一种基于复杂操作任务的非完整遥操作约束控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于复杂操作任务的非完整遥操作约束控制方法，通过计算约束矩阵CVF，复杂操作任务分解，最终设计约束控制器；本发明专利技术针对复杂的空间操控任务，与一般的机械臂控制方法相比较，具有任务层面和控制方法的两大有益效果。首先，机械臂在空间中要完成的操控任务包括目标接近、路径跟踪及躲避障碍等，本发明专利技术根据操作任务的不同选取合适的运动旋量集合来构造约束矩阵，较以往方法更具有适应复杂任务的能力；其次，非完整约束控制方法可以使操作更加灵活，操作者可以控制机械臂仅在平移或旋转方向运动，无需提供额外的约束，从而减轻操作者压力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于空间遥操作
，涉及一种基于复杂操作任务的非完整遥操作约束控制方法。
技术介绍
在诸多机器人领域中已经证明了虚拟夹具在任务执行时间及总体精准度方面都有提高，然而夹具也是非灵敏型的辅助，如在空间遥操作过程中，需要通过虚拟夹具对机械臂末端的位置及姿态同时进行控制，在保证位置控制最优的情况下往往会失去对末端姿态的准确控制。为了在空间遥操作中实现良好的操作效果，需要给机械臂末端添加合适的辅助，使其灵活的根据任务环境及操作任务进行位置和姿态协调。在非结构化环境中，机器人的运动受到几何及动力学约束，平移和旋转自由度受到限制。在空间遥操作任务过程时，机械臂末端一般只在平动方向约束情况下便能完成操作任务，然而针对一些复杂的空间操控任务，仅仅平动方向的约束限制难以保证操作的高效性和安全性，故要求在机械臂末端旋转方向也添加辅助作用，使操作者能够动态的根据实际操作环境改变平动和旋转方向的虚拟夹具辅助效果，从而更好的完成遥操作任务。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于复杂操作任务的非完整遥操作约束控制方法。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种基于复杂操作任务的非完整遥操作约束控制方法，包括以下步骤：1)计算约束矩阵CVF；定义约束矩阵CVF表示对应的约束能力，且CVF是6×6半正定对称矩阵，并将空间作用力映射成CVF的矩阵元素；操作者控制机械臂末端向着最优方向和非最优方向的运动构成了空间几何约束，且都由se(3)中的单位旋量表示，给出旋量集合S：则分解成m个rank-1的半正定矩阵之和： C V F b = c 1 S 1 S 1 T + c 2 S 2 S 2 T + ... + c m S m S m T = C 1 + C 2 + ... + C m , c i > 0 - - - ( 1 ) ]]>其中，正比例系数ci代表了每个约束矩阵Ci的约束能力大小，强约束使操作者控制机械臂末端沿着最优方向运动，弱约束使沿着非最优方向发生偏离；操作者控制力的大小决定了机械臂末端在旋转和平移方向发生的位移变化δXb＝(δφb,δqb)，有 δ φ b δq b = C V F b m b f b - - - ( 2 ) ]]>其中，表示作用在机械臂末端的操作者控制力，δXb表示旋转和平移方向的微小位移；虚拟夹具辅助下的完整约束等同于约束矩阵C为满秩矩阵，而非完整约束则对应约束矩阵C为非满秩矩阵；2)复杂操作任务分解；遥操作中的复杂操作任务能够分解成多个任务的组合；针对几个不同的任务，选取最优的运动旋量集合；3)约束控制器设计；设机械臂的空间运动速度为Vb＝(ωb,vb)，其中ωb、vb分别表示惯性空间中机械臂的旋转角速度和切向速度；控制器设计如下： ω b v b = K c 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于复杂操作任务的非完整遥操作约束控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)计算约束矩阵CVF；定义约束矩阵CVF表示对应的约束能力，且CVF是6×6半正定对称矩阵，并将空间作用力映射成CVF的矩阵元素；操作者控制机械臂末端向着最优方向和非最优方向的运动构成了空间几何约束，且都由se(3)中的单位旋量表示，给出旋量集合S：则分解成m个rank‑1的半正定矩阵之和：CVFb=c1S1S1T+c2S2S2T+...+cmSmSmT=C1+C2+...+Cm,ci>0---(1)]]>其中，正比例系数ci代表了每个约束矩阵Ci的约束能力大小，强约束使操作者控制机械臂末端沿着最优方向运动，弱约束使沿着非最优方向发生偏离；操作者控制力的大小决定了机械臂末端在旋转和平移方向发生的位移变化δXb＝(δφb,δqb)，有δφbδqb=CVFbmbfb---(2)]]>其中，表示作用在机械臂末端的操作者控制力，δXb表示旋转和平移方向的微小位移；虚拟夹具辅助下的完整约束等同于约束矩阵C为满秩矩阵，而非完整约束则对应约束矩阵C为非满秩矩阵；2)复杂操作任务分解；遥操作中的复杂操作任务能够分解成多个任务的组合；针对几个不同的任务，选取最优的运动旋量集合；3)约束控制器设计；设机械臂的空间运动速度为Vb＝(ωb,vb)，其中ωb、vb分别表示惯性空间中机械臂的旋转角速度和切向速度；控制器设计如下：ωbvb=KcCVF(g,gd)mbfb---(9)]]>其中，约束矩阵CVF(g,gd)表示对机械臂的约束能力，操作者控制力定义为Fb＝(mb,fb)，比例系数Kc＝diag(crI3×3,cpI3×3)控制操作者约束作用力的大小。...

【技术特征摘要】
1.一种基于复杂操作任务的非完整遥操作约束控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)计算约束矩阵CVF；定义约束矩阵CVF表示对应的约束能力，且CVF是6×6半正定对称矩阵，并将空间作用力映射成CVF的矩阵元素；操作者控制机械臂末端向着最优方向和非最优方向的运动构成了空间几何约束，且都由se(3)中的单位旋量表示，给出旋量集合S：则分解成m个rank-1的半正定矩阵之和： C V F b = c 1 S 1 S 1 T + c 2 S 2 S 2 T + ... + c m S m S m T = C 1 + C 2 + ... + C m , c i > 0 - - - ( 1 ) ]]>其中，正比例系数ci代表了每个约束矩阵Ci的约束能力大小，强约束使操作者控制机械臂末端沿着最优方向运动，弱约束使沿着非最优方向发生偏离；操作者控制力的大小决定了机械臂末端在旋转和平移方向发生的位移变化δXb＝(δφb,δqb)，有 δφ b δq b = C V F b m b f b - - - ( 2 ) ]]>其中，表示作用在机械臂末端的操作者控制力，δXb表示旋转和平移方向的微小位移；虚拟夹具...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄攀峰，潘吉祥，刘正雄，孟中杰，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61