混合切换的主从异构型遥操作机器人的工作空间映射方法技术

本发明专利技术公开了一种混合切换的主从异构型遥操作机器人的工作空间映射方法。主从两端在远离抓取目标的外围运动范围时，采用关节空间‑关节空间的映射方式；主从两端在靠近抓取目标的内围运动范围时，采用操作空间‑操作空间的映射方式；主从两端从外围运动范围移动到内围运动范围时，采用特定的关节‑操作过渡方式切换，主从两端从内围运动范围移动到外围运动范围时，采用特定的操作‑关节过渡方式切换回。本发明专利技术方法实施简便，计算效率高，且同时能够满足大范围运动的灵活性与操作手感和局部精细操作的精确定位，并实现了平滑的过渡切换。

A workspace mapping method for master-slave heterogeneous teleoperation robots with mixed handover

The invention discloses a working space mapping method of a master-slave heterogeneous teleoperation robot with mixed switching. In the range of motion away from the peripheral ends of the master-slave grasp the target when mapping the joint space joint space; both ends around the range of motion near the master-slave grasp the target in the operation space, mapping operating space; master-slave ends from the periphery of range of motion moves to the inner movement range, by switching joint operation the specific way of transition, from the inner ends of master-slave motion range moving to the peripheral range of motion, the transition mode of operation joint specific switch back to. The method of the invention is easy to implement and has high calculation efficiency, and can simultaneously satisfy the flexibility of large range movement and the accurate positioning of the operation feel and the local fine operation, and realize the smooth transition switching.

【技术实现步骤摘要】
混合切换的主从异构型遥操作机器人的工作空间映射方法
本专利技术属于遥操作机器人
，具体涉及一种混合切换的主从异构型遥操作机器人的工作空间映射方法。
技术介绍
随着近现代工业技术的发展，很多探索工作和作业环境，人往往难以直接到达。虽然现代机器人技术已经得到长足的发展，但在非结构化环境中，全自主机器人在未来的相当长的一段时间内不能够实现，而人类对于机器人帮助人们完成特定的危险或人类不可及的任务的需求很迫切。因此，工作在人机交互方式下的主从式遥操作机器人系统成为一种有效的解决方案。不同于全自主机器人，遥操作机器人的控制信号由操作者通过主端设备给出，经过网络等通讯环节传至远端机器人处。从机器人按照所接受的指令在复杂、危险或者人类不可及的工作环境中作业，同时向主端机器人反馈工作状态，操作者可以根据反馈信息做出决策。目前，遥操作技术在外太空领域，医疗领域，海洋领域和核领域等已经得到了广泛的应用。典型的遥操作系统由操作者、主端设备、通信通道、从端设备和环境5个部分组成。根据遥操作系统主从设备结构形式，分为主端设备和从端设备结构相同的主从同构型遥操作机器人系统以及主端设备和从端设备结构不同的主从异构型遥操作机器人系统。主从异构型遥操作机器人系统由于主从结构形式多样，大大扩展了主从设备的可选范围。从端可以选择工业机器人，手术机器人，服务机器人等，提高了遥操作机器人系统的实用性，扩大了遥操作机器人的应用范围，不过由于主从设备工作空间不同，则需要对其进行一定的匹配已达到操作要求。目前已有的工作空间映射方案都是基于操作空间的，算法实现比较复杂。主从异构型遥操作机器人系统工作空间映射方法有常比例、变比例控制，速率控制，工作空间漂移控制，边界漂移控制，位置-速率切换控制等，位置控制存在精确度问题，速率控制无法实现快速运动，很难实现准确的位置定位。混合控制虽可以克服两者的缺陷，但位置和速率的切换方式目前没有很好的解决，有时会带来误操作和失稳现象。同时，上述方法多集中在如何将主端小工作空间内的点位置映射为从设备大工作空间内的点位置，即点到点的映射，对于遥操作工业机器人进行装配夹取操作时所要求的位姿信息，即位姿-位姿映射任务没有进一步研究。
技术实现思路
不同于主从同构型遥操作，主从异构型遥操作机器人由于主从端工作空间的不同，需要完成不同工作空间的映射匹配。本专利技术的目的在于提供了一种混合切换的主从异构型遥操作机器人的工作空间映射方法。为了使从端机械臂既能在空间大范围运动时具有良好的操作手感又能完成局部的精细操作，综合考虑算法的计算复杂性和两种映射方法过渡的平稳性，设计了一种基于关节空间和操作空间混合切换的映射方法。本专利技术具体实现方案包含如下步骤：本专利技术的遥操作机器人具有主端设备和从端设备，主从两端设备具有不同的结构，即具有不同的连杆长度、不同的运动自由度和不同的关节角运动范围。主从两端在远离抓取目标的外围运动范围时，采用关节空间-关节空间的映射方式；主从两端在靠近抓取目标的内围运动范围时，需要进行局部精细操作时，采用操作空间-操作空间的映射方式。所述关节空间-关节空间的映射方法具体是：获取主端设备的关节角信息，采用以下公式的映射方法得到从端设备对应的关节角，从而对从端设备进行控制：θs＝Kθm+θbiaa其中，θm表示主端关节角，为m×1向量，m表示主端设备(机械臂)的自由度数；θs表示从端关节角，为n×1向量，n表示从端设备(机械臂)的自由度数；K表示主从关节的比例系数，为m×n矩阵，当m＝n时，K为对角矩阵；θbias表示偏移量，为n×1向量。主从两端从外围运动范围移动到内围运动范围时，采用特定的关节-操作过渡方式将关节空间-关节空间的映射方式切换到操作空间-操作空间的映射方式，主从两端从内围运动范围移动到外围运动范围时，采用特定的操作-关节过渡方式将操作空间-操作空间的映射方式切换回到关节空间-关节空间的映射方式，从而完成工作空间映射。所述的关节-操作过渡方式具体为：根据切换时刻主从两端的末端位姿xms和xss，采用以下公式计算切换后时刻t下从端的末端位姿xsd_t，进而在内围运动范围持续保持主从两端之间的映射关系：xsd_t＝xss+k(xm_t-xms)其中，xm_t表示切换后t时刻下主端设备的末端位姿，xms表示切换时刻下主端设备的末端位姿，xss表示切换时刻下从端设备的末端位姿，k为比例系数。末端位姿指的是末端在操作空间下的坐标位置。所述的操作-关节过渡方式具体为：操作空间切换到关节空间时，根据切换时刻t1的主端设备的关节角度θms和从端设备的关节角度和θss，采用以下公式计算切换后时刻t2下从端设备的关节角度其中，表示切换后时刻t2下主端设备的关节角度，t表示时刻。若t2-t1小于5s，则采用上述公式进行过渡切换；若t2-t1大于等于5s，则公式会变成关节空间-关节空间的映射方式的公式，从而使得操作空间切换到关节空间完成平稳衔接，在外围运动范围持续保持主从两端之间的映射关系。所述比例系数k满足以下条件：根据主端末端的运动范围的边缘位姿和比例系数k代入以下公式计算获得从端末端的运动范围的边缘位姿，比例系数k能使得从端设备的运动范围能完整覆盖主端设备的运动范围：其中，xm,ym,zm分别表示主端末端在空间x,y,z三方向的运动范围，xs,ys,zs分别表示从端末端的运动范围。xbias,ybias,zbias表示从端设备运动范围和按照比例系数k放大后的主端设备的运动范围二者原点的偏移量；φm,θm和是以RPY角表示的主端设备末端的姿态，φm表示主端设备末端的翻滚roll角，θm表示主端设备末端的俯仰pitch角，表示主端设备末端的偏航yaw角，φs,θs和是从端设备末端的期望姿态，φs表示从端设备末端的翻滚roll角，θs表示从端设备末端的俯仰pitch角，表示从端设备末端的偏航yaw角。具体实施是从主从端工作空间中随机选取10000个点，利用matlab绘制主从工作空间(即末端的运动范围)的点云图，得到工作空间在x,y,z三个方向的边界，选取映射矩阵K使得从端设备能覆盖主端设备的工作空间。对于在内围运动范围内采用单纯的关节空间-关节空间的映射方式，根据关节结构的相似性，选用主端的关节和从端关节角一一对应，将主端设备的关节角线性映射到从端设备。这样的操作虽然具有直观性，操作者容易操作，从端设备能够覆盖从端设备本身的运动范围。但存在缺点是：当需要完成精细的操作任务时，如抓取物体或者放置物体时，很难精确定位。因此为了克服关节空间映射的弊端，当在内围运动范围内执行精细操作时，采用操作空间-操作空间的映射方案，其本质为建立主端和末端的每个位姿状态和从端设备末端位姿的映射关系。如上述，关节空间的映射能够覆盖从端设备的整个工作空间，操作空间的映射能完成精细的操作。现有操作空间-操作空间的映射方式中，末端位置映射为线性运算，映射得到从端机械臂末端位姿信息后，可通过逆运动学求解从端关节角。对于多自由度机械臂，甚至存在冗余自由度时，其逆运动学的解析解过于复杂，而一种叫做闭环逆运动学的数值解求法更为常用。而本专利技术结合根据各自的优点，根据任务不同阶段的需求切换到映射方法。比如需要从端机械臂完成抓取物体并放置到特定位置的任务时，首先选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合切换的主从异构型遥操作机器人的工作空间映射方法，其特征在于：主从两端在远离抓取目标的外围运动范围时，采用关节空间‑关节空间的映射方式；主从两端在靠近抓取目标的内围运动范围时，采用操作空间‑操作空间的映射方式。

【技术特征摘要】
1.一种混合切换的主从异构型遥操作机器人的工作空间映射方法，其特征在于：主从两端在远离抓取目标的外围运动范围时，采用关节空间-关节空间的映射方式；主从两端在靠近抓取目标的内围运动范围时，采用操作空间-操作空间的映射方式。2.根据权利要求1所述的一种混合切换的主从异构型遥操作机器人的工作空间映射方法，其特征在于：所述关节空间-关节空间的映射方法具体是：获取主端设备的关节角信息，采用以下公式的映射方法得到从端设备对应的关节角：θs＝Kθm+θbias其中，θm表示主端关节角，为m×1向量，m表示主端设备(机械臂)的自由度数；θs表示从端关节角，为n×1向量，n表示从端设备(机械臂)的自由度数；K表示主从关节的比例系数；θbias表示偏移量，为n×1向量。3.根据权利要求1所述的一种混合切换的主从异构型遥操作机器人的工作空间映射方法，其特征在于：主从两端从外围运动范围移动到内围运动范围时，采用特定的关节-操作过渡方式将关节空间-关节空间的映射方式切换到操作空间-操作空间的映射方式，主从两端从内围运动范围移动到外围运动范围时，采用特定的操作-关节过渡方式将操作空间-操作空间的映射方式切换回到关节空间-关节空间的映射方式，从而完成工作空间映射。4.根据权利要求3所述的一种混合切换的主从异构型遥操作机器人的工作空间映射方法，其特征在于：所述的关节-操作过渡方式具体为：根据切换时刻主从两端的末端位姿xms和xss，采用以下公式计算切换后时刻t下从端的末端位姿xsd_t：xsd_t＝xss+kcartisian(xm_t-xms)其中，xm_t表示切换后t时刻下主端设备的末端位姿，xms表示切换时刻下主端设备的末端位姿，xss表示切换时刻下从端设备的末端...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈正，胡金飞，严水峰，姚斌，袁明星，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33