[發明專利]一種非均勻牽引力機械臂末端牽引遙操作控制方法

有效

• 申請號: 202011060120.2
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112223286B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 紀鵬;馬鳳英;張芳芳;張慧;曹茂永
• 申請（專利權）人: 齊魯工業大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 趙敏玲

本發明公開了一種非均勻牽引力機械臂末端牽引遙操作控制方法，涉及機械臂控制領域，設計的自抗擾滑模控制器能夠將非均勻牽引對機器人關節帶來沖擊的視為干擾，并能夠在線估計干擾的大小并消除這種沖擊干擾，使每個關節能夠快速、準確、穩定地跟蹤末端牽引軌跡對應的關節軌跡，可以解決非均勻牽引時加速度突變導致的機械臂無法實現軌跡跟蹤的問題，實現人機交互設備對機械臂的快速、穩定地高精度末端牽引控制，并且避免因為非均勻牽引導致的關節顫振及機械臂不受控的情況。

技術領域

本發明涉及機械臂控制領域，具體涉及一種非均勻牽引力機械臂末端牽引遙操作控制方法。

背景技術

目前，機器人技術發展迅速。對于一些簡單的結構化場景，機器人已經能實現完全自主作業。但是對于一些復雜、未知、危險的非結構化環境，機器人還不能實現完全的自主作業，其主要工作方式仍然依靠遙操作技術。主端操作者通過人機交互技術將操作者意圖融合到機器人的實時控制中，這種融合了人類智慧的遙操作控制技術能夠提高非結構化環境下機器人的作業能力。比如，人類可以通過人機交互遙操作技術控制移動機器人進入危險環境中執行任務，如核電站檢修、排爆、放射物處置、深海探測等。這類移動機器人一般都會搭載一個多自由度機械臂。這類作業任務的成功與否及作業效率的高低，依賴于主端操作者對多自由度機械臂的操作水平和熟練程度。

末端軌跡控制是機械臂的一種常見控制模式。在這種控制模式中，操作者首先通過人機交互設備生成三維空間的運動軌跡，并將三維空間的運動軌跡映射為機械臂末端運動空間中的運動軌跡，然后通過機器人逆運動學算法求解機械臂在關節空間的關節解，最后通過軌跡跟蹤算法使機械臂各個關節跟蹤關節解，即可實現操作者對機械臂的末端軌跡控制(也即末端牽引控制)。

發明人發現，目前操作者通過人機交互設備(如鼠標、手勢、手柄或搖桿等)對機械臂實施末端牽引的過程中，極有可能出現非均勻牽引的情況(如手抖)。非均勻牽引會導致牽引軌跡的加速度發生突變。經過機器人逆運動學求解后，牽引軌跡對應的期望關節軌跡也會出現加速度突變。由于機械臂系統是非線性強耦合系統，機械臂系統的每個關節在跟蹤帶有加速度突變的期望關節軌跡時，會導致關節空間關節角加速度的劇烈變化從而導致機械臂關節顫振。而機械臂關節的顫振很有可能會導致機械臂末端發生劇烈波動甚至導致機械臂無法實現軌跡跟蹤。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明的目的是提供一種非均勻牽引力機械臂末端牽引遙操作控制方法，該裝置可以解決非均勻牽引時加速度突變導致的機械臂無法實現軌跡跟蹤的問題，實現人機交互設備對機械臂的快速、穩定地高精度末端牽引控制，并且避免因為非均勻牽引導致的關節顫振及機械臂不受控的情況。

為了實現上述目的，本發明是通過如下的技術方案來實現：

一種非均勻牽引力機械臂末端牽引遙操作控制方法，包括以下步驟：

獲取交互設備輸入的軌跡并映射為機械臂運動空間中的牽引軌跡；

求解牽引軌跡在機械臂關節空間中每個關節的期望關節軌跡；

為每個關節引入一個虛擬控制量，將機械臂系統解耦為單輸入-單輸出的關節組；

對每個關節配置一種自抗擾滑模控制器減弱期望關節軌跡中出現的加速度突變，并將其輸出值作為每個關節的虛擬控制量，使每個關節跟蹤對應關節期望關節軌跡；

將所有關節的虛擬控制量還原為機械臂整體的實際控制量，并對實際控制量進行去噪后發送給遙操作機械臂的驅動器，實現機械臂末端對牽引軌跡的跟蹤。

進一步地，對于軌跡的映射包括以下步驟：

建立機械臂的正運動學方程，設定各個關節角的運動范圍，并獲取機械臂末端在空間內的運動范圍；

依據交互設備的活動自由度，設定交互設備多個活動自由度的活動范圍與機械臂末端多個維度的運動范圍相對應，并實現匹配。