[發(fā)明專利]一種異構(gòu)主從系統(tǒng)的運動映射方法及系統(tǒng)

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201711492587.2
• 申請日: 2017-12-30
• 公開（公告）號: CN108107765A
• 公開（公告）日: 2018-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李萌;張恩慧;其他發(fā)明人請求不公開姓名
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G05B19/04
• 分類號: G05B19/04
• 代理公司: 北京路浩知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩;吳歡燕

本發(fā)明提供一種異構(gòu)主從系統(tǒng)的運動映射方法，包括：S1、獲取主臂的各個連桿的方向數(shù)據(jù)，并確定所述方向數(shù)據(jù)對應(yīng)的主臂姿態(tài)；S2、基于單位對偶四元數(shù)，將所述主臂的各個連桿的方向數(shù)據(jù)作為輸入，采用正向運動學(xué)FK和反向運動學(xué)IK算法，將所述主臂姿態(tài)映射為從臂姿態(tài)。本發(fā)明提供的一種異構(gòu)主從系統(tǒng)的運動映射方法及系統(tǒng)，通過將單位對偶四元數(shù)與正向運動學(xué)FK和逆向運動學(xué)IK相結(jié)合，成功將主臂姿態(tài)映射為從臂姿態(tài)，算法簡潔且有效，易于實現(xiàn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及異構(gòu)主從機器人領(lǐng)域，更具體地，涉及一種異構(gòu)主從系統(tǒng)的運動映射方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

遙操作機器人廣泛應(yīng)用于老年人/殘疾人(如輪椅機器人手臂)和危險或危險環(huán)境中的遙操作機器人系統(tǒng)(輻射、爆炸、化學(xué)、搜索和救援等)。遠程操作環(huán)境通常是非結(jié)構(gòu)化和約束的，而遠程操作任務(wù)通常是復(fù)雜的、復(fù)合的且不可預(yù)知的，因此先進的自主機器人不能在現(xiàn)階段完成這些任務(wù)，而是需要一個操作人員，利用他的智能來控制機器人完成一些特殊任務(wù)。

理想情況下，主臂和從臂應(yīng)具有相似的運動學(xué)結(jié)構(gòu)，使遠程操作員的手臂運動可以直接采用關(guān)節(jié)-關(guān)節(jié)直接映射算法來控制機器人從臂的操縱，但是這意味著需要從機器人手臂的非常復(fù)雜并且具有精細的機械結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致機器人系統(tǒng)可能變得非常昂貴。因此，主從遙操作機器人系統(tǒng)通常是異構(gòu)的，而不是均勻的，需要從主臂到從臂的運動映射算法。

現(xiàn)有技術(shù)中使用的運動映射算法是一種采用正反向運動學(xué)方法的軌跡相關(guān)算法。操作人員通過鼠標(biāo)，鍵盤或操縱桿發(fā)出動作命令，并將從臂的末端執(zhí)行器的姿態(tài)(位置和方向)映射到其工作空間中，并通過其反向運動計算從動臂的關(guān)節(jié)角度值。

但是，由于主臂與從臂之間的異構(gòu)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有技術(shù)提供的方法不能同時兼顧末端執(zhí)行器的位置和機器人臂的連桿的方向，故而造成用戶遠程操作不直觀，需要經(jīng)過廣泛的培訓(xùn)才能正確操作系統(tǒng)，并且操作人員容易出現(xiàn)錯誤，特別是當(dāng)遠程操作機器人系統(tǒng)工作在非結(jié)構(gòu)化，受限制的障礙物環(huán)境中時。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的一種異構(gòu)主從系統(tǒng)的運動映射方法，包括：

S1、獲取主臂的各個連桿的方向數(shù)據(jù)，并確定所述方向數(shù)據(jù)對應(yīng)的主臂姿態(tài)；

S2、基于單位對偶四元數(shù)，將所述主臂的各個連桿的方向數(shù)據(jù)作為輸入，采用正向運動學(xué)FK和反向運動學(xué)IK算法，將所述主臂姿態(tài)映射為從臂姿態(tài)。

其中，在S1之前，所述方法還包括：

構(gòu)建從臂模型，使得從臂的各個連桿的方向和主臂的各個連桿的方向一致。

其中，所述構(gòu)建從臂模型，使得從臂的各個連桿的方向和主臂的各個連桿的方向一致，包括：

在所述從臂模型中構(gòu)建三自由度的腕關(guān)節(jié)對應(yīng)主臂的腕部、構(gòu)建單自由度的肘關(guān)節(jié)對應(yīng)主臂的肘部、構(gòu)建兩自由度的肩關(guān)節(jié)對應(yīng)主臂的肩部；

依次用連桿連接所述肩關(guān)節(jié)、所述肘關(guān)節(jié)以及所述腕關(guān)節(jié)，并調(diào)整連桿的方向和主臂的各個連桿的方向一致。

其中，S2包括：

基于單位對偶四元數(shù)，將所述主臂的各個連桿的方向數(shù)據(jù)作為輸入，獲取主臂運動姿態(tài)對應(yīng)的當(dāng)前運動角度和期望運動角度；

基于所述主臂運動姿態(tài)對應(yīng)的當(dāng)前運動角度和期望運動角度，利用IK算法，依次計算從臂肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)以及腕關(guān)節(jié)設(shè)置的角度；

基于所述從臂肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)以及腕關(guān)節(jié)設(shè)置的角度，利用FK算法，確定所述從臂姿態(tài)，以實現(xiàn)將所述主臂姿態(tài)映射為從臂姿態(tài)。

其中，所述基于所述主臂運動姿態(tài)對應(yīng)的當(dāng)前運動角度和期望運動角度，利用IK算法，依次計算從臂肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)以及腕關(guān)節(jié)設(shè)置的角度，包括：