[發明專利]遙操作平面冗余度機械臂指令輸入及構型控制系統及方法

無效

• 申請號: 200810040450.8
• 申請日: 2008-07-10
• 公開（公告）號: CN101327589A
• 公開（公告）日: 2008-12-24
• 發明（設計）人: 張偉軍;袁建軍;徐琰;李建華;李強
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B25J9/18
• 分類號: B25J9/18
• 代理公司: 上海交達專利事務所
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及的是一種控制技術領域的控制器及控制方法，具體是一種適應多障礙約束空間作業的遙操作平面冗余度機械臂指令輸入及構型控制系統及方法。

背景技術

在核工業、反恐排爆、救援、高電壓設備清掃、維護等危險、惡劣環境中的檢查、維修、搬運、抓取、裝配等特種作業廣泛采用遙操作機械臂，目前的機械臂自由度大多小于或等于6，適用于無障礙環境；而對于某些特殊的多障礙約束環境作業，如排爆作業中從車底抓取爆炸物，救援作業中從窗戶進入靠近地面的被困人員，高壓帶電清掃變電站中的絕緣子等作業，由于工作環境中存在較多障礙，需要機械臂提供冗余自由度。冗余自由度主要用來擴大機械臂工作范圍、優化機械臂運動學、動力學性能以及回避障礙。平面冗余度機械臂是指在一個平面內機械臂自由度大于3的機械臂，是冗余度機械臂的一個重要組成部分。

面向平面冗余度機械手的主端指令輸入和控制裝置主要包括：按鈕、操縱桿、同構主手以及和手臂相捆綁的隨動主手等，其中同構主手需要和從手完全相同的機械構型，結構復雜，通常需要位置傳感器獲取主手各關節位置信息，成本較高；采用和手臂隨動的主手則同樣存在尺寸較大、結構復雜、造價昂貴的缺點。由于冗余度機械臂除了可以滿足操作者對末端位置和姿態的控制要求，還可以進一步調整機械手各關節臂的相對位置關系即構型以適應多障礙環境，而目前以按鈕和操縱桿為主的指令輸入和控制器尚沒有相應的指令輸入和處理方法。

經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利ZL200510042571.2研制了一種多關節操作桿，包括基座、尾擺動桿、變向擺動桿、同項擺動桿、頭擺動桿、回轉桿、按鈕依次首尾連接而成，各個擺動和回轉關節的中心位置安裝中空薄膜電位器和空心軸，按鈕開關則裝有薄膜開關，用于控制機械臂基座回轉、擺動關節1-3、手腕回轉和開關關節運動。此操作桿線纜內藏，可根據從手形式組合，結構緊湊；專利200610082456.2則提出一種主從機械手用于外科手術，其中主手?采用與從手同構的連桿串聯連接而成，各個連桿驅動時采用雙向離合器用來防止操作者向錯誤方向操作機械臂。

上述機械臂指令輸入和控制器，在操作靈活性、安全性等方面有一定提高，但仍存在如下的缺點：(1)控制的對象是非冗余度機械手。(2)控制器僅僅考慮末端的運動，沒有專門針對機械臂構型實施控制。而機械臂構型調整則體現了對機械臂對環境的適應能力；(3)結構復雜，造價高。

又發現，中國專利ZL200510042571.2結構緊湊，但是沒有考慮機械臂構型的調整方法，實質上是一種集成的單軸運動控制器；專利200610082456.2是一種同構主手，該方案可以用于冗余度機械臂構型控制，但需要設計和從手同構的主手機械結構，并配備了位姿傳感器，結構復雜，造價高，僅僅適合于重要的應用場合。

目前大多數機械臂的指令輸入和控制器仍然應用通用操作桿(最大控制軸數為3)和按鈕組合的方式輸入指令，如何在此基礎上實現冗余度機械臂末端運動和構型調整尚未見報道。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提供一種冗余自由度小于或等于3的遙操作平面冗余度機械臂指令輸入及構型控制系統及方法，使得既可以直接控制機械臂的末端位姿，又可以障礙環境中調整機械臂的構型，從而可實現在障礙環境中快速、高效接近目標，簡單實用，提高了平面冗余度機械臂的操作性能。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明所涉及的遙操作平面冗余度機械臂指令輸入及構型控制系統，包括冗余度機械臂控制臺、冗余度機械臂上位控制器、上位機無線數據模塊、下位機無線數據模塊、冗余度機械臂下位機控制器以及冗余度機械臂組成，其中：

所述冗余度機械臂控制臺提供人機交互，負責接收操作員的指令并顯示機械臂當前位置、限位、報警等狀態信息；

所述冗余度機械臂上位控制器安裝在冗余度機械臂控制臺上，和冗余度機械臂上位控制器之間通過控制電路連接，冗余度機械臂上位控制器通過串行通訊接口與上位機無線數據模塊連接與通訊，將編碼的控制命令發送到下位機無線數據模塊，并同時獲取機械臂的狀態信息。

所述上位機和下位機無線數據模塊提供冗余度機械臂上位控制器和冗余度機械臂下位機控制器之間的通訊功能，由工作在同一工作頻率的上位機無線數據模塊和下位機無線數據模塊組成，其間的距離為100米。上位機和下位機無線數據模塊和冗余度機械臂上、下位控制器之間均通過串行通訊接口交換數據；