一种主从异构型遥操作机器人的混合工作空间映射方法

技术领域

本发明属于遥操作机器人技术领域，具体涉及一种主从异构型遥操作机器人的混合工作空间映射方法。

背景技术

随着现代工业技术的发展，机器人在生产生活中得到了广泛应用。在一些复杂或恶劣环境下，人难以直接进行作业。虽然现代机器人技术正在快速发展，但距离全自主机器人在各种环境中得到应用还存在一定的距离。因此，工作在人与机器人交互方式下的遥操作机器人技术成为了一种有效的解决方案。面对复杂情况，例如太空或深海探索、远程微创手术、核电站维护等，主从遥操作机器人技术扩展了人的活动范围，允许操作者在安全环境中操作从机器人完成作业任务。操作者通过主端机器人发出控制信号，经过无线电波、计算机网络等传输媒介传递到从端机器人，从端机器人根据指令进行作业，同时向主端机器人反馈工作状态，操作者可以根据反馈信息做出后续的决策。典型的遥操作机器人系统由操作者、主机器人、主控制器、通信通道、从控制器、从机器人和环境等几部分组成。根据遥操作机器人系统主从设备结构形式，可分为主机器人与从机器人结构相同的主从同构型遥操作机器人系统和主机器人与从机器人结构不同的主从异构型遥操作机器人系统。不同于通用性较差的主从同构遥操作机器人系统，主从异构型遥操作机器人系统由于主从结构形式多样，大大扩展了主从设备的可选范围，提高了遥操作机器人系统的实用性，扩大了遥操作机器人的应用范围。

目前由于主端机器人结构形式多样，部分遥操作机器人无法采用关节空间-关节空间的映射方式，为了增加通用性，故提出基于笛卡尔空间的工作空间映射方案。常见的主从异构型遥操作机器人系统工作空间映射方法有常比例映射方法、变比例映射方法、工作空间漂移映射方法、速率映射方法等，单一的位置映射存在精确度问题，速率映射则无法准确定位，不能及时换向。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明将从端机器人的工作空间划分为远区和近区，设计出一种混合工作空间映射方法，以克服主端小工作空间与从端大工作空间的映射问题，并实现了混合映射方法的平稳过渡，本发明采用如下的技术方案：

一种主从异构型遥操作机器人的混合工作空间映射方法，包括如下步骤：

步骤S1：将从端机器人的工作空间划分为远离目标的区域和靠近目标的区域；

步骤S2：从端机器人在远离目标的区域运动时，采用常比例绝对式工作空间映射方法；

步骤S3：当从端机器人从远离目标的区域运动到靠近目标的区域时，从常比例绝对式工作空间映射，切换到基于位姿分离的变比例增量式工作空间映射；

步骤S4：当从端机器人从靠近目标的区域运动到远离目标的区域时，从基于位姿分离的变比例增量式工作空间映射，切换到常比例绝对式工作空间映射。

进一步地，所述步骤S1中，将从端机器人的工作空间划分为远离目标的区域和靠近目标的区域，采用以下公式作为划分依据：

其中，X

进一步地，所述步骤S2中的常比例绝对式工作空间映射方法，是通过获取主端机器人的位姿信息，采用以下公式进行计算，得到从端机器人对应的末端位姿：

X

其中，X

计算出对应的从端机器人末端位姿后，通过逆运动学求解从端机器人关节角。为了快速求解，采用解析法进行逆运动学求解，并采用最佳柔顺法则确定8组解中的最优解。

进一步地，所述步骤S3中，采用特定的绝对式-增量式过渡方式，将常比例绝对式工作空间映射，切换到基于位姿分离的变比例增量式工作空间映射，绝对式-增量式过渡方式具体为：分别获取切换时刻t

其中，

基于从端机器人末端位姿，通过逆运动学求解从端关节角，发送至从端机器人进行控制。

进一步地，所述步骤S4中，采用特定的增量式-绝对式过渡方式，将基于位姿分离的变比例增量式工作空间映射，切换到常比例绝对式工作空间映射，从而完成整个工作空间映射，增量式-绝对式过渡方式具体为：获取切换时刻t

其中，

计算得到对应的主端机器人位姿后，将所述位姿发送给主端机器人使其运动到该位姿，在此期间，保持从端机器人静止，使主端机器人运动到该位姿，然后进行常比例绝对式工作空间映射。在整个切换过程中，从端机器人末端位置不会发生突变，保证了过渡过程的平滑，避免了冲击和失稳。

进一步地，在基于位姿分离的变比例增量式工作空间映射中，为了满足部分精细任务，自定义的比例系数K可以取很小，导致主端机器人的工作空间不能满足需求，因此设计主从机器人解耦功能，当主端机器人运动到工作空间边界时，中控电脑键盘输入切换键即可解耦主从机器人，使主从机器人保持映射关系，但是从端机器人不运动，调整主端机器人的位置后，结束解耦即可，该过程中从端机器人末端位置不会发生突变。

一种主从异构型遥操作机器人，包括主端机器人、从端机器人和中控电脑，所述不同的结构，即连杆长度不同、自由度不同、关节角运动范围不同，所述中控电脑分别与主、从端机器人连接，将从端机器人的工作空间划分为远离目标的区域和靠近目标的区域；从端机器人在远离目标的区域运动时，进行常比例绝对式工作空间映射；当从端机器人从远离目标的区域运动到靠近目标的区域时，从常比例绝对式工作空间映射，切换到基于位姿分离的变比例增量式工作空间映射；当从端机器人从靠近目标的区域运动到远离目标的区域时，从基于位姿分离的变比例增量式工作空间映射，切换到常比例绝对式工作空间映射。

进一步地，所述中控电脑的常比例绝对式工作空间映射，是通过获取主端机器人的位姿信息，采用以下公式进行计算，得到从端机器人对应的末端位姿：

X

其中，X

计算出对应的从端机器人末端位姿后，通过逆运动学求解从端机器人关节角，并将从端机器人关节角发送至从端机器人。为了快速求解，采用解析法进行逆运动学求解，并采用最佳柔顺法则确定8组解中的最优解。

进一步地，所述中控电脑，采用特定的绝对式-增量式过渡方式，将常比例绝对式工作空间映射，切换到基于位姿分离的变比例增量式工作空间映射，绝对式-增量式过渡方式具体为：分别获取切换时刻t

其中，

基于从端机器人末端位姿，通过逆运动学求解从端关节角，发送至从端机器人进行控制。

进一步地，所述中控电脑，采用特定的增量式-绝对式过渡方式，将基于位姿分离的变比例增量式工作空间映射，切换到常比例绝对式工作空间映射，从而完成整个工作空间映射，增量式-绝对式过渡方式具体为：获取切换时刻t

其中，

计算得到对应的主端机器人位姿后，发送给主端机器人使其运动到该位姿，在此期间，保持从端机器人静止，使主端机器人运动到该位姿，然后进行常比例绝对式工作空间映射。在整个切换过程中，从端机器人末端位置不会发生突变，保证了过渡过程的平滑，避免了冲击和失稳。

本发明的优势和有益效果在于：

本发明与常见的其他遥操作系统工作空间映射方法(如常比例映射、变比例映射、速率映射、工作空间漂移映射等)相比，能够同时满足大范围运动的灵活性与操作手感和局部精细操作的精准定位，充分利用主从机器人的工作空间。所提出的混合映射方法基于笛卡尔空间，对主从异构型遥操作机器人的适用性更好。本发明在空间大范围自由运动和局部精细操作时分别采用常比例绝对式工作空间映射方法和基于位姿分离的变比例增量式工作空间映射方法，并在两种映射方法切换时，设计了平滑的过渡方法，避免了冲击和失稳。

附图说明

图1是本发明主从异构型遥操作机器人的连接示意图。

图2a是本发明实施例中主端机器人工作空间的三维点云图及其在三个平面的投影图。

图2b是本发明实施例中从端机器人工作空间的三维点云图及其在三个平面的投影图。

图3是本发明的混合工作空间映射方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明的目的在于解决主从异构型遥操作机器人因主从端构型和工作空间差异大造成的映射匹配难问题，为了使从端机器人既能在空间大范围运动时具有良好的操作手感又能完成局部的精细操作，同时考虑两种映射方法过渡的平稳性，设计了一种基于笛卡尔空间的混合工作空间映射方法。

本发明实施例所采用的遥操作系统平台，硬件上主端机器人选用ForceDimension公司的力反馈设备sigma.7，从端机器人选用艾利特机器人公司的EC66六轴协作机器人，通信采用路由器组建的局域网，软件平台基于机器人操作系统ROS，算法的实现采用Visual Studio Code软件。

如图1所示，主从异构型遥操作机器人包括主端机器人、从端机器人和中控电脑，中控电脑采集主端机器人末端的位姿数据后，通过中控电脑进行映射计算和解析计算后，得到从端机器人各个关节的角度，将控制信号发送到从端机器人即可。

图2a为主端机器人工作空间的三维点云图及其三个平面的投影图，图2b为从端机器人工作空间的三维点云图及其三个平面的投影图。

如图3所示，混合工作空间映射方法包括如下步骤：

步骤S1：从端机器人工作空间划分。

采用以下公式将从端机器人的工作空间划分为远离目标的区域和靠近目标的区域：

其中，X

本发明实施例中，X

步骤S2：常比例绝对式工作空间映射。

主端机器人sigma.7具有7个自由度，该设备是以并联结构为基础，并附加有串联结构的混联机器人，平移和旋转运动相互解耦。从端为具有6自由度的六轴协作机器人。从端机器人在远离目标的区域大范围自由运动时，采用常比例绝对式工作空间映射方法。根据主从机器人的连杆参数信息以及角度限位，在MATLAB软件中建立机器人模型，使用蒙特卡洛法计算各自的工作空间。为了使主端机器人最大可能覆盖从端机器人运动范围，需要对主端机器人的工作空间进行一定的旋转、偏移和放大。本发明实施例中，采用以下公式进行计算从端机器人的末端位姿：

X

其中，

步骤S3：从常比例绝对式工作空间映射切换到基于位姿分离的变比例增量式工作空间映射。

主端机器人sigma.7末端具有夹持器，并且可以实现按钮行为模拟，将其功能定义为按下并松开按钮时，进行工作空间映射模式的切换。因此，当从端机器人在靠近目标的区域运动时，操作者可按下自定义的模式切换键，进入基于位姿分离的变比例增量式工作空间映射。记录切换时刻t

其中，R

步骤S4：从基于位姿分离的变比例增量式工作空间映射切换到常比例绝对式工作空间映射。

当完成精确定位或夹取后，操作者可以再次按下切换按键进行工作空间映射模式的切换。获取切换时刻t

其中，

主从机器人解耦。

在基于位姿分离的变比例增量式工作空间映射中，为了满足部分精细任务，自定义的比例系数K可以取很小，导致主端机器人的工作空间不能满足需求。因此设计主从机器人解耦功能，当主端机器人运动到工作空间边界时，中控电脑键盘输入切换键即可解耦主从机器人，使主从机器人保持映射关系，但是从端机器人不运动。调整主端机器人的位置后，结束解耦即可，该过程中从端机器人末端位置不会发生突变。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。