[發明專利]混合切換的主從異構型遙操作機器人的工作空間映射方法

有效

• 申請號: 201710199276.0
• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號: CN107097203B
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發明（設計）人: 陳正;胡金飛;嚴水峰;姚斌;袁明星
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B25J3/00
• 分類號: B25J3/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發明公開了一種混合切換的主從異構型遙操作機器人的工作空間映射方法。主從兩端在遠離抓取目標的外圍運動范圍時，采用關節空間?關節空間的映射方式；主從兩端在靠近抓取目標的內圍運動范圍時，采用操作空間?操作空間的映射方式；主從兩端從外圍運動范圍移動到內圍運動范圍時，采用特定的關節?操作過渡方式切換，主從兩端從內圍運動范圍移動到外圍運動范圍時，采用特定的操作?關節過渡方式切換回。本發明方法實施簡便，計算效率高，且同時能夠滿足大范圍運動的靈活性與操作手感和局部精細操作的精確定位，并實現了平滑的過渡切換。

技術領域

本發明屬于遙操作機器人技術領域，具體涉及一種混合切換的主從異構型遙操作機器人的工作空間映射方法。

背景技術

隨著近現代工業技術的發展，很多探索工作和作業環境，人往往難以直接到達。雖然現代機器人技術已經得到長足的發展，但在非結構化環境中，全自主機器人在未來的相當長的一段時間內不能夠實現，而人類對于機器人幫助人們完成特定的危險或人類不可及的任務的需求很迫切。因此，工作在人機交互方式下的主從式遙操作機器人系統成為一種有效的解決方案。不同于全自主機器人，遙操作機器人的控制信號由操作者通過主端設備給出，經過網絡等通訊環節傳至遠端機器人處。從機器人按照所接受的指令在復雜、危險或者人類不可及的工作環境中作業，同時向主端機器人反饋工作狀態，操作者可以根據反饋信息做出決策。目前，遙操作技術在外太空領域，醫療領域，海洋領域和核領域等已經得到了廣泛的應用。

典型的遙操作系統由操作者、主端設備、通信通道、從端設備和環境5個部分組成。

根據遙操作系統主從設備結構形式，分為主端設備和從端設備結構相同的主從同構型遙操作機器人系統以及主端設備和從端設備結構不同的主從異構型遙操作機器人系統。主從異構型遙操作機器人系統由于主從結構形式多樣，大大擴展了主從設備的可選范圍。從端可以選擇工業機器人，手術機器人，服務機器人等，提高了遙操作機器人系統的實用性，擴大了遙操作機器人的應用范圍，不過由于主從設備工作空間不同，則需要對其進行一定的匹配已達到操作要求。

目前已有的工作空間映射方案都是基于操作空間的，算法實現比較復雜。主從異構型遙操作機器人系統工作空間映射方法有常比例、變比例控制，速率控制，工作空間漂移控制，邊界漂移控制，位置-速率切換控制等，位置控制存在精確度問題，速率控制無法實現快速運動，很難實現準確的位置定位?；旌峡刂齐m可以克服兩者的缺陷，但位置和速率的切換方式目前沒有很好的解決，有時會帶來誤操作和失穩現象。同時，上述方法多集中在如何將主端小工作空間內的點位置映射為從設備大工作空間內的點位置，即點到點的映射，對于遙操作工業機器人進行裝配夾取操作時所要求的位姿信息，即位姿-位姿映射任務沒有進一步研究。

發明內容

不同于主從同構型遙操作，主從異構型遙操作機器人由于主從端工作空間的不同，需要完成不同工作空間的映射匹配。本發明的目的在于提供了一種混合切換的主從異構型遙操作機器人的工作空間映射方法。

為了使從端機械臂既能在空間大范圍運動時具有良好的操作手感又能完成局部的精細操作，綜合考慮算法的計算復雜性和兩種映射方法過渡的平穩性，設計了一種基于關節空間和操作空間混合切換的映射方法。

本發明具體實現方案包含如下步驟：

本發明的遙操作機器人具有主端設備和從端設備，主從兩端設備具有不同的結構，即具有不同的連桿長度、不同的運動自由度和不同的關節角運動范圍。

主從兩端在遠離抓取目標的外圍運動范圍時，采用關節空間-關節空間的映射方式；主從兩端在靠近抓取目標的內圍運動范圍時，需要進行局部精細操作時，采用操作空間-操作空間的映射方式。

所述關節空間-關節空間的映射方法具體是：

獲取主端設備的關節角信息，采用以下公式的映射方法得到從端設備對應的關節角，從而對從端設備進行控制：