CN111745643A - 主机器人和从机器人遥操作***位置控制方法 - Google Patents

主机器人和从机器人遥操作***位置控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及属于机器人遥操作控制技术领域，特别涉及主机器人和从机器人遥操作***位置控制方法。本发明公开了一种主机器人和从机器人遥操作***位置控制方法，包括如下步骤：a、将遥操作分为***阶段和交互运动阶段；b、***阶段使用快速控制模式：将从机器人位置分量Xv设置为0，根据主机器人和从机器人的运动范围设置位置比例系数kx；c、交互运动阶段采取精细控制模式：位置比例系数kx≤1。本发明的有益效果是，在保证主机器人和从机器人工作空间高度覆盖的同时，提高遥操作运动位置控制精度；进一步的，反馈引导力的引入能够有效保证控制的安全性；控制***成本低，控制流程简单、有效。

Description

主机器人和从机器人遥操作***位置控制方法
技术领域
本发明涉及属于机器人遥操作控制技术领域，特别涉及主机器人和从机器人遥操作***位置控制方法。
背景技术
主机器人和从机器人遥操作***使操作者可以通过主机器人来操作从机器人与环境交互，广泛应用于空间和水下等远程环境、人体微创手术等操作空间有限的环境、以及核电站和工厂等危险的环境。由于主机器人和从机器人都具有多样性，因而扩大了遥操作***的应用范围，同时也提高了遥操作***的实用性。然而，与从机器人的工作空间相比，由于主机器人工作空间通常在物理上受到限制，因此使用工作空间有限的主机器人来精确、安全地远程操作工作空间大的从机器人是一个挑战。
相关领域关于遥操作***位置控制技术的文献主要有：
1、文献[Ju Zhangfeng,Yang Chenguang,Li Zhijun,et al.Teleoperation ofhumanoid baxter robot using haptic feedback[C]//2014International Conferenceon Multisensor Fusion and Information Integration for Intelligent Systems(MFI).Piscataway，NJ:IEEE Press,2014:1-6.]为统一比例系数的位置控制方案，通过计算出主机器人和从机器人各自的工作空间大小，然后选取合适的比例系数来扩大主机器人的工作空间，使其与从机器人的工作空间高度覆盖。然而，其存在的问题是当比例系数太小时，从机器人可利用的工作空间也会变小，即从机器人的末端执行器可达范围也会变小；当比例系数过大时，从机器人的实际运动轨迹也会成比例的放大，这样运动控制的精度就降低了。
2、文献[S.Grange,F.Conti,P.Helmer,P.Rouiller,C.Baur,"The Delta HapticDevice as a Nanomanipulator",SPIE Microrobotics and Microassembly III,November 2001.]在主机器人端选取一个运动原点，使从机器人的速度和主机器人实时位置与运动原点位移之差成正比，使用这种控制方法也能实现主机器人和从机器人工作空间的大幅度覆盖，然而，其存在的问题是主机器人和从机器人的工作空间不再对应，无法进行精确定位，也无法进行快速的方向改变。
3、中国专利申请《异构机器人遥操作***位置和速度同步控制方法》(专利申请号：201810680814.2)通过操作主机器人进行位置移动，并适当地提高主机器人末端执行器的速度。该方法虽然对主机器人和从机器人的工作空间进行了匹配，但是不能克服在空间匹配时带来的位置控制精度问题。因为在空间匹配时，从机器人的位置就会成比例系数的放大，控制精度就会降低。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种主机器人和从机器人遥操作***位置控制方法，能使主机器人和从机器人工作空间在高度覆盖的同时可以保证遥操作控制的精度，这在遥操作的实际应用中具有重要意义。
为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种主机器人和从机器人遥操作***位置控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、将遥操作分为***阶段和交互运动阶段；
b、***阶段使用快速控制模式：将从机器人位置分量Xv设置为0，根据主机器人和从机器人的运动范围设置位置比例系数kx；
c、交互运动阶段采取精细控制模式：位置比例系数kx≤1。
进一步的，步骤b中，位置比例系数kx＝Cs/Cm；其中，Cs为从机器人运动范围，Cm为主机器人运动范围。
具体的，所述位置控制方法表示为：
Xs＝kxXm+Xn+Xv
Figure BDA0002513324470000031
其中，XS为从机器人位置，Xm为主机器人位置，Xn为位置常量，X0为交互模式的原点，Vm为主机器人速度，kv为速度比例系数，vo为设定的主机器人速度阈值。
进一步的，还包括步骤：
d、引入反馈引导力Fm，以便能使操作者更加安全的进行遥操作作业。
具体的，反馈引导力Fm由下式确定：
Fm＝FL+FV；
其中FL是与距离L成反比的力，L为从机器人末端执行器与目标物之间的距离，FV是与主机器人速度相关的力。
具体的，FL由下式计算：
Figure BDA0002513324470000032
其中KL为距离比例常量，L0为距离常量，L为从机器人末端执行器与目标物的距离。
具体的，FV由下式计算：
FV＝-KdVm
其中Kd为速度比例常量，Vm为主机器人的速度。
根据本发明技术方案及其在某些实施例中进一步改进的技术方案，本发明具有如下有益效果：
1、在保证主机器人和从机器人工作空间高度覆盖的同时，提高遥操作运动位置控制精度；
2、反馈引导力的引入能够有效保证控制的安全性；
3、控制***成本低，控制流程简单、有效。
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。
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。
本发明主机器人和从机器人遥操作***控制原理如图1所示，包括操作者、主机器人、通信通道、从机器人和环境(图中未示出)。
操作者作用于主机器人产生主机器人的位置信息Xm和速度信息Vm，通过本发明的控制方法控制从机器人位置的位置信息Xs和反馈引导力Fm。
本发明主机器人和从机器人遥操作***位置控制方法，将遥操作分为***和交互两个阶段，根据两个阶段的不同特性分别设计快速控制模式与精细控制模式两种不同的控制模式。
首先在***阶段，通过快速控制模式使主机器人与从机器人的工作空间范围最大限度的重合，使主机器人可操控的从机器人运动范围最大化。在***阶段结束之后，采用精细控制模式，使主机器人和从机器人的实际位置轨迹准确的跟随，提高遥操作任务的精度。以下将详细介绍两个阶段及其对应的控制模式。
***阶段可视为主机器人控制从机器人运动到目标物附近位置的控制问题。***阶段采用快速控制模式，将从机器人位置分量Xv设置为0，即XS＝kxXm+Xn，位置比例系数kx设置为合适的值使得主机器人和从机器人的工作空间高度覆盖。kx的值由主机器人和从机器人在XYZ方向上的运动范围大小确定，即主机器人和从机器人工作空间缩放倍数。
快速控制模式可以控制从机器人快速、较准确的到达目标位置，但为了尽可能大地覆盖从机器人的工作范围，使用了大的位置比例系数kx，通常可以选择位置比例系数kx＝Cs/Cm，其中，Cs为从机器人运动范围，Cm为主机器人运动范围。一般情况下，快速控制模式不能有效用于交互阶段进行精细的操作。
交互阶段是从机器人逐渐接近目标物并与环境交互的过程，需要更高的运动控制精度和更佳的遥操作感。当采用精细控制模式时，为了使主机器人和从机器人工作空间中心重合，需要移动一个位置常量Xn，此时主机器人的位置被记录为X0，作为此阶段主机器人的运动原点。精细控制模式中，位置比例系数kx设置为1或更小。考虑到小的映射比例系数会使得主机器人的位置Xm的值映射到从机器人之后变得更小，相对于工作范围更大的从机器人而言，可能会导致遥操作的响应变得缓慢，因此需要更大的主机器人移动才能获得期望的从机器人位置Xs，为此，增加了与主机器人速度Vm成比例的位置Xv，对从机器人进行位置-速度混合控制。
当操作者作用于主机器人时，主机器人会产生位置Xm和速度Vm，从机器人的位置Xs由Xm和Vm共同决定。本发明的控制方法可以用数学公式表述为：
Xs＝kxXm+Xn+Xv
Figure BDA0002513324470000051
其中，XS为从机器人位置，Xm为主机器人位置，Xn为位置常量，X0为交互模式的原点，Vm为主机器人速度，kv为速度比例系数，vo为设定的主机器人速度阈值。当速度降到设定阈值vo以下时，Xv＝0，以保证更高的精度。
在有效进行遥操作任务的基础上，进一步考虑到在实际应用过程中，从机器人接近目标物和与环境交互的过程不仅需要考虑遥操作控制的运动精度，遥操作过程的安全性也是重要的考虑因数，因此这里进一步引入反馈引导力Fm，以便能使操作者更加安全的进行遥操作作业。
反馈引导力Fm是距离相关的力与速度相关的力的组合，表示如下：
Fm＝FL+FV
其中，FL是与距离L成反比的力，L为从机器人末端执行器与目标物之间的距离，FL可由下式计算：
Figure BDA0002513324470000061
KL为距离比例常量，L0是距离常量，且为能产生FL的最大距离。
FV是与主机器人的速度相关的力，通过下式计算:
FV＝-KdVm
其中，Kd为速度比例常量。当机器人速度太快时，FV会使操作员更难加速，确保安全的操作，当从机器人过于接近目标物时(即与目标物的距离小于设定的阈值L0时)，FL开始作用，防止发生从机器人与目标物的意外碰撞，避免机械臂以及目标物的损坏，整个反馈引导力的引入可以使操作者更好的控制速度，这在实际应用中具有重要意义。

Claims (7)

1.主机器人和从机器人遥操作***位置控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、将遥操作分为***阶段和交互运动阶段；
b、***阶段使用快速控制模式：将从机器人位置分量Xv设置为0，根据主机器人和从机器人的运动范围设置位置比例系数kx；
c、交互运动阶段采取精细控制模式：位置比例系数kx≤1。
2.根据权利要求1所述的主机器人和从机器人遥操作***位置控制方法，其特征在于，步骤b中，位置比例系数kx＝Cs/Cm；其中，Cs为从机器人运动范围，Cm为主机器人运动范围。
3.根据权利要求1或2所述的主机器人和从机器人遥操作***位置控制方法，其特征在于，所述位置控制方法表示为：
Xs＝kxXm+Xn+Xv
Figure FDA0002513324460000011
其中，XS为从机器人位置，Xm为主机器人位置，Xn为位置常量，X0为交互模式的原点，Vm为主机器人速度，kv为速度比例系数，vo为设定的主机器人速度阈值。
4.根据权利要求3所述的主机器人和从机器人遥操作***位置控制方法，其特征在于，还包括步骤：
d、引入反馈引导力Fm，以便能使操作者更加安全的进行遥操作作业。
5.根据权利要求4所述的主机器人和从机器人遥操作***位置控制方法，其特征在于，反馈引导力Fm由下式确定：
Fm＝FL+FV；
其中FL是与距离L成反比的力，L为从机器人末端执行器与目标物之间的距离，FV是与主机器人速度相关的力。
6.根据权利要求5所述的主机器人和从机器人遥操作***位置控制方法，其特征在于，FL由下式计算：
Figure FDA0002513324460000021
其中KL为距离比例常量，L0为距离常量，L为从机器人末端执行器与目标物的距离。
7.根据权利要求5所述的主机器人和从机器人遥操作***位置控制方法，其特征在于，FV由下式计算：
FV＝-KdVm
其中Kd为速度比例常量，Vm为主机器人的速度。
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