矩阵单元分析，每行有且仅有一个1元素，而每列最多有一个1元素，其余均为零，I₆表示阶数为6×6的单位阵。

UR5和Irb2400有相同数量的虚拟分解矩阵单元，根据下列式子生成相同数量的虚拟关节：

为虚拟关节，S^X(t)为状态向量。

上述主从端机器人相对应的虚拟关节组成虚拟关节对，针对第i对虚拟关节对(i＝1,2,…l)，可以定义如下运动相似度度量矩阵：

其中，

是虚拟关节

随时间的导数，

反映的是构型上的相似性，

反映的是运动趋势上的相似性，而0<α<1是权重因子，

表示的是主端与从端机器人的虚拟关节在静态下的运动相似性，

表示的为主从端之间的动态相似性。

UR5和Irb2400的运动映射实验中，我们不关心运动趋势上的相似性，只关注构型上的相似性，因此每个虚拟关节对相似度度量矩阵如下：

其中，

指的是B坐标系相对于A坐标系的旋转矩阵，而

指的是从A坐标系原点到B坐标系原点的位置变换。从式子(1)可以看到，前三个虚拟关节，实质上就是一一对应了机器人的前三个自由度。但第四个和第五个虚拟关节就不一样了：第四个虚拟关节包含了机器人的后三个自由度；第五个虚拟关节则包含了机器人的全部六个自由度。这两个虚拟关节是由多个自由度组合起来的概念。那么如何衡量第四个虚拟关节的相似度呢？这里的方式就是考虑机器人从第三个自由度的末端到第六个自由度的末端的变化情况，这个变化情况的相似程度表示了第四个虚拟关节的相似度，所以这里取的是原机器人从第三个自由度到第六个自由度的姿态旋转矩阵

同理，第五个虚拟关节反应的是从机器人基座到末端的位置变换的相似性，反应的是机器人末端在任务空间的位置同步性能，所以取的是从基座到末端的位置变换阵

机器人基座表示第零个自由度，机器人末端表示第六个自由度。Frame3表示第3个自由度的关节坐标系，Frame6表示第3个自由度的关节坐标系，Frame0表示基座的关节坐标系。

UR5和Irb2400的所有虚拟关节对相似度度量矩阵进行相加，得到UR5和Irb2400之间总的运动相似度量矩阵，形成虚拟关节映射，其表达式为：

其外界约束按照Irb2400的各关节限位进行处理：

Irb2400一共6个关节角，表示为

至

这里式(6)表示的是机器人Irb2400的各个关节角约束，第一个式子表示的第一个关节角的转动范围为-π到π，第二个式子表示第二个关节角的转动范围为

到

第三个式子表示第二个关节角的转动范围为

到

第四个式子表示的第一个关节角的转动范围为-π到π，第五个式子表示第二个关节角的转动范围为

到

第六个式子表示的第一个关节角的转动范围为-π到π。

试验中，第Irb2400和UR5的前三个自由度完全相同，即i＝1,2,3,有

根据式子(1)至(5)可知前三个虚拟关节对的相似度度量矩阵达到最小值，此时前三个虚拟关节对的相似度度量矩阵度量方法转化为传统的关节空间矩阵度量法。所述传统的关节空间矩阵度量法为：遥操作时，将主端机器人各个关节角的角度(或者角速度)直接作为指令发送至从端机器人相对应的关节，那么主从端机器人将完全一致地复现主端机器人的动作，这样很好地实现了主从端的映射。

第六个自由度相对于第三个自由度的朝向达到一致时，根据式子(4)可知第六个自由度相对于第三个自由度的旋转矩阵为最小值，因此第四个虚拟关节对的相似度度量矩阵达到最小值。

Irb2400与UR5的末端位置在笛卡尔空间实现同步，即l＝1，V₁ ^M＝I_m,V₁ ^S＝I_n，且考虑度量标准选择末端位置，根据式子(4)可知第五个虚拟关节对的相似度度量矩阵会达到最小值，此时第五个虚拟关节对的相似度度量矩阵度量方法转化为传统的基于笛卡尔空间的度量方法。所述的传统的基于笛卡尔空间的度量方法为：首先得到主端机器人末端在笛卡尔空间的位姿，通过工作空间的映射后，转化为从端机器人末端在笛卡尔空间的位姿指令，之后通过运动学逆解，解算得到从端机器人的关节角指令对从端机器人进行控制。

实验中选取四组不同的权重因子，对运动映射效果进行比较：

实验结果描述：第一组权重因子set#1里面k1、k2、k3、k4选为1，k5选为0，表示我们在这组实验中，关注的是前四个虚拟关节的同步性，第5个虚拟关节的同步性不做考虑。从式子(1)和式子(5)可以看出，前三个虚拟关节实质上一一对应机器人的前三个关节自由度，第四个虚拟关节是机器人后三个关节自由度的集合，因此虚拟关节映射是Irb2400与UR5在前三个关节在关节空间保持一致，同时也保证Irb2400的末端与UR5的末端相对于第三个关节的朝向也保持一致。第二组权重因子中，k1、k2、k3、k4全选为0，k5选为1，表示我们只关心第五个虚拟关节的同步性，而第5个虚拟关节表示的是机器人末端相对于其基座标系在任务空间(笛卡尔空间)的位置，因此Irb2400与UR5的构型同步性在这里并没有特别的约束，也就是说在这组参数下，虚拟关节映射是保证Irb2400与UR5末端位置的同步性。第三组权重因子set#1里面k1、k2、k3、k5选为1，k4选为0，表示我们在这组实验中，关注的是前三个虚拟关节的同步性和第5个虚拟关节，第4个虚拟关节的同步性不做考虑。从式子(2)和式子(4)可以看出，所述虚拟关节的映射除了保证端点的跟随性，还保证了前三个关节构型的相似性。以此类推分析，第四组参数，虚拟关节的映射是前三个关节构型，末端朝向以及笛卡尔空间都得到了同步。

综上，本发明提供一种主从机器人遥操作方法，与现有技术相比，上述方法,主端机器人发出指令，利用虚拟关节映射，把主端机器人的指令转化成从端机器人的指令，从而对从端机器人进行控制，保证主从端机器人在任务空间的同步性，同时还保证在构型上的相似性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种主从机器人遥操作方法，包括步骤如下：

A1.主端机器人发出指令；

A2.确定主端机器人的自由度，建立虚拟分解矩阵单元；

A3.确定从端机器人的自由度，建立虚拟分解矩阵单元；

A4.相同数量的虚拟分解矩阵单元，将根据下列式子可生成相同数量的虚拟关节：

其中，i＝1,2,…,l，X＝M,S；

V_i ^X为虚拟分解矩阵单元，S^X(t)为状态向量，M为主端机器人，S为从端机器人，

为虚拟关节，i为自由度，X＝M,S表示X的取值情况为M和S；

A5.主从端机器人相对应的虚拟关节组成虚拟关节对；

A6.将所有虚拟关节对的相似度矩阵进行相加，形成虚拟关节的映射，将上述发出的指令转化为从端机器人的指令，从而实现对从端机器人的控制。

2.根据权利要求1所述主从机器人遥操作方法，所述虚拟分解矩阵单元V_i ^X的表达式为：

是主端第i个虚拟关节包含的自由度的数目,

是从端第i个虚拟关节包含的自由度的数目,m为主端的自由度的数量，n为从端的自由度的数量；

所述虚拟分解矩阵单元V_i ^X，每行有且仅有一个1元素，而每列最多有一个1元素，其余均为零。

3.根据权利要求2所述主从机器人遥操作方法，其特征在于，通过多个所述虚拟分解矩阵单元建立虚拟分解矩阵，所述虚拟分解矩阵定义如下：

其中，X＝M,S。

4.根据权利要求2所述主从机器人遥操作方法，其特征在于，通过所述虚拟关节对的相似性对主从端机器人运动相似度进行度量，运动相似矩阵定义如下：

其中，

是虚拟关节

随时间的导数，0<α<1，而α是权重因子，

表示的是主端与从端机器人的虚拟关节在静态下的运动相似性，

表示的为主从端之间的动态相似性。

5.根据权利要求4所述主从机器人遥操作方法，其特征在于，所述权重因子α决定了主从端机器人的虚拟关节在静态下的运动相似度与主从端机器人的虚拟关节在动态下的运动相似度的相对权重。

6.根据权利要求4所述主从机器人遥操作方法，其特征在于，所述虚拟关节映射转化成一个最优化表达式为：

所述k_i为第i个虚拟关节的权重因子。

7.根据权利要求6所述主从机器人遥操作方法，其特征在于，所述的i＝1,2,…,l，

所述的虚拟关节映射转化为传统的关节空间矩阵度量法。

8.根据权利要求6所述主从机器人遥操作方法，其特征在于，所述l＝1，V₁ ^M＝I_m,V₁ ^S＝I_n，所述I_m表示阶数为m×m的单位阵，所述I_n表示阶数为n×n的单位阵，所述的虚拟关节映射转化为传统的基于笛卡尔空间的度量方法。

9.根据权利要求1所述主从机器人遥操作方法，其特征在于，所述主端机器人和从端机器人的构型不一致。

Images