一种主从式遥操作工业机器人系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种主从式遥操作工业机器人系统及其控制方法，所述系统包括主机器人、与主机器人相连的主从控制系统、及与控制系统相连的从机器人，所述主机器人包括力反馈设备，操作人员将主机器人运动指令通过主从控制系统传递给从机器人，从机器人跟随主机器人运动，进而完成对任务对象的操作，同时从机器人将任务状态反馈给操作人员。本发明专利技术通过分析主手和从手的几何构型，设计了主从运动映射策略，采用了基于逆雅克比矩阵主从控制算法，并通过比例-微分控制环节来消除主从位置跟随误差，为了消除操作者手部抖动对手术机器人精度影响，设计了低通数字滤波器来滤除手部颤动。

【技术实现步骤摘要】
一种主从式遥操作工业机器人系统及其控制方法
本专利技术涉及时工业机器人
，尤其涉及一种主从式遥操作工业机器人系统及其控制方法。
技术介绍
本专利技术涉及工业用机器人的主从遥操作运动控制及遥操作示教再现方法，主要用于制造加工业、自动化控制及其配套产品生产领域，可以高效准确地生成作业序列，优化操作路径，使得机器人动作过程可以平稳的重现。现代工业快速多变以及日益复杂性，广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与数量，而目对保障人身安全，减轻劳动强度，提高劳动生产率，降低生产成本，有着十分重要的意义。机器人作为能作为一个开放并具有友好的人机交互功能的可编程、可重构制造单元融合到制造业系统中。示教技术通过示教盒或软件，根据任务需要实现对机器人作业任务的编程。示教再现方法的优点是简单、容易实现。通常机器人采用的示教方法是示教盒，操作人员通过按示教盒上相应的命令按钮移动机器人的每个关节，直至所有关节的运动组合产生所需的目标示教姿态。中国专利申请201210059636.4公开了一种具备总线通信的机器人示教盒及其控制方法，提出了一种基于总线的可远离机器人本体进行远程操作的、可对机器人运行参数进行监控的机器人示教盒。中国专利申请201120293768.4针对目前国内外使用的有线示教盒的拖线易断及控制距离受限的问题，提出一种应用于机器人系统上的无线遥控示教器由无线遥控示教器，来解决这些问题。现有技术中的示教方法需要操作人员通过按示教盒上相应的命令按钮移动机器人的每个关节，直至所有关节的运动组合产生所需的目标示教姿态，操作复杂、功能单一、操作灵活性差、示教次数多、步进时冲击大等缺点，对于操作者来说也十分不便，需要记住控制每个关节正反转的按钮，给操作者造成生理和心理上沉重的负担。基于笛卡尔空间的位姿示教需要操作者事先知道机器人的基坐标系，逐个按下各方向的命令按钮，直至各运动组合产生所需的目标姿态，操作非常不便。目前还没有一种直观的控制方式能够使得操作人员在笛卡尔空间轻松的控制从机器人到达期望的示教位姿。因此，针对上述技术问题，有必要提供一种主从式遥操作工业机器人系统及其控制方法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种主从式遥操作工业机器人系统及其控制方法，通过分析主手和从手的几何构型，设计了主从运动映射策略，采用了基于逆雅克比矩阵主从控制算法，并通过比例-微分控制环节来消除主从位置跟随误差，为了消除操作者手部抖动对手术机器人精度影响，设计了低通数字滤波器来滤除手部颤动。为了达到上述目的，本专利技术实施例提供的技术方案如下：一种主从式遥操作工业机器人系统，所述系统包括主机器人、与主机器人相连的主从控制系统、及与控制系统相连的从机器人，所述主机器人包括力反馈设备，操作人员将主机器人运动指令通过主从控制系统传递给从机器人，从机器人跟随主机器人运动，进而完成对任务对象的操作，同时从机器人将任务状态反馈给操作人员。作为本专利技术的进一步改进，所述主从控制系统包括：工业PC机，通过IEEE1394接口与主机器人相连；光学跟踪器，与工业PC机相连，所述工业PC机通过网卡与光学跟踪器进行数据交换；运动控制器，与工业PC机通过网卡相连，运动控制器接受主机器人的操作命令，并对操作命令进行处理生成运动指令发送给从机器人。作为本专利技术的进一步改进，所述从机器人包括若干一一相连的伺服放大器和伺服电机，所述伺服放大器接受运动控制器发送的运动指令，放大后发送至相应的伺服电机，伺服电机根据运动指令完成相应的动作。作为本专利技术的进一步改进，所述从机器人还包括若干与伺服放大器相连的编码器，主从控制系统还包括信号转换单元，信号转换单元用于对编码器的初始值进行设定。作为本专利技术的进一步改进，所述信号转换单元通过RS232接口与工业PC机相连，信号转换单元通过RS422接口与伺服放大器相连。相应地，一种主从式遥操作工业机器人控制方法，所述方法包括：S1、获取主机器人中主手各关节的位置信息和速度信息，经过主手正运动学计算得到主手各关节在笛卡尔空间的位置信息和速度信息；S2、经过主从比例映射后得到从机器人从手末端在笛卡尔空间的速度信息，再经过从手逆雅可比矩阵变换后得到从手各关节的速度信息；S3、经过关节速度限制运算后输出控制信号控制各伺服电机运动；S4、引入比例-微分控制环节来消除主从手位置跟随误差。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S2中，经过主从比例映射后，主从手位置跟随误差e为：e＝(Xm-Xm0)-K(Xs-Xs0)；主从手末端速度误差为：其中，Xm和Xs分别为主手和从手末端执行器在笛卡尔空间坐标中的位置坐标，Xm0和Xs0分别为主从手末端执行器的初始位置，和分别为主从手末端执行器的笛卡尔速度矢量，K为3×3主从映射对角系数矩阵。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S4中“消除主从手位置跟随误差”通过误差控制方程实现，相应的误差控制方程为：Kp和Kd分别为3×3比例、微分系数矩阵。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S2中从手末端在笛卡尔空间的速度信息为：从机器人关节角速度信息为：其中，θs和分别表示从机器人关节角度和关节角速度矢量；为从机器人逆雅克比矩阵。作为本专利技术的进一步改进，所述方法还包括：主从控制过程中，实时检测从手雅可比矩阵的奇异性，当从机器人某位形灵活性下降时则切换到关节映射模式：Kr为5×5主从关节速度映射系数矩阵。本专利技术具有以下有益效果：操作人员可以通过主机器人末端操作杆控制从机器人运动到期望的示教位姿，这种方式符合操作者的习惯，不需要通过间接控制各个关节使机器人到达示教位姿；能够用于制造业自动化生产，示教模块实时记录机器人运行轨迹，优化操作路径，高效准确地生成控制指令序列与示教文件，使得机器人动作过程可以平稳的重现。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术一种主从式遥操作工业机器人系统的原理图。图2为本专利技术一具体实施方式中主从式遥操作工业机器人系统的结构示意图。图3为本专利技术一具体实施方式中主手和6R机器人几何构型及连杆坐标系示意图。图4为本专利技术一具体实施方式中主从式遥操作工业机器人控制方法的原理图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术中的技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。本专利技术主从式遥操作工业机器人系统由控制端和操作端两大部分组成。控制端主要由PC机和主机器人构成，主机器人采用通用的力反馈设备；操作端主要指完成示教再现功能的从机器人，从手为通用的工业机器人。通过分析主手和从手的几何构型，设计了主从运动映射策略，采用了基于逆雅克比矩阵主从控制算法，并通过比例-微分控制环节来消除主从位置跟随误差，为了消除操作者手部抖动对手术机器人精度影响，设计了低通数字滤波器来滤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种主从式遥操作工业机器人系统，其特征在于，所述系统包括主机器人、与主机器人相连的主从控制系统、及与控制系统相连的从机器人，所述主机器人包括力反馈设备，操作人员将主机器人运动指令通过主从控制系统传递给从机器人，从机器人跟随主机器人运动，进而完成对任务对象的操作，同时从机器人将任务状态反馈给操作人员。

【技术特征摘要】
1.一种主从式遥操作工业机器人系统的控制方法，其特征在于，所述主从式遥操作工业机器人系统包括主机器人、与主机器人相连的主从控制系统、及与控制系统相连的从机器人，所述主机器人包括力反馈设备，所述控制方法包括：S1、获取主机器人中主手各关节的位置信息和速度信息，经过主手正运动学计算得到主手各关节在笛卡尔空间的位置信息和速度信息；S2、经过主从比例映射后得到从机器人从手末端在笛卡尔空间的速度信息，再经过从手逆雅可比矩阵变换后得到从手各关节的速度信息，主从控制过程中，实时检测从手雅可比矩阵的奇异性，当从机器人某位形灵活性下降时则切换到关节映射模式：Kr为5×5主从关节速度映射系数矩阵；S3、经过关节速度限制运算后输出控制信号控制各伺服电机运动；S4、引入比例...

【专利技术属性】
技术研发人员：张东文，熊璟，王磊，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44