一种基于三模态切换机制的柔性机械臂遥操作控制方法技术

本发明专利技术属于柔性机械臂遥操作技术领域。本发明专利技术公开了一种基于三模态切换机制的柔性机械臂遥操作控制方法，解决了柔性机械臂遥操作系统在复杂环境下因环境刚度的变化造成系统的不稳定性和低透明性。本发明专利技术所述的一种基于三模态切换机制的柔性机械臂遥操作控制方法，采用单主单从的遥操作系统架构，设计了从端环境刚度估计器，根据环境刚度的大小将遥操作控制分为三种模态，设计了切换控制规则，并设计遥操作系统在三种模态下不同的控制器。本发明专利技术能够保证从端环境刚度变化时遥操作系统的稳定性以及提升系统的透明性。定性以及提升系统的透明性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于三模态切换机制的柔性机械臂遥操作控制方法


[0001]本专利技术属于柔性机械臂遥操作
，具体涉及一种针对从端机械臂处于复杂环境下操作者遥操作柔性机械臂高效平稳完成工作的控制方法。

技术介绍

[0002]柔性机械臂与传统机械臂相比，柔性机械臂更加轻量化并且惯性更小、操作更灵活，因此柔性机械臂逐渐在航空航天业、高精密制造业、医疗、核工业等领域凸显出其优越性。在航空航天业中，柔性机械臂可代替宇航员执行危险任务。在医疗领域，柔性机械臂可代替医生完成一些远程手术任务，也可协助偏瘫甚至脑卒患者进行康复训练。在核工业领域，柔性机械臂可替代工作人员进行核废料的搜集。在这些领域中，柔性机械臂的工作环境和工作条件往往比较严苛，为了保证操作者的安全与任务的顺利完成，需要采用远距离操控方式，即遥操作的方式来控制柔性机械臂进行远程工作。遥操作技术中操作者可通过从端机械臂反馈至主端机器人的触觉力，感受到从端机械臂与复杂环境的交互力辅助操作者进行指令迭代，通过将操作者的感知与决策融入到机械臂的控制体系中，实现对机械臂的远程控制。
[0003]然而在这种交互式的远程遥操作中，从端机械臂的工作环境是不断变化的，传统的控制方法会因环境的变化影响系统的稳定性与透明性。随着机械臂的应用范围越来越广，机械臂所处的工作环境变的越来越复杂，单个控制器往往很难保证整个遥操作系统的稳定，因此需要设计多个控制器来操控机械臂适应环境的刚度变化，然而多个控制器之间需要快速平稳切换，因此需要设计切换策略来选择合适的控制器确保系统的平稳运行。因此，本专利技术首先设计的环境刚度估计器，实时估计从端环境刚度的变化，根据环境刚度的大小将操作过程分为三种模态，当机械臂处于不同刚度的环境中，能够适时平稳的切换控制器，从而保证任务的顺利完成。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于三模态切换机制的柔性机械臂遥操作控制方法，针对从端环境刚度变化时对系统稳定性和透明性的影响，提出一种基于环境刚度的切换控制策略，根据环境刚度的变化进行控制器的选择，并设计不同环境刚度下的控制器，进而实现机械臂的平稳运行，确保遥操作系统具有良好的透明性与稳定性。
[0005]本专利技术为解决上述问题所采取的方案为：一种基于三模态切换机制的柔性机械臂遥操作控制方法，所述方法的具体实现过程为：步骤一：对主端机器人进行动力学建模，同时对从端机械臂进行动力学与运动学建模；步骤二：通过力传感获取机械臂末端与环境交互力的大小，并通过视觉捕捉系统获取机械臂末端与环境接触后环境的形变大小，基于逆推最小二乘法设计刚度估计器实时计算出环境刚度的大小；
步骤三：根据刚度估计器计算出环境刚度的大小，将遥操作的控制模态分为自由运动、柔性接触和刚性接触三种模态；步骤四：设计切换控制规则，保证遥操作控制模态与控制器之间的平稳过渡，减少切换次数；步骤五：遥操作系统处于三种模态下的控制器分别为：在自由运动模态下基于二通道位置
‑
位置的控制器；在柔性接触模态下基于二通道的力
‑
位置的控制器；在刚性接触模态下基于四通道力
‑
位置混合的控制器；
[0006]本专利技术的有益效果：所述的一种基于三模态切换机制的柔性机械臂遥操作控制方法，一方面能够实现对环境的刚度估计，另一方面根据环境刚度的大小将遥操作控制分为三种不同模态，设计切换规则与三种模态下不同的控制器，从而有效提升遥操作系统的稳定性。
附图说明
[0007]图1为柔性机械臂结构示意图图2为从端柔性机械臂与环境接触模型示意图图3为切换控制的结构框图图4为PEB控制结构框图图5为DFR控制结构框图图6为四通道控制结构框图
具体实施方式
[0008]下面结合附图和实施例对本专利技术的实施方式作进一步详细描述。
[0009]本专利技术的一个实施例：一种基于三模态切换机制的柔性机械臂遥操作控制方法，其内容包括以下步骤：
[0010]步骤一：对主端机器人与从端机械臂进行动力学建模，同时对从端机械臂进行运动学建模；具体实施方式如下：主端机器人与从端机械臂的动力学描述为：主端机器人与从端机械臂的动力学描述为：式中下标m，s分别代表主端机器人与从端机械臂，x代表主从端的位置，M代表主从端的惯性矩阵，B主从端的阻尼矩阵，K代表主从端的刚度矩阵，u代表主从端的控制律，f
h
代表操作者施加在主端机器人的力，f
e
代表从端机械臂与环境的交互力。从端机械臂构型如图1所示，建立机械臂的连杆坐标系，则其正运动学表达式为：
进而可得到机械臂逆运动学表达式为：进而可得到机械臂逆运动学表达式为：
[0011]步骤二：从端柔性机械臂与环境接触的示意模型如图2所示，机械臂末端与不同刚度的环境接触时，机械臂末端的力在单位时间内的变化趋势和环境的形变大小具有一定的关系，以此为基础提出刚度估计器：关系，以此为基础提出刚度估计器：式中F
e
表示机械臂末端与环境交互力的大小，K
e
表示环境刚度系数，B
e
表示环境阻尼系数，δ表示接触后环境的形变大小，T表示采样时间。但环境刚度与阻尼参数是未知的可将参数的估计转化为线性识别问题，再通过逆推最小二乘法来估计刚度和阻尼参数。可将设计规则转化为如下式所示形式：F
e
＝φ
T
ρ式中ρ包含了环境刚度和阻尼的参数，φ表示环境位置的状态函数，通过逆推最小二乘法可得出估计的环境刚度K
e
。
[0012]步骤三：根据不同的环境刚度大小将遥操作控制模态分为三种具有的特点如下：自由运动模态下，机械臂末端未与环境接触，即使不忽略机械传动的误差，此时环境刚度估计器的值也很小；在柔性接触模态下，机械臂末端与环境持续接触，环境发生较大的形变量且环境刚度估计器的值逐渐增大；在刚性接触模态下，环境发生较小的形变量，环境刚度非常大且数值变化量很小。
[0013]步骤四：切换控制规则的特点如下：不同的模态下具有不同的控制器，将两种不同控制结构的控制器看作U
ka
和U
kb
，切换控制器采用一种线性函数设计，保证遥操作控制模态与控制器之间的平稳过渡减少切换次数，并确保切换时的平滑性，其规则为：U＝σU
ka
+(1
‑
σ)U
kb
式中：σ为切换信号，且0≤σ≤1，σ的取值范围由环境刚度进行确定，切换控制的结构如图3所示，切换规则如下表所示：
[0014]步骤五：根据遥操作的控制模态，分别设计遥操作系统处于三种模态下的基于二通道的位置
‑
位置、二通道的力
‑
位置和四通道力
‑
位置混合控制器，具有的特点如下：(1)自由运动模态下基于二通道位置
‑
位置跟踪的控制架构设计控制器，该架构需要视觉捕捉系统获取机械臂末端位置，将主端机器人的位置与实际机械臂的末端位置的误差值按照一定的比例反馈给主机器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于三模态切换机制的柔性机械臂遥操作控制方法，其构建过程特征在于：一种基于三模态切换机制的柔性机械臂遥操作控制方法包括以下几个步骤：步骤一：刚度估计器的设计：通过力传感获取机械臂末端与环境交互力的大小，并通过视觉捕捉系统获取机械臂末端与环境接触后环境的形变大小，基于逆推最小二乘法设计刚度估计器实时计算出环境刚度的大小；步骤二：根据步骤一中刚度估计器计算出的环境刚度大小，将遥操作的控制模态分为自由运动、柔性接触和刚性接触三种模态，分别设计遥操作系统处于三种模态下的控制器并设计切换控制规则，保证遥操作控制模态与控制器之间的平稳过渡，减少切换次数；步骤三：根据步骤二中遥操作系统处于三种模态下的控制器分别为：在自由运动模态下基于二通道位置
‑
位置的控制器；在柔性接触模态下基于二通道的力
‑
位置的控制器；在刚性接触模态下基于四通道力
‑
位置混合的控制器；所述步骤一中的刚度估计器，其特征在于：机械臂末端与不同刚度的环境接触时，机械臂末端的力在单位时间内的变化趋势和环境的形变大小具有一定的关系，计算如下：臂末端的力在单位时间内的变化趋势和环境的形变大小具有一定的关系，计算如下：式中F
e
表示机械臂末端与环境交互力的大小，K
e
表示环境刚度系数，B
e
表示环境阻尼系数，δ表示接触后环境的形变大小，T表示采样时间。但环境刚度与阻尼参数是未知的可将参数的估计转化为线性识别问题，再通过逆推最小二乘法来估计刚度和阻尼参数。可将设计规则转化为如下式所示形式：F
e
＝φ
T
ρ式中ρ包含了环境刚度和阻尼的参数，φ表示环境位置的状态函数，通过逆推最小二乘法可得出估计的环境刚度K
e
。2.根据权利要求1所述的三种控制模态及切换规则，其特征在于：自由运动模态下，机械臂末端未与环境接触，即使不忽略机械传动的误差，此时环境刚度估计器的值也很小；在柔性接触模态下，机械臂末端与环境持续接触，环境发生较大的形变量且环境刚度估计器的值逐渐增大；在刚性接触模态下，环境发生较小的形变量，环境刚度非常大且数值变化量很小。不同的模态...

【专利技术属性】
技术研发人员：李佳钰，张喜洋，尤波，黄启霖，陈晨，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：