一种带电作业机器人机械臂协作力反馈主从控制方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种带电作业机器人机械臂协作力反馈主从控制方法及系统。包括操作手、机械臂和工控机；机械臂末端安装有六自由度力/力矩传感器；主操作手力反馈控制时，工控机根据机械臂末端的受力数据，计算出主操作手各个关节的扭矩数据，通过主操作手的控制接口，控制主操作手各关节输出扭矩；所述械臂末端受力数据的标量为六自由度力/力矩数据，包括两部分：一部分来自于机械臂与环境接触时产生的受力数据，此部分数据由机械臂末端的六自由度力/力矩传感器采集获得；另一部分来自于机械臂之间相互碰撞而产生的受力数据。本发明专利技术可以精确、高效、安全地完成带电作业。

【技术实现步骤摘要】
一种带电作业机器人机械臂协作力反馈主从控制方法及系统
本专利技术属于电力
，具体涉及一种带电作业机器人机械臂协作力反馈主从控制方法及系统。
技术介绍
随着带电作业机器人的逐渐发展，传统的人机共处绝缘仓式的操作已经不能满足带电作业环境下的控制性能与安全性需求。此前，作业人员可以通过主操作手远程遥控机器人的带电作业机器人，可保证作业人员与高压电场隔离；远程遥控操作时，操作人员根据作业场景监控系统监控作业过程，对机器臂与作业对象之间、机械臂之间、作业对象与作业环境之间的相对位置的判断更精确，且不会存在视觉死角，操作精度更高，可以防止碰撞发生，提高了作业安全性。但是，在使用前述带电作业机器人进行精确定位的带电操作时，例如拆接隔离刀闸、跌落式熔断器及避雷器两端导线等，主要通过观察作业环境图像(包括实时图像和3D建模图像)来判断机械臂是否操作到位，对于机械臂与操作对象之间以及机械臂与机械臂之间接触力度大小并无感知，难以判断操作精度是否符合操作要求。如果操作人员或者控制系统能够感知机械臂与操作对象之间以及机械臂与机械臂之间接触力度大小，则可以更加精准地判断各项操作是否精准到位，且可以防止机械臂之间相互碰撞。由于力反馈主手能够同时实现多个自由度的位置控制与力反馈，把力反馈主手应用到带电作业机器人主从控制的需求非常强烈。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种带电作业机器人机械臂协作力反馈主从控制方法及系统，可以精确、高效、安全地完成带电作业。为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种带电作业机器人机械臂协作力反馈主从控制方法，操作手、机械臂和工控机组成带电作业机器人力反馈主从控制系统；机械臂末端安装有六自由度力/力矩传感器；主操作手力反馈控制时，工控机根据机械臂末端的受力数据，计算出主操作手各个关节的扭矩数据，通过主操作手的控制接口，控制主操作手各关节输出扭矩；所述械臂末端受力数据的标量为六自由度力/力矩数据，包括两部分：一部分来自于机械臂与环境接触时产生的受力数据，此部分数据由机械臂末端的六自由度力/力矩传感器采集获得；另一部分来自于机械臂之间相互碰撞而产生的受力数据。进一步，对主操作手静力学建模，得到机械臂末端六自由度力/力矩数据到主操作手各个关节扭矩数据的转换关系，工控机根据所述转换关系计算出主操作手各个关节的扭矩数据。进一步，来自于机械臂之间相互碰撞而产生的受力数据通过以下方法获得：步骤1，获取第一机械臂与第二机械臂的末端位姿，运用第二机械臂的基坐标系到第一机械臂的基坐标系的转换矩阵，将第二机械臂的末端位姿坐标转换到第一机械臂的基坐标系中；步骤2，在第一机械臂的基坐标系中，以第一机械臂的末端位姿坐标为球心，创建包围球，包围球的半径为碰撞检测半径；步骤3，在第一机械臂的基坐标系中，检测上述包围球与第二机械臂的末端位姿坐标的碰撞关系，若没有发生碰撞，则第一机械臂末端受力数据为零，第一主操作手末端反馈力也为零，若发生碰撞，则根据第一机械臂与第二机械臂的末端位姿计算碰撞深度矢量，然后进入步骤4；步骤4，采用弹簧模型计算计算第一机械臂末端受力数据，F＝-kx其中，k为弹簧系数，x为碰撞深度矢量，F为受力数据，F为六维矢量，其标量为六自由度力/力矩数据；步骤5，将步骤4得到的第一机械臂末端的六自由度力/力矩数据取反获得第二机械臂末端的六自由度力/力矩数据。进一步，机械臂位姿控制时，工控机根据主操作手各旋转关节的角度数据，计算出机械臂末端速度矢量的期望值，通过机械臂的控制接口，按照所述期望值控制机械臂运动；获取机械臂末端速度矢量期望值的方法为：运用D-H建模方法对主操作手建模，得出主操作手的各个旋转关节的角度数据到主操作手末端位姿数据的转换关系；工控机接收主操作手发送的各个旋转关节的角度数据，根据所述转换关系计算得到主操作手末端位姿数据，然后将主操作手末端位姿数据通过微分运算得到主操作手末端速度数据；根据主操作手末端位姿数据和末端速度数据，使用速度前馈PID控制器，计算得到机械臂末端速度矢量期望值。进一步，所述主操作手和机械臂均为一个或者多个自由度机械臂结构。本专利技术还提出一种带电作业机器人机械臂协作力反馈主从控制系统，包括操作手、机械臂和工控机；机械臂末端安装有六自由度力/力矩传感器；所述主操作手和机械臂均为一个或者多个自由度机械臂结构；所述主操作手能够采集每个旋转关节的角度数据，每个旋转关节具备力矩电机，能够输出扭矩；所述机械臂末端安装有六自由度力/力矩传感器，用于采集机械臂与环境接触时产生的六个方向的受力数据；主操作手力反馈控制时，工控机根据机械臂末端的受力数据，计算出主操作手各个关节的扭矩数据，通过主操作手的控制接口，控制主操作手各关节输出扭矩；所述械臂末端受力数据的标量为六自由度力/力矩数据，包括两部分：一部分来自于机械臂与环境接触时产生的受力数据，此部分数据由机械臂末端的六自由度力/力矩传感器采集获得；另一部分来自于机械臂之间相互碰撞而产生的受力数据。进一步，对主操作手静力学建模，得到机械臂末端六自由度力/力矩数据到主操作手各个关节扭矩数据的转换关系，工控机根据所述转换关系计算出主操作手各个关节的扭矩数据。进一步，来自于机械臂之间相互碰撞而产生的受力数据通过以下方法获得：步骤1，获取第一机械臂与第二机械臂的末端位姿，运用第二机械臂的基坐标系到第一机械臂的基坐标系的转换矩阵，将第二机械臂的末端位姿坐标转换到第一机械臂的基坐标系中；步骤2，在第一机械臂的基坐标系中，以第一机械臂的末端位姿坐标为球心，创建包围球，包围球的半径为碰撞检测半径；步骤3，在第一机械臂的基坐标系中，检测上述包围球与第二机械臂的末端位姿坐标的碰撞关系，若没有发生碰撞，则第一机械臂末端受力数据为零，若发生碰撞，则根据第一机械臂与第二机械臂的末端位姿计算碰撞深度矢量，然后进入步骤4；步骤4，采用弹簧模型计算第一机械臂末端受力数据，F＝-kx其中，k为弹簧系数，x为碰撞深度矢量，F为受力数据，F为六维矢量，其标量为六自由度力/力矩数据；步骤5，将步骤4得到的第一机械臂末端的六自由度力/力矩数据取反获得第二机械臂末端的六自由度力/力矩数据。进一步，机械臂位姿控制时，工控机根据主操作手各旋转关节的角度数据，计算出机械臂末端速度矢量的期望值，通过机械臂的控制接口，按照所述期望值控制机械臂运动；获取机械臂末端速度矢量期望值的方法为：运用D-H建模方法对主操作手建模，得出主操作手的各个旋转关节的角度数据到主操作手末端位姿数据的转换关系；工控机接收主操作手发送的各个旋转关节的角度数据，根据所述转换关系计算得到主操作手末端位姿数据，然后将主操作手末端位姿数据通过微分运算得到主操作手末端速度数据；根据主操作手末端位姿数据和末端速度数据，使用速度前馈PID控制器，计算得到机械臂末端速度矢量期望值。进一步，所述主操作手和机械臂均为一个或者多个自由度机械臂结构。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)操作人员通过操控主操作手的末端，带电作业机械臂的末端能够跟随主操作手末端的姿态，操作人员看到的主操作手的姿态也是带电作业机械臂的姿态，这使得操作直观、灵活。力反馈功能的引入使得遥操作不再是单一的姿态给定，操作人员能够感受带电作业机械臂与环境的接触力，拥有更好的操作临场本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带电作业机器人机械臂协作力反馈主从控制方法，其特征在于，操作手、机械臂和工控机组成带电作业机器人力反馈主从控制系统；机械臂末端安装有六自由度力/力矩传感器；主操作手力反馈控制时，工控机根据机械臂末端的受力数据，计算出主操作手各个关节的扭矩数据，通过主操作手的控制接口，控制主操作手各关节输出扭矩；所述械臂末端受力数据的标量为六自由度力/力矩数据，包括两部分：一部分来自于机械臂与环境接触时产生的受力数据，此部分数据由机械臂末端的六自由度力/力矩传感器采集获得；另一部分来自于机械臂之间相互碰撞而产生的受力数据。

【技术特征摘要】
1.一种带电作业机器人机械臂协作力反馈主从控制方法，其特征在于，操作手、机械臂和工控机组成带电作业机器人力反馈主从控制系统；机械臂末端安装有六自由度力/力矩传感器；主操作手力反馈控制时，工控机根据机械臂末端的受力数据，计算出主操作手各个关节的扭矩数据，通过主操作手的控制接口，控制主操作手各关节输出扭矩；所述械臂末端受力数据的标量为六自由度力/力矩数据，包括两部分：一部分来自于机械臂与环境接触时产生的受力数据，此部分数据由机械臂末端的六自由度力/力矩传感器采集获得；另一部分来自于机械臂之间相互碰撞而产生的受力数据。2.如权利要求1所述带电作业机器人机械臂协作力反馈主从控制方法，其特征在于，对主操作手静力学建模，得到机械臂末端六自由度力/力矩数据到主操作手各个关节扭矩数据的转换关系，工控机根据所述转换关系计算出主操作手各个关节的扭矩数据。3.如权利要求1所述带电作业机器人机械臂协作力反馈主从控制方法，其特征在于，来自于机械臂之间相互碰撞而产生的受力数据通过以下方法获得：步骤1，获取第一机械臂与第二机械臂的末端位姿，运用第二机械臂的基坐标系到第一机械臂的基坐标系的转换矩阵，将第二机械臂的末端位姿坐标转换到第一机械臂的基坐标系中；步骤2，在第一机械臂的基坐标系中，以第一机械臂的末端位姿坐标为球心，创建包围球，包围球的半径为碰撞检测半径；步骤3，在第一机械臂的基坐标系中，检测上述包围球与第二机械臂的末端位姿坐标的碰撞关系，若没有发生碰撞，则第一机械臂末端受力数据为零，若发生碰撞，则根据第一机械臂与第二机械臂的末端位姿计算碰撞深度矢量，然后进入步骤4；步骤4，采用弹簧模型计算第一机械臂末端受力数据，F＝-kx其中，k为弹簧系数，x为碰撞深度矢量，F为受力数据，F为六维矢量，其标量为六自由度力/力矩数据；步骤5，将步骤4得到的第一机械臂末端的六自由度力/力矩数据取反获得第二机械臂末端的六自由度力/力矩数据。4.如权利要求1所述带电作业机器人机械臂协作力反馈主从控制方法，其特征在于，机械臂位姿控制时，工控机根据主操作手各旋转关节的角度数据，计算出机械臂末端速度矢量的期望值，通过机械臂的控制接口，按照所述期望值控制机械臂运动；获取机械臂末端速度矢量期望值的方法为：运用D-H建模方法对主操作手建模，得出主操作手的各个旋转关节的角度数据到主操作手末端位姿数据的转换关系；工控机接收主操作手发送的各个旋转关节的角度数据，根据所述转换关系计算得到主操作手末端位姿数据，然后将主操作手末端位姿数据通过微分运算得到主操作手末端速度数据；根据主操作手末端位姿数据和末端速度数据，使用速度前馈PID控制器，计算得到机械臂末端速度矢量期望值。5.如权利要求1至4所述的任意一种带电作业机器人机械臂协作力反馈主从控制方法，其特征在于，所述主操作手和机械臂均为一个或者多个自由度机械臂结构。6.一种带电作业机器人机械臂协作力反馈主从控制系统，其特征在于，包括操作手、机械臂和工控机；机械臂末端...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭健，汤冯炜，郭毓，吴禹均，龚勋，韩若冰，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32