一种主从同构的机器人遥操作安全控制方法及系统技术方案

本发明专利技术为一种主从同构的机器人遥操作安全控制方法及系统，该方法采集从端机器人工作空间的环境图像并判断是否存在障碍物；若存在障碍物，则计算虚拟引力和斥力产生的从端机器人末端的期望加速度并映射到关节空间中得到各个关节的期望角加速度，将期望角加速度映射到关节空间中；同时，计算虚拟引力和斥力产生的从端机器人移动底盘的期望加速度并作用到运动空间中；若不存在障碍物，则计算从端机器人各个关节的期望角加速度并作用到从端机器人的关节空间中；同时，计算虚拟引力产生的从端机器人移动底盘的期望加速度，并作用到运动空间中。将机器人遥操作与避障相结合，实现从端机器人安全避障的同时使从端机器人稳定跟随主端机器人的运动轨迹，达到主、从端机器人同步运动的目的。同步运动的目的。同步运动的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种主从同构的机器人遥操作安全控制方法及系统


[0001]本专利技术属于机器人遥操作
，具体是一种主从同构的机器人遥操作安全控制方法及系统。

技术介绍

[0002]机器人遥操作是指操作人员控制主端机器人，从端机器人跟随主端机器人的运动轨迹使两个机器人同步运动，进而通过从端机器人完成各种作业，使机器人替代人类在一些无法触及甚至危及人体健康或生命安全的环境中执行各种任务，延伸了人类的感知能力。机器人遥操作可以克服地理空间的限制，已经被广泛应用于健康医疗、太空探测、深海勘探等领域。
[0003]不同于传统工业机器人的工作环境，遥操作机器人的工作环境通常是存在障碍物的非结构化环境，具有较多的不确定性，且任务复杂多变，因此不仅要求遥操作机器人具备传统工业机器人的稳定性、可靠性和高精度，而且还需要根据外界环境能够准确规避障碍物，使从端机器人在完整跟随主端机器人运动轨迹的同时可以安全避开障碍物，实现人与机器人的共享控制。综上，本专利技术提出一种主从同构的机器人遥操作安全控制方法及系统，将机器人遥操作与避障相结合，基于人工势场法实现从端机器人安全避障的同时使从端机器人稳定跟随主端机器人的运动轨迹，达到主、从端机器人同步运动的目的。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种主从同构的机器人遥操作安全控制方法及系统。
[0005]本专利技术解决所述技术问题采用如下的技术方案：
[0006]一种主从同构的机器人遥操作安全控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0007]第一步、采集主、从端机器人的关节角度、末端位姿和移动底盘的运动速度，同时采集从端机器人工作空间的环境图像，并判断从端机器人工作空间中是否存在障碍物；
[0008]第二步、若存在障碍物，则通过下式计算虚拟引力产生的从端机器人末端的期望加速度；
[0009]Δp＝p
‑
p0ꢀꢀ
(1)
[0010]F
a
＝k
a
·
Δp
ꢀꢀ
(2)
[0011][0012]式中，Δp为主、从端机器人的末端位姿误差，p0为从端机器人的末端位姿，p为主端机器人的末端位姿，F
a
为从端机器人末端受到的虚拟引力，k
a
为常数矩阵，为虚拟引力产生的从端机器人末端的期望加速度，M
a
为从端机器人末端的虚拟质心惯性矩阵，03×1为零矩阵；
[0013]通过雅可比矩阵将虚拟引力产生的从端机器人末端的期望加速度映射到关节空
间中，得到虚拟引力产生的从端机器人各个关节的期望角加速度；
[0014]通过下式计算虚拟引力产生的从端机器人移动底盘的期望加速度；
[0015]Δv＝v
‑
v0ꢀꢀ
(5)
[0016]F
m
＝k
a
·
Δv
ꢀꢀ
(6)
[0017][0018]式中，Δv为从端机器人移动底盘的运动速度误差，v、v0分别为主、从端机器人移动底盘的运动速度，F
m
为从端机器人移动底盘受到的虚拟引力，M
m
为从端机器人移动底盘的虚拟质心惯性矩阵，为虚拟引力产生的从端机器人移动底盘的期望加速度；
[0019]通过式(8)计算障碍物对连杆lm的虚拟斥力，连杆lm为从端机器人距离障碍物最近的连杆；
[0020][0021]式中，d
lm
为连杆lm到障碍物包络盒的最短距离，k
r
为常系数，d为安全距离，f
r
为障碍物对连杆lm的虚拟斥力，方向由障碍物垂足指向连杆lm的垂足；
[0022]利用式(9)计算从端机器人以连杆lm为末端的末端期望加速度，并通过雅可比矩阵将该末端期望加速度映射到关节空间中，得到虚拟斥力产生的从端机器人各个关节的期望角加速度；
[0023][0024]式中，为障碍物对连杆lm的虚拟斥力矩阵，和为障碍物对连杆lm的虚拟斥力f
r
在三个坐标轴上的分量，为从端机器人以连杆lm为末端的末端期望加速度，M
lm
为从端机器人以连杆lm为末端的虚拟质心惯性矩阵；
[0025]根据式(11)计算从端机器人各个关节的期望角加速度，并将从端机器人各个关节的期望角加速度作用到关节空间中，从端机器人关节的期望角速度如式(12)；
[0026][0027][0028]式中，为从端机器人关节的期望角加速度矩阵，为t+1时刻从端机器人关节的期望角加速度矩阵，分别为t、t+1时刻从端机器人关节的期望角速度矩阵，α为机械臂避障的权重系数；
[0029]通过式(13)、(14)计算从端机器人移动底盘的期望加速度，并将从端机器人移动底盘的期望加速度作用到运动空间中，从端机器人移动底盘的运动速度如式(15)；
[0030][0031][0032][0033]式中，为虚拟斥力产生的从端机器人移动底盘的期望加速度，r为障碍物几何中心到从端机器人几何中心的距离矢量，M0为从端机器人整体的惯性矩阵，为从端
机器人移动底盘的期望加速度，1
‑
α为从端机器人移动底盘避障的权重系数，分别为t+1、t时刻从端机器人移动底盘的运动速度，为t+1时刻从端机器人移动底盘的期望加速度；
[0034]第三步，若不存在障碍物，则通过下式计算从端机器人各个关节的期望角加速度，并将关节的期望角加速度作用到从端机器人的关节空间中；
[0035]Δθ＝θ
‑
θ0(16)
[0036][0037]式中，Δθ为关节角度误差矩阵，θ、θ0分别为主、从端机器人的关节角度矩阵；
[0038]根据式(7)计算虚拟引力产生的从端机器人移动底盘的期望加速度，将虚拟斥力产生的从端机器人移动底盘的期望加速度设置为零，并通过式(14)计算从端机器人移动底盘的期望加速度，将从端机器人移动底盘的期望加速度作用到运动空间中。
[0039]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0040]1.现有的人工势场避障方法将障碍物等效为球体，并将球体几何中心到机器人的最短距离代入斥力函数计算虚拟斥力，实际上障碍物是一个三维物体，将其等效为一个球体显然不符合实际，而本专利技术利用包络盒对障碍物进行等效，保留了障碍物的三维特征，同时利用胶囊等效模型对从端机器人进行简化，计算机器人连杆到包络盒所有棱的最短距离，并将该最短距离代入斥力函数中计算虚拟斥力，使得从端机器人具有良好的避障性能，提高了从端机器人的安全性。
[0041]2.本专利技术将机器人遥操作与避障相结合，基于人工势场概念分别计算虚拟引力和斥力产生的从端机器人末端和从端机器人移动底盘的期望加速度，并将从端机器人末端的期望加速度作用到关节空间中，从端机器人移动底盘的期望加速度作用到运动空间中，实现从端机器人安全避障的同时使从本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种主从同构的机器人遥操作安全控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：第一步、采集主、从端机器人的关节角度、末端位姿和移动底盘的运动速度，同时采集从端机器人工作空间的环境图像，并判断从端机器人工作空间中是否存在障碍物；第二步、若存在障碍物，则通过下式计算虚拟引力产生的从端机器人末端的期望加速度；Δp＝p
‑
p
0 (1)F
a
＝k
a
·
Δp (2)式中，Δp为主、从端机器人的末端位姿误差，p0为从端机器人的末端位姿，p为主端机器人的末端位姿，F
a
为从端机器人末端受到的虚拟引力，k
a
为常数矩阵，为虚拟引力产生的从端机器人末端的期望加速度，M
a
为从端机器人末端的虚拟质心惯性矩阵，03×1为零矩阵；通过雅可比矩阵将虚拟引力产生的从端机器人末端的期望加速度映射到关节空间中，得到虚拟引力产生的从端机器人各个关节的期望角加速度；通过下式计算虚拟引力产生的从端机器人移动底盘的期望加速度；Δv＝v
‑
v
0 (5)F
m
＝k
a
·
Δv (6)式中，Δv为从端机器人移动底盘的运动速度误差，v、v0分别为主、从端机器人移动底盘的运动速度，F
m
为从端机器人移动底盘受到的虚拟引力，M
m
为从端机器人移动底盘的虚拟质心惯性矩阵，为虚拟引力产生的从端机器人移动底盘的期望加速度；通过式(8)计算障碍物对连杆lm的虚拟斥力，连杆lm为从端机器人距离障碍物最近的连杆；式中，d
lm
为连杆lm到障碍物包络盒的最短距离，k
r
为常系数，d为安全距离，f
r
为障碍物对连杆lm的虚拟斥力，方向由障碍物垂足指向连杆lm的垂足；利用式(9)计算从端机器人以连杆lm为末端的末端期望加速度，并通过雅可比矩阵将该末端期望加速度映射到关节空间中，得到虚拟斥力产生的从端机器人各个关节的期望角加速度；式中，为障碍物对连杆lm的虚拟斥力矩阵，和为障碍物对连杆lm的虚拟斥力fr在三个坐标轴上的分量，为从端机器人以连杆lm为末端的末端期望加速度，M
lm
为从端机器人以连杆lm为末端的虚拟质心惯性矩阵；根据式(11)计算从端机器人各个关节的期望角加速度，并将从端机器人各个关节的期望角加速度作用到关节空间中，从端机器人关节的期望角速度如式(12)；
式中，为从端机器人关节的期望角加速度矩阵，为t+1时刻从端机器人关节的期望角加速度矩阵，分别为t、t+1时刻从端机器人关节的期望角速度矩阵，α为机械臂避障的权重系数；通过式(13)、(14)计算从端机器人移动底盘的期望加速度，并将从端机器人移动底盘的期望加速度作用到运动空间中，从端机器人移动底盘的运动速度如式(15)；的期望加速度作用到运动空间中，从端机器人移动底盘的运动速度如式(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洋，张同辉，郭士杰，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：