[發明專利]基于末端工作空間的仿人機械臂的跟隨控制方法及系統

有效

• 申請號: 202111177274.4
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN113967911B
• 公開（公告）日: 2023-06-13
• 發明（設計）人: 楊燦軍;武鑫;朱元超;王楚璇;魏謙笑
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J3/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 何彬

本發明涉及一種基于末端工作空間的仿人機械臂的跟隨控制方法及系統，屬于機器人控制技術領域。該方法包括：(1)獲取人手臂的關節角度數據；(2)計算出機械臂的目標腕關節坐標數據與肘關節坐標數據；(3)以肘關節及肩關節角度數據為自變量，以機械臂末端工作空間為自變量取值范圍，至少以機械臂腕關節位置相對目標腕關節坐標數據的計算偏差構建適應度函數，利用遺傳算法搜索出最優角度數據，作為機械臂的關節角度數據及肘關節角度數據；及以人手臂的腕關節角度相對改變數據計算機械臂的腕關節角度改變數據；(4)控制仿人機械臂執行動作近似跟隨。利用遺傳算法，以能近似執行末端動作，從而能更好進行異構控制，其機器人遠程控制等領域。

本申請是申請號為CN?201911408896.6、發明名稱為“一種異構仿人機械臂的動作映射方法及系統”的發明專利的分案申請。

技術領域

本發明涉及一種機器人控制技術領域，具體地說，涉及一種基于末端工作空間的異構仿人機械臂的跟隨控制方法及系統。

背景技術

隨著海洋經濟的崛起，水下作業量將越來越復雜，越來越繁重。船舶底部，海洋鉆井平臺管道等水下平臺容易附著海生物，通常需要潛水員進行定期清理，雖然人工可對清理對象及清理效果進行自主判斷，但存在潛水員的人身安全難以保障、工作時間受海況影響較大及工作效率低等問題；此外，對于一些環境惡劣的場所作業，也存在對操作人員的人身安全造成影響的問題，例如，現場拆彈，現場掃雷等。

在這過程中，需利用搭載在現場機器人上的攝像頭獲取現場作業場景圖像，例如，公開號為CN108082415A的專利文獻所公開搭載在水下作業機器人上的全景成像系統，然后由操控人員在岸基上等現場外操作對機器人的下一動作進行控制。

為了便于操控現場左右機器人，尤其是具有仿人機械臂的作業機器人，其控制可以通過操作人員在現場外模擬場內操作動作，并通過獲取操作人員的關節角度數據，例如，可采用公開號為CN107967687A的專利文獻所公開的獲取目標物行走姿態的方法；在獲取操作人員，再根據角度數據遠程控制現場操作機器人的機械臂執行相應動作。

但是，在操作過程中，存在以下問題，雖然機械臂為仿人結構，但是仍難以與人手臂為同構結構，例如自由度或臂長不同，即通常都為異構，導致其難以利用人手臂的關節數據直接控制仿人機械臂進行操作，雖然能夠利用工作空間矩陣直接獲取機械臂控制的理論數據，但是由于二者異構，其所直接計算出的理論數據在部分情況下無法直接執行，而導致跟隨控制在部分情況下無法實現。

發明內容

本發明的主要目的是提供一種基于末端工作空間的異構仿人機械臂的控制方法，以在異構仿人機械臂與人手臂的跟隨控制過程中，能近似地執行一些無法完成的動作，而實現更好地跟隨控制；

本發明的另一目的是提供一種末端工作空間的異構仿人機械臂的控制系統，以能在異構仿人機械臂與人手臂的跟隨控制能近似地執行一些無法完成的動作，而實現更好地跟隨控制。

為了實現上述目的，本發明提供的跟隨控制方法基于末端工作空間，用于通過把人手臂和異構仿人機械臂的工作空間進行匹配，而把人手臂的動作映射給結構尺寸與人手臂不相同的異構仿人機械臂，控制方法包括以下步驟：

獲取步驟，獲取人手臂在示范動作過程中的關節角度數據；

匹配步驟，對異構仿人機械臂與人手臂的末端工作空間進行匹配，獲取兩個空間之間的轉換矩陣；并基于人手臂的當前腕關節坐標數據，利用轉換矩陣，計算出異構仿人機械臂的目標腕關節坐標數據；

計算步驟，基于目標腕關節坐標數據及異構仿人機械臂的結構尺寸數據，并以人體小臂的方向向量作為小臂的方向向量，計算出仿人機械臂的肘關節坐標數據；