机器人遥控操作系统和方法

技术领域

本申请涉及机器人领域，特别是涉及一种机器人遥控操作系统和方法。

背景技术

随着科技的发展，机器人被广泛应用于各种领域，且具有不同的类型和结构。例如关节型机器人，其具有例如多个可旋转的关节，以实现在一定空间范围内的运动。

机器人的控制可以通过人工遥控机器人实现，在一种实现方式中，遥控操作机器人需要一个供人工操作主机器人，以及一个配置为跟随主机器人动作的从机器人。在一个应用场景中，通过人工示教遥控机器人进行运动，并基于在示教过程中产生的数据进行编程，示教的结果可以生产机器人后续自动执行的操作指令。在另一应用场景中，针对机器人难以自动运行或编程极为复杂的工作环境，可以通过遥控操作机器人以辅助机器人在该环境下的相应作业。

现有遥控操作机器人的技术中，由于通讯原因或环境原因等，可能导致从机器人的意外运动或操作员的过度驱动，并因此在从机器人和工件或障碍物之间产生过大的接触力，其可能导致工件或机器人损坏。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种机器人遥控操作系统、方法、计算机设备和存储介质。

本申请一方面提供一种机器人遥控操作系统，包括：主机器人、从机器人以及控制系统。控制系统配置为使得从机器人跟随主机器人的运动而运动。控制系统进一步配置为：确定系数K，以及基于主机器人上的参考点与从机器人上与参考点对应的选定点之间的位移差值以及系数K确定从机器人输出在选定点上的控制力F。

在一个实施例中，控制系统配置为确定系数K使得控制力F中的一部分F

在一个实施例中，当控制力F中的一部分F

在一个实施例中，控制系统进一步配置为：当控制力F中的一部分F

在一个实施例中，控制系统配置为在主机器人与从机器人之间建立虚拟阻抗控制关系，并基于以下条件确定控制力F：

其中，

控制力F中的一部分F

其中，x

在一个实施例中，所示控制系统进一步配置为：当控制力F中的一部分F

或者

其中，F

在一个实施例中，所示控制系统进一步配置为：当从机器人处于静态时，基于以下公式计算系数K:

在一个实施例中，控制系统进一步配置为基于控制力F中的一部分F

在一个实施例中，选定点位于从机器人的从末端执行器上，参考点位于主机器人的主末端执行器上。

在一个实施例中，控制系统配置为以预定频率持续计算和调节控制力F。

本申请另一方面提供一种机器人遥控操作方法，包括：获取主机器人上选定点的位移以及从机器人上与参考点对应的选定点的位移；以及确定系数K，基于参考点的位移与选定点的位移之间的位移差值以及系数K确定从机器人输出在选定点上的控制力F。

在一个实施例中，确定从机器人输出在选定点上的控制力F包括确定系数K使得控制力F中的一部分F

在一个实施例中，确定从机器人输出在选定点上的控制力F包括：当控制力F中的一部分F

在一个实施例中，当控制力F中的一部分F

在一个实施例中，确定从机器人输出在选定点上的控制力F包括在主机器人与从机器人之间建立虚拟阻抗控制关系，并基于以下条件确定控制力F：

其中，

控制力F中的一部分F

其中，x

在一个实施例中，确定系数K使得控制力F中的一部分F

或者

其中，F

在一个实施例中，当控制力F中的一部分F

在一个实施例中，方法进一步包括基于控制力F中的一部分F

在一个实施例中，选定点位于从机器人的从末端执行器上，参考点位于主机器人的主末端执行器上。

在一个实施例中，方法进一步包括以预定频率持续计算和调节控制力F。

本申请再一方面提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中储存有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行以上基于任一实施例的方法的步骤。

本申请再一方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以上基于任一实施例的方法的步骤。

本发明的一个或多个实施例的细节在下面的附图和描述中提出。本发明的其它特征、目的和优点将从说明书、附图以及权利要求书变得明显。

附图说明

结合描述本申请的各种实施例的附图，通过对本申请的各个方面的以下详细描述，将更容易理解本申请的和其他特征。

图1为本申请一个实施例的机器人遥控操作系统的示意图；

图2为本申请一个实施例的机器人遥控操作系统的架构图；

图3为图1所示实施例的机器人遥控操作系统中选定点与参考点发生位移偏差时的示意图；

图4为本申请一个实施例的机器人遥控操作方法的流程图；

图5为本申请一个实施例的计算机设备的内部结构图。

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式做详细的说明。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。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本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例的限制。

本申请提供一种的机器人遥控操作系统，包括主机器人、从机器人及控制系统。其中控制系统配置为使得从机器人跟随主机器人的运动而运动，同时控制系统配置为确定系数K，并基于主机器人上的参考点的位移与从机器人上的与参考点对应的选定点的位移的差值以及系数K确定施加在选定点上的控制力F。

根据本申请的机器人遥控操作系统，在主机器人及从机器人上对应位置设置参考点和选定点，并基于选定点与参考点之间的位移差值以及系数K确定从机器人输出在选定点上的控制力F。在一些应用场景中，可以防止因控制力过大而导致从机器人的部件或外部物体如工件或障碍物受损的情况发生。

图1为本申请一个实施例的机器人遥控操作系统的示意图，图2为本申请一个实施例的机器人遥控操作系统的架构图。参图1和图2，机器人遥控操作系统10包括主机器人20、从机器人30以及与主机器人20和从机器人30通讯连接的控制系统40。控制系统40可以是主机器人20或从机器人30的自身控制系统，也可以是不同于机器人自身控制系统的独立控制系统。在结构设置上，控制系统40可以设置在主机器人20或从机器人30内部，或独立于主机器人20和从机器人30而实现远程控制。

主机器人20和从机器人30可以采用相同的结构。以从机器人30为例进行说明，其包括从末端执行器31以及多个首尾相连的手臂32，末端执行器31位于首尾相连的手臂32的末端。相邻手臂32之间以及手臂32与从末端执行器31之间形成关节33，各关节33配有驱动手臂32或从末端执行器31的驱动装置34，如电机。多个关节33可以保证从末端执行器31的多自由度运动。

在一个实施例中，控制系统40配置为确定系数K，使得控制力F中的一部分F

在一个实施例中，控制系统40配置为当控制力F中的一部分F

在一个实施例中，控制系统40进一步配置为当控制力F中的一部分F

在一实施例中，控制系统40于主机器人20与从机器人30之间提供一虚拟机械-阻抗系统50，用于通过主机器人20控制从机器人30，以辅助实现对从机器人30的遥控操作。此处需特别说明的是，该虚拟机械-阻抗系统50非实际存在的硬件结构，而是基于计算机执行的控制模型，该控制模型仅在逻辑上类似于现实中的机械-阻抗系统，在本申请中用于计算和确定施加在从机器人30上的力和扭矩。当主机器人20通过操作员的手动控制进行运动时，控制系统40配置为使得从机器人30跟随主机器人20的运动而运动。具体而言，控制系统40基于主机器人20运动产生的相关参数，同时结合虚拟机械-阻抗系统50生成控制从机器人30运动的指令，并基于该指令控制从机器人30的运动，即保持与主机器人20同样的姿态和位置。

可以理解的是，虚拟机械-阻抗系统50可以预先提供在控制系统40中，也可以在遥控操作过程中基于相应的参数实时建立和调整虚拟机械-阻抗系统50。

在该实施例中，参考点和选定点选择为主机器人20的主末端执行器21和从机器人30的从末端执行器31上的对应点。可以理解的是，在其他实施例中，根据需要可以将参考点和选定点设置在机器人的其他部件上。以下结合实施例对本申请的虚拟机械-阻抗系统50的应用作详细说明。

从末端执行器31在笛卡尔空间的动力学方程为：

其中，x为从末端执行器31的位移(通常采用工具中心点TCP为基准)，

应当理解，当从机器人未跟随主机器人运动时，F

可以理解的是，本申请所述的“选定点处”或“选定点上”的控制力或外力表示为从机器人输出的控制力或外力分别在该选定点处的等效力。

在一些实施例中，为实现虚拟机械-阻抗控制系统50，控制系统40进一步配置为动态地确定系数K，基于系数K及主末端执行器和从末端执行器之间的位移差值确定控制力F。在其中一实施例中，控制系统40将控制力主动配置使得：

其中，

可以理解的是，一些实施例中，系数K及虚拟阻尼系数D在可以是笛卡尔空间下的系数矩阵。

由于理论上期望选定点完全跟随参考点的运动，因此参考点的位移x

式(2)中的分量K(x

根据式1和式2，可以获得：

其中x

在引入了虚拟机械-阻抗系统后，根据公式(3)计算得到的F

在一个实施例中，控制系统40进一步配置为基于位移差值x

结合图3，当主末端执行器21处于匀速运动状态，而从末端执行器31和外界物体接触并处于静态时，

F

当主末端执行器21与从末端执行器31进一步达到稳态，即均处于静止或同步匀速运动时，

F

可见，在这些情况下，可以通过调节系数K，使得F

在一个实施例中，在F

当F

可以理解的是，本申请所描述的小于或等于一定阈值是指正常情况下可以确保外力F

从末端执行器31还可能存在与外界物体动态接触的情况，即在接触过程中，从末端执行器31处于变化的运动状态中。在动态情况下，根据式(3)，此时

在一实施例中，保持系数K值为K

其中，F

可以理解的是，在F

在一个实施例中，在F

即可以得到以下公式(8)：

同时，根据公式(6)和(7)，可得以下公式(9)：

可见，在从末端执行器31处于动态情况下，可以通过公式(8)或公式(9)确定系数K，使得F

即在从末端执行器31处于静态情况下，还可以通过公式(10)确定系数K，使得F

根据以上所描述的实施例，在F

在一个实施例中，控制系统40配置为基于F

在一些实施例中，作用在从末端执行器31上的控制力F包括至少一个关节的驱动装置产生的在从末端执行器31上的综合驱动力。在另一实施例中，控制力F包括直接驱动从末端执行器31的驱动装置所产生的力。

在一些实施例中，控制系统40配置为以预定频率持续计算和调节控制力F。该预定频率越高，从机器人30对主机器人20的运动的响应性越好，同时控制力F更为精确。

根据以上描述的一个实施例，控制系统40根据以式(2)配置控制力F，即控制力F包括虚拟弹簧分量以及虚拟阻尼器分量。可以理解的是，在其他实施例中，控制力F可以仅包括虚拟弹簧分量，或包括虚拟弹簧分量和其他分量的组合，其同样可以实现通过对系数K的调节时来控制从机器人31所受的F

本申请还提供了一种机器人遥控操作方法。结合以上对根据本申请各实施例的遥控操作系统的描述，以下对机器人遥控操作方法作相应说明。

如图4所示，本申请的机器人遥控操作方法包括：

S1：获取主机器人上参考点的位移以及从机器人上的与参考点对应的选定点的位移；以及

S2：确定系数K，基于主机器人上的参考点与从机器人的选定点之间的位移差值以及系数K确定从机器人输出在选定点上的控制力F。

在一实施例中，确定从机器人30输出在选定点上的控制力F包括确定系数K使控制力F中的一部分F

在一个实施例中，确定从机器人30输出在选定点上的控制力F包括当控制力F中的一部分F

在一个实施例中，当控制力F中的一部分F

在一个实施例中，确定从机器人输出在选定点上的控制力F包括在主机器人20与从机器人30之间建立虚拟阻抗控制关系，并基于以上公式(2)确定控制力F，基于公式(3)得到F

在一个实施例中，确定系数K使得控制力F中的一部分F

在一个实施例中，当从机器人30处于静态情况下，根据公式(10)确定系数K。

在一个实施例中，方法进一步包括基于F

在一个实施例中，选定点位于从机器人30的从末端执行器31上，参考点位于主机器人20的主末端执行器21上。

在一个实施例中，控制力F包括从机器人30的至少一个关节的驱动装置产生的作用在从末端执行器31的综合驱动力。

在一个实施例中，方法还包括以预定频率持续计算和调节控制力F。

本申请还提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是以上所描述的控制系统40，其内部结构图可以如图5所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现如以上描述的机器人遥控操作方法的步骤，该方法包括：

S1：获取主机器人上参考点的位移以及从机器人上的与参考点对应的选定点的位移；以及

S2：确定系数K，基于参考点的位移与选定点的位移之间的位移差值以及系数K确定从机器人输出在选定点上的控制力F。

在其他实施例中，计算机程序被处理器执行时可能实现的其他方法步骤以及方法步骤的进一步特征可参见以上的根据各实施例的机器人遥控操作方法，在此不另作赘述。

本领域技术人员可以理解，图5中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以上各实施例中的机器人遥控操作的方法，该方法包括，该方法包括：

S1：获取主机器人上参考点的位移以及从机器人上的与参考点对应的选定点的位移；以及

S2：确定系数K，基于参考点的位移与选定点的位移之间的位移差值以及系数K确定从机器人输出在选定点上的控制力F。

在其他实施例中，计算机程序被处理器执行时可能实现的其他方法步骤以及方法步骤的进一步特征可参见以上所述的根据各实施例的机器人遥控操作方法，在此不另作赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。