[發明專利]一種基于虛擬現實技術的帶電作業機器人機械臂協作力反饋主從控制方法及系統

在審

• 申請號: 201810319664.2
• 申請日: 2018-04-11
• 公開（公告）號: CN108582032A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 郭健;湯馮煒;郭毓;吳禹均;龔勛;韓若冰
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: B25J5/06
• 分類號: B25J5/06;B25J3/00;B25J9/16
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 孟睿

本發明提出一種基于虛擬現實技術的帶電作業機器人機械臂協作力反饋主從控制方法及系統。包括操作手、機械臂和工控機；主操作手力反饋控制時，工控機根據機械臂末端的受力數據，計算出主操作手各個關節的扭矩數據，通過主操作手的控制接口，控制主操作手各關節輸出扭矩；所述械臂末端受力數據的標量為六自由度力/力矩數據，包括兩部分：一部分來自于機械臂與環境接觸時產生的受力數據，另一部分來自于機械臂之間相互碰撞而產生的受力數據；前述兩部分受力數據均采用基于虛擬現實的技術獲得。本發明可以精確、高效、安全地完成帶電作業。

技術領域

本發明屬于電力技術領域，具體涉及一種基于虛擬現實技術的帶電作業機器人機械臂協作力反饋主從控制方法及系統。

背景技術

隨著帶電作業機器人的逐漸發展，傳統的人機共處絕緣倉式的操作已經不能滿足帶電作業環境下的控制性能與安全性需求。此前，作業人員可以通過主操作手遠程遙控機器人的帶電作業機器人，可保證作業人員與高壓電場隔離；遠程遙控操作時，操作人員根據作業場景監控系統監控作業過程，對機器臂與作業對象之間、機械臂之間、作業對象與作業環境之間的相對位置的判斷更精確，且不會存在視覺死角，操作精度更高，可以防止碰撞發生，提高了作業安全性。但是，在使用前述帶電作業機器人進行精確定位的帶電操作時，例如拆接隔離刀閘、跌落式熔斷器及避雷器兩端導線等，主要通過觀察作業環境圖像(包括實時圖像和3D建模圖像)來判斷機械臂是否操作到位，對于機械臂與操作對象之間以及機械臂與機械臂之間接觸力度大小并無感知，難以判斷操作精度是否符合操作要求。如果操作人員或者控制系統能夠感知機械臂與操作對象之間以及機械臂與機械臂之間接觸力度大小，則可以更加精準地判斷各項操作是否精準到位，且可以防止機械臂之間相互碰撞。

由于力反饋主手能夠同時實現多個自由度的位置控制與力反饋，把力反饋主手應用到帶電作業機器人主從控制的需求非常強烈。

發明內容

本發明的目的在于提出一種基于虛擬現實技術的帶電作業機器人機械臂協作力反饋主從控制方法及系統，可以精確、高效、安全地完成帶電作業。

為了解決上述技術問題，本發明提出一種基于虛擬現實技術的帶電作業機器人機械臂協作力反饋主從控制方法，操作手、機械臂和工控機組成帶電作業機器人力反饋主從控制系統；主操作手力反饋控制時，工控機根據機械臂末端的受力數據，計算出主操作手各個關節的扭矩數據，通過主操作手的控制接口，控制主操作手各關節輸出扭矩；

所述械臂末端受力數據的標量為六自由度力/力矩數據，包括兩部分：一部分來自于機械臂與環境接觸時產生的受力數據，另一部分來自于機械臂之間相互碰撞而產生的受力數據；前述兩部分受力數據均采用基于虛擬現實的技術獲得，其中，獲得機械臂之間相互碰撞而產生的受力數據的過程為：

步驟1，獲取第二機械臂六個關節的角度數據，根據第二機械臂外型模型數據，生成第二機械臂的虛擬現實數據；

步驟2，運用第二機械臂的基坐標系到第一機械臂的基坐標系的轉換矩陣，將第二機械臂的虛擬現實數據轉換到第一機械臂的基坐標系中；

步驟3，運用八分法對第二機械臂的虛擬現實數據進行逐步劃分，構建八叉樹；

步驟4，獲取第一機械臂末端位姿數據，以該末端位姿數據為球心，創建包圍球，該包圍球的半徑為所需碰撞檢測的距離；

步驟5，對步驟4的包圍球與步驟3的八叉樹進行碰撞檢測，若沒有發生碰撞，則機械臂之間的受力數據為零，若發生碰撞，則獲得虛擬現實場景中發生碰撞的數據點，根據發生碰撞的數據點坐標與第一機械臂末端位姿數據，計算碰撞深度矢量，然后進入步驟6；

步驟6，采用彈簧模型計算第一機械臂末端受力數據，

F＝-kx

其中，k為彈簧系數，x為碰撞深度矢量，F為受力數據，F為六維矢量，其標量為六自由度力/力矩數據；