一种移动机械臂人机共享控制方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种移动机械臂人机共享控制方法和系统，包括上位机遥操作系统和下位机控制系统；上位机遥操作系统包括主工控机、与工控机电连接的机械臂主手以及共享控制器；下位机控制系统包括嵌入式工控机、机械臂从手；本发明专利技术实现了共享控制权重的动态变化，使模糊控制加入了操作环境限制问题的考量，通过共享控制减少对算法的完全依赖，从而使机械臂在操作环境受限的情况下，依旧能够完成对应的任务。务。务。

【技术实现步骤摘要】
一种移动机械臂人机共享控制方法和系统


[0001]本专利技术涉及一种机器人控制方法，尤其涉及一种移动机械臂人机共享控制方法和系统。

技术介绍

[0002]随着机器人控制技术不断发展，机器人智能化水平也在不断提升。在面对更复杂的工作环境或涉及精细操作的任务时，包含遥控控制和自主控制的传统控制方式无法满足对应的任务需求，故在机器人系统中引入人机共享控制，即结合操作者直接控制指令和机器人局部自主控制的方法，以此增强机器人在不同环境下的自适应性。目前的机器人共享控制系统中，一般由操作者对机器人的直接控制、机器人局部的自主控制以及二者相结合的共享控制组成。其中就操作者对机器人的直接控制而言，大多采用手动控制指令，即操作者通过键盘、遥感等设备直接控制机器人，但有时会受环境及系统时延的影响；而机器人的自主控制则采用路径规划、导航与定位等技术，高度依赖对应算法；共享控制部分则大多采用多模糊规则的机器人控制系统，共享控制方法以模糊控制、神经网络等方法为典型。
[0003]针对机器人(机械臂)的共享控制系统，在现有的共享控制方法中，由于受到自动化水平和传感器技术的限制，当存在环境限制的情况下，采用模糊控制方案来控制机械臂，任务完成度较低。例如当机器人工作环境发生改变时，受到智能模糊控制算法局限性的限制，共享控制系统的自适应性表现一般。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对以上间题，本专利技术提出一种移动机械臂人机共享控制方法和系统，实现了共享控制权重的动态变化，使模糊控制加入了操作环境限制间题的考量，通过共享控制减少对算法的完全依赖，从而使机械臂在操作环境受限的情况下，依旧能够完成对应的任务。
[0005]技术方案：本专利技术所采用的技术方案是一种移动机械臂人机共享控制系统，包括上位机遥操作系统和下位机控制系统；
[0006]上位机遥操作系统包括主工控机、与工控机电连接的机械臂主手以及共享控制器；下位机控制系统包括嵌入式工控机、机械臂从手；
[0007]所述机械臂从手设有传感器和3D相机，所述传感器采集第一状态信息并反馈给嵌入式工控机中的关节变化输出模块进行处理，所述关节变化输出模块输出机械臂从手的关节变化量，所述第一状态信息包括机械臂从手的末端执行器的自由度状态量；所述3D相机用于采集图像信息；
[0008]所述嵌入式工控机将所述关节变化量和图像信息传输至所述主工控机，所述主工控机处理图像信息得到机械臂从手与目标物间的距离；所述主工控机中的模糊控制器依据第二状态信息和模糊控制规则输出共享控制系数，并发送至共享控制器；所述第二状态信息包括机械臂从手的关节变化量和机械臂从手与目标物间的距离；
[0009]所述工控机向共享控制器发送主从控制指令；所述嵌入式工控机向共享控制器发送自主控制指令；所述共享控制器输出共享控制指令，并发送至机械臂从手，控制机械臂从手移动；
[0010]所述工控机设有人机交互界面。
[0011]该系统还包括移动平台，所述移动平台用于搭载机械臂从手，带动机械臂从手到达相应的位置。
[0012]所述共享控制器输出共享控制指令，所述共享控制指令S
c
为：
[0013]S
c
(η)＝(I
o
‑
I
A
)η+I
A
[0014]其中I
o
为主从控制指令，I
A
为机器人自主控制指令，η为共享控制系数。
[0015]所述机械臂主手和机械臂从手采用主从同构配置，针对主从同构机械臂采用基于关节空间映射控制的方式，将主端控制器的各个关节角度以一定比例同步映射到从关节空间内，控制机械臂从手作业。
[0016]机械臂从手的自主控制采取点对点的轨迹规划方式，配合PID控制器进行轨迹追踪；所述点对点的轨迹规划采用五次多项式进行规划。
[0017]一种应用于上述的移动机械臂人机共享控制系统的共享控制方法，所述关节变化输出模块通过机械臂从手的末端执行器的自由度计算关节变化量，计算式为：
[0018][0019]式中，ΔX为末端执行器的变化量矩阵，ΔQ表示关节变化量矩阵，q为通道量，包括关节的旋转角度和位移距离；n表示关节的个数，m为末端执行器的自由度个数；f表示末端执行器的自由度向量组中各元素与通道量q之间的映射，记为x＝f(q)；
[0020]模糊控制器的模糊规则包括：关节变化量越大对应共享控制系数越大，关节变化量越小对应共享控制系数越小；
[0021]控制器采用Mamdani模糊推理法实现模糊推理。
[0022]其模糊蕴含关系通过机械臂关节变化量Q与机械臂末端与目标物间的距离L的模糊集合和的笛卡尔合集求得模糊蕴含关系计算式为：
[0023][0024][0025]其中和分别表示机械臂关节变化量Q与机械臂末端与目标物间的距离L量化后在各自论域上的各个模糊集的隶属度，表示对输入对象进行模糊推理其蕴含关系所具有的隶属度，为共享控制系数量化后在其论域上的模糊集的隶属度，R
i
为每条模糊控制规则对应的蕴含关系；
[0026]模糊逻辑推理的总输出为：
[0027][0028]式中，其中为输入对象量化后各模糊集隶属度的交集，且i为模糊规则数。
[0029]对于机械臂关节变化量Q和机械臂与目标物间的距离L的模糊合集的隶属度函数，采用梯形隶属度函数与三角隶属度函数相结合的方式，在模糊集位于中间程度时采取三角形隶属度函数，而在两端极端程度则采用梯形隶属度函数。
[0030]对于共享控制系数η的模糊合集的隶属度函数，采用三角形隶属度函数和S型隶属度函数相结合的方式，在模糊集位于中间程度时采取三角形隶属度函数，而在两端极端程度则采用S型隶属度。
[0031]有益效果：相比于现有技术，本专利技术具有以下优点：本专利技术采用上下位机结构的控制系统，并确立一套人机共享控制方法，即基于操作者主从控制和机械臂轨迹追踪的人机共享控制。其中针对人机共享控制策略，采用一种关节变化输出器与模糊控制器相结合的方式，使机械臂在向目标物前进过程中，能够依据周围环境动态调整控制权重。同时在提出共享控制方法中，充分考虑机械臂相比其他机器人特殊之处，即各关节在运动过程中产生关节变化，包含角度变化和位移变化，通过调整关节变化量的方式，使机械臂控制系统在面对操作空间受限的环境下，能够依靠操作者的主从控制优化机械臂运行姿态从而完成任务，同时又不会增加系统算法的复杂程度。
附图说明
[0032]图1是移动机械臂人机共享控制系统总体框架；
[0033]图2是共享控制系数与操作模式关系图；
[0034]图3是移动机械臂人机共享控制框图；
[0035]图4是主从控制系统框图；
[0036]图5是PID原理控制框图；
[0037]图6是模糊控制器结构图；
[0038]图7是移动机械臂人机共享控制流程图。
具体实施方式
[0039]下面结合附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种移动机械臂人机共享控制系统，其特征在于：包括上位机遥操作系统和下位机控制系统；上位机遥操作系统包括主工控机、与工控机电连接的机械臂主手以及共享控制器；下位机控制系统包括嵌入式工控机、机械臂从手；所述机械臂从手设有传感器和3D相机，所述传感器采集第一状态信息并反馈给嵌入式工控机中的关节变化输出模块进行处理，所述关节变化输出模块输出机械臂从手的关节变化量，所述第一状态信息包括机械臂从手的末端执行器的自由度状态量；所述3D相机用于采集图像信息；所述嵌入式工控机将所述关节变化量和图像信息传输至所述主工控机，所述主工控机处理图像信息得到机械臂从手与目标物间的距离；所述主工控机中的模糊控制器依据第二状态信息和模糊控制规则输出共享控制系数，并发送至共享控制器；所述第二状态信息包括机械臂从手的关节变化量和机械臂从手与目标物间的距离；所述工控机向共享控制器发送主从控制指令；所述嵌入式工控机向共享控制器发送自主控制指令；所述共享控制器输出共享控制指令，并发送至机械臂从手，控制机械臂从手移动；所述工控机设有人机交互界面。2.根据权利要求1所述的移动机械臂人机共享控制系统，其特征在于：该系统还包括移动平台，所述移动平台用于搭载机械臂从手，带动机械臂从手到达相应的位置。3.根据权利要求1所述的移动机械臂人机共享控制系统，其特征在于：所述共享控制器输出共享控制指令，所述共享控制指令S
c
为：S
c
(η)＝(I
o
‑
I
A
)η+I
A
其中I
o
为主从控制指令，I
A
为机器人自主控制指令，η为共享控制系数。4.根据权利要求1所述的移动机械臂人机共享控制系统，其特征在于：所述机械臂主手和机械臂从手采用主从同构配置，针对主从同构机械臂采用基于关节空间映射控制的方式，将主端控制器的各个关节角度以一定比例同步映射到从关节空间内，控制机械臂从手作业。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚震球，周兴奇，郭浩，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：