一种基于自适应切换的移动机械臂遥操作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于自适应切换的移动机械臂遥操作方法。建立主从端移动机械臂系统；建立混合非对称映射模型，将主端设备的末端位置输入，输出自适应切换系数和从端设备的运动指令，分别控制从端设备的运动状态和移动；建立力反馈匹配模型，将移动状态下的虚拟指导力反馈和操作状态下的力反馈输入，输出遥操作反馈力，继续遥控从端设备，直至抓取目标物，实现移动机械臂的遥操作。本发明专利技术提供了一种更直观、友好的通过单一的主端力反馈设备同时操纵从端移动平台和机械臂运动的遥操作方法，提高了遥操作的效率和安全性，减少了操作人员完成任务所需时间，降低了操作人员的决策压力和遥操作压力，以辅助操作人员更好地感知远程环境的变化。远程环境的变化。远程环境的变化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自适应切换的移动机械臂遥操作方法


[0001]本专利技术涉及了一种移动机械臂遥操作方法，具体涉及针对遥操作主从异构问题的一种基于自适应切换的移动机械臂遥操作方法。

技术介绍

[0002]移动机械臂，即安装在移动平台上的机械臂，结合了移动平台的机动性和机械臂的可操纵性，在制造业、建筑业、农业、军工等领域得到了广泛的应用。然而，自主机器人在一些典型的领域并不能很好地应用，如航空航天、深海探测、核辐射等人类难以到达且危险的领域，这些领域的复杂任务使得移动机械臂很难基于现有技术独立工作。因此，基于人
‑
机
‑
环境交互的遥操作技术可能是实现移动机械臂更高性能的解决方案。
[0003]然而，由于移动机械臂的高冗余性，遥操作技术在移动机械臂中的应用不可避免地会遇到主从异构的问题。主从异构一般定义为在遥操作系统中，主端和从端机器人在机械结构、尺寸和关节数量等方面存在差异。目前关于遥操作的研究主要集中在基于时延的稳定性和遥操作透明度上，然而当直接执行远程任务时，主从异构的特性会使操作人员在映射主端和从端机器人之间的运动时付出额外的努力，这会增加操作人员的额外工作量，使操作效果变差。因此，有必要对移动机械臂进行遥操作异构的运动规划。

技术实现思路

[0004]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术所提供一种基于自适应切换的移动机械臂遥操作方法。方法包括位置
‑
速度和位置
‑
位置模式的混合非对称映射以及考虑从端移动平台与机械臂切换的力反馈匹配策略，为操作人员提供了一种更加直观、友好的通过单一的主端力反馈设备同时操纵从端移动平台和机械臂运动的遥操作方式，从而减少了操作人员完成任务所需时间，降低了操作人员的决策压力和遥操作压力。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：
[0006]本专利技术的移动机械臂遥操作方法包括如下步骤：
[0007]步骤1：建立主从端移动机械臂系统，主从端移动机械臂系统包括无线连接的主端力反馈设备和从端机械臂移动设备，通过主端力反馈设备遥控从端机械臂移动设备。
[0008]步骤2：建立包含位置
‑
速度和位置
‑
位置映射的混合非对称映射模型，将主端力反馈设备的末端位置输入混合非对称映射模型中，混合非对称映射模型输出自适应切换系数和从端机械臂移动设备的运动指令，通过自适应切换系数切换从端机械臂移动设备的运动状态，包括移动状态和操作状态，并通过从端设备的运动指令控制从端机械臂移动设备的移动。
[0009]步骤3：建立主端力反馈设备的力反馈匹配模型，将从端机械臂移动设备在移动状态下的虚拟指导力反馈以及在操作状态下的力反馈输入力反馈匹配模型，力反馈匹配模型输出遥操作反馈力至主端力反馈设备，主端操作者在操作主端力反馈设备时接收到遥操作反馈力后继续通过主端力反馈设备遥控从端机械臂移动设备，直至将从端机械臂移动设备
移动至远程环境中的预设目标区域并抓取到目标物，实现移动机械臂的遥操作。
[0010]所述的步骤1中，主端力反馈设备的主端机械臂具体为主端六自由度机械臂，主端机械臂前三个自由度确定末端位置，后三个自由度确定末端姿态，机械臂末端可反馈三自由度的力或力矩，此处只考虑末端位置没有考虑姿态，即只考虑前三个自由度；主端力反馈设备内安装有主端主控机；从端机械臂移动设备包括从端四轮移动平台和从端五自由度机械臂，从端五自由度机械臂前四个自由度确定末端位置，最后一个自由度确定末端旋向姿态，此处只考虑前四个自由度，从端五自由度机械臂的根部安装在从端四轮移动平台的顶部，从端四轮移动平台内部安装有从端主控机，从端五自由度机械臂的末端安装有末端执行器，末端执行器上安装有力传感器，从端四轮移动平台的前部安装有激光测距仪，激光测距仪用于测量移动平台与障碍物/目标物之间的距离；主端六自由度机械臂电连接主端主控机，主端力反馈设备的主端主控机与从端主控机通过ROS话题机制进行无线通信，从端主控机电连接从端四轮移动平台、从端五自由度机械臂、力传感器和激光测距仪；主端操作者通过操纵主端力反馈设备生成主端命令，由主端主控机发送至从端主控机中控制从端四轮移动平台和从端五自由度机械臂运动。
[0011]所述的步骤2中，建立的包含位置
‑
速度和位置
‑
位置映射的混合非对称映射模型包括位置
‑
速度映射模式和位置
‑
位置映射模式，具体如下：
[0012]a)位置
‑
速度映射模式：
[0013][0014]K
b
＝(k
v
,k
ω
)
T
[0015]其中，η为从端四轮移动平台的速度矢量，η＝(v,ω)，v为从端四轮移动平台的前进速度，ω为从端四轮移动平台绕从端平台坐标系的Z轴旋转角速度；ξ
b
为移动平台自适应切换系数；K
b
为第一常比例映射向量；θ
m1
为主端六自由度机械臂第一个关节角；Q
m
为主端六自由度机械臂的末端位置。
[0016]所述的从端平台坐标系具体为以从端四轮移动平台的中心为坐标原点O
R
，以竖直向上为Z轴Z
R
，以从端四轮移动平台的前进方向为Y轴Y
R
，垂直于Y轴的水平方向为X轴X
R
，遵循右手定则建立坐标系。
[0017]从端四轮移动平台的逆运动学解具体如下：
[0018][0019]其中，ω
1,2,3,4
分别为从端四轮移动平台的四个车轮的旋转角速度；R为从端四轮移动平台的车轮半径；a,b分别为从端四轮移动平台的四个车轮中心到四轮移动平台的Y轴和X轴的距离；v
x
,v
y
分别为从端四轮移动平台在从端平台坐标系的X轴和Y轴方向上的速度；ω
r
为从端四轮移动平台绕Z轴旋转角速度，v＝v
y
,ω＝ω
r
。最终通过驱动四个车轮的电机M1、2、3和4带动四个车轮转动。
[0020]b)位置
‑
位置映射模式：
[0021]Q
s
＝diag(ξ
s
)
·
diag(K
s
)
·
Q
m
+T
s
[0022]K
s
＝(k
θ1
,k
r
,k
h
)
T
[0023]T
s
＝(T
θ1
,T
r
,T
h
)
T
[0024]其中，Q
s
为从端五自由度机械臂的末端位置；ξ
s
为从端机械臂自适应切换系数；K
s
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应切换的移动机械臂遥操作方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：建立主从端移动机械臂系统，主从端移动机械臂系统包括无线连接的主端力反馈设备和从端机械臂移动设备，通过主端力反馈设备遥控从端机械臂移动设备；步骤2：建立包含位置
‑
速度和位置
‑
位置映射的混合非对称映射模型，将主端力反馈设备的末端位置输入混合非对称映射模型中，混合非对称映射模型输出自适应切换系数和从端机械臂移动设备的运动指令，通过自适应切换系数切换从端机械臂移动设备的运动状态，包括移动状态和操作状态，并通过从端设备的运动指令控制从端机械臂移动设备的移动；步骤3：建立主端力反馈设备的力反馈匹配模型，将从端机械臂移动设备在移动状态下的虚拟指导力反馈以及在操作状态下的力反馈输入力反馈匹配模型，力反馈匹配模型输出遥操作反馈力至主端力反馈设备，主端操作者在操作主端力反馈设备时接收到遥操作反馈力后继续通过主端力反馈设备遥控从端机械臂移动设备，直至将从端机械臂移动设备移动至远程环境中的预设目标区域并抓取到目标物，实现移动机械臂的遥操作。2.根据权利要求1所述的一种基于自适应切换的移动机械臂遥操作方法，其特征在于：所述的步骤1中，主端力反馈设备的主端机械臂具体为主端六自由度机械臂，主端力反馈设备内安装有主端主控机；从端机械臂移动设备包括从端四轮移动平台和从端五自由度机械臂，从端五自由度机械臂的根部安装在从端四轮移动平台的顶部，从端四轮移动平台内部安装有从端主控机，从端五自由度机械臂的末端安装有末端执行器，末端执行器上安装有力传感器，从端四轮移动平台的前部安装有激光测距仪；主端六自由度机械臂电连接主端主控机，主端力反馈设备的主端主控机与从端主控机通过ROS话题机制进行无线通信，从端主控机电连接从端四轮移动平台、从端五自由度机械臂、力传感器和激光测距仪；主端操作者通过操纵主端力反馈设备生成主端命令，由主端主控机发送至从端主控机中控制从端四轮移动平台和从端五自由度机械臂运动。3.根据权利要求1所述的一种基于自适应切换的移动机械臂遥操作方法，其特征在于：所述的步骤2中，建立的包含位置
‑
速度和位置
‑
位置映射的混合非对称映射模型包括位置
‑
速度映射模式和位置
‑
位置映射模式，具体如下：a)位置
‑
速度映射模式：K
b
＝(k
v
,k
ω
)
T
其中，η为从端四轮移动平台的速度矢量，η＝(v,ω)，v为从端四轮移动平台的前进速度，ω为从端四轮移动平台绕从端平台坐标系的Z轴旋转角速度；ξ
b
为移动平台自适应切换系数；K
b
为第一常比例映射向量；θ
m1
为主端六自由度机械臂第一个关节角；Q
m
为主端六自由度机械臂的末端位置；所述的从端平台坐标系具体为以从端四轮移动平台的中心为坐标原点O
R
，以竖直向上为Z轴Z
R
，以从端四轮移动平台的前进方向为Y轴Y
R
，垂直于Y轴的水平方向为X轴X
R
；b)位置
‑
位置映射模式：Q
s
＝diag(ξ
s
)
·
diag(K
s
)
·
Q
m
+T
s
K
s
＝(k
θ1
,k
r
,k
h
)
T
T
s
＝(T
θ1
,T
r
,T
h
)
T
其中，Q
s
为从端五自由度机械臂的末端位置；ξ
s
为从端机械臂自适应切换系数；K
s
为第二常比例映射向量，k
θ1
、k
r
和k
h
分别为第一、第二和第三常比例映射系数；T
s
为恒定平移向量，T
θ1
、T
r
和T
h
分别为第一、第二和第三平移常量。所述的从端机械臂移动设备的自适应切换系数包括移动平台自适应切换系数ξ
b
和从端机械臂自适应切换系数ξ
s
；所述的从端机械臂移动设备的运动指令包括从端四轮移动平台的速度矢量η和从端五自由度机械臂的末端位置Q
s
。4.根据权利要求3所述的一种基于自适应切换的移动机械臂遥操作方法，其特征在于：所述的移动平台自适应切换系数ξ
b
和从端机械臂自适应切换系数ξ
s
具体如下：ξ
b
＝[ξ
v
,ξ
ω
]ξ
s
＝[ξ
θ
,ξ
r
,ξ
h
]其中，ξ
v
和ξ
ω
分别为从端四轮移动平台的行进运动状态和旋转运动状态，当ξ
v
＝1时，则从端四轮移动平台处于行进状态，当ξ
v
＝0时，则从端四轮移动平台处于非行进状态，当ξ
ω
＝1时，则从端四轮移动平台处于旋转状态，当ξ
ω
＝0时，则从端四轮移动平台处于非旋转状态，0到1之间为处于过渡状态；ξ
θ
、ξ
r
和ξ
h
分别为从端五自由度机械臂的关节角状态、距离状态和高度状态，当ξ
θ
＝1时，则从端五自由度机械臂处于变关节角状态，当ξ
θ
＝0时，则从端五自由度机械臂处于关节角不变状态，当ξ
r
＝1时，则从端五自由度机械臂处于变距离状态，当ξ
r
＝0时，则从端五自由度机械臂处于距离不变状态，当ξ
h
＝1时，则从端五自由度机械臂处于变高度状态，当ξ
h
＝0时，则从端五自由度机械臂处于高度不变状态；从端机械臂移动设备的移动状态包括从端四轮移动平台的行进运动状态ξ
v
和旋转运动状态ξ
ω
，从端机械臂移动设备的操作状态包括从端五自由度机械臂的关节角状态ξ
θ
、距离状态ξ
r
和高度状态ξ
h
。5.根据权利要求4所述的一种基于自适应切换的移动机械臂遥操作方法，其特征在于：所述的从端四轮移动平台的行进运动状态ξ
v
和旋转运动状态ξ
ω
以及从端五自由度机械臂的关节角状态ξ
θ<...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄方昊，李文文，陈梓豪，陈正，梅德庆，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：