一种双人共享双臂机器人遥操作控制系统

摘要

本发明公开了一种双人共享双臂机器人遥操作控制系统，通过建立双手共享操作模型，实现两主手双手与机器人的操作映射，然后通过划分主操作手和辅助操作手，在主操作手在操作过程中区分主要操作臂和配合操作臂，实现对主操作手的操作辅助，同时又可以避免主操作手在操作过程中，配合操作臂发生碰撞和误操作等情况，实现障碍物规避和双手精细遥操作。

说明书

【技术领域】

本发明属于遥操作领域，具体涉及一种双人共享双臂机器人遥操作控制系统。

【背景技术】

目前的多机械臂操作通常是每个操作者对单个机械臂进行单独操作，在操作的过程中需要操作者之间的相互配合，操作效率较低，在受到操作弧端限制的情况下，难以及时的完成具体的操作任务，而通过单个操作者对双臂机器人进行操作，则不需要操作者之间进行交互，并且由于操作指令由单一操作者发出，从而操作更加灵活，也更适合的复杂未知的操作场景，具有较大的应用价值。

但是在双臂遥操作过程中，双臂通常需要区分出主操作臂和辅助操作臂，而操作者的注意力主要集中于主操作臂上，难以同时顾及到辅助操作臂的情况，从而有可能导致辅助操作臂与未知环境发生碰撞，基于该问题本发明提出一种双人共享双臂机器人遥操作控制系统。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种双人共享双臂机器人遥操作控制系统。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种双人共享双臂机器人遥操作控制系统，包括以下步骤：

1)建立双人双手操作的动力学模型：

$\left(\begin{array}{c}{F}_{h1}^l={F_{h1}^l}^{*}-Z_{h1}^l{V}_{h1}^l\\ F_{h1}^r={F_{h1}^r}^{*}-Z_{h1}^r{V}_{h1}^r\\ F_{h2}^l={F_{h2}^l}^{*}-Z_{h2}^l{V}_{h2}^l\\ F_{h2}^r={F_{h2}^r}^{*}-Z_{h2}^r{V}_{h2}^r\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，和为操作者i对左手控器和右手控器的作用力，和为操作者i的实际控制力，和分别为操作者i的操作阻抗，和别为操作者i左手和右手的速度变量；

在任务模型中，建立两操作者双手的动力学模型：

$\left(\begin{array}{c}{Z}_{m1}^l{V}_{h1}^l=F_{h1}^l+F_{cm1}^l\\ Z_{m1}^r{V}_{h1}^r=F_{h1}^r+F_{cm1}^r\\ Z_{m2}^l{V}_{h2}^l=F_{h2}^l+F_{cm2}^l\\ Z_{m2}^r{V}_{h2}^r=F_{h2}^r+F_{cm2}^r\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中，和分别表示操作者i左操作手和右操作手驱动力的质量模型阻抗，s为拉普拉斯算子，和为操作者i的左手和右手控制力；

2)建立从端双臂机器人的动力学模型：

在任务模型中，建立从端双臂机器人与环境交互的动力学模型：

$\{\begin{array}{c}{F}_s^l=F_e^{l*}+Z_e{V}_s^l\\ F_s^r=F_e^{r*}+Z_e{V}_s^r\end{array}---\left(3\right)$

其中，和分别为环境对从端操作臂的作用力，和为环境对从端双臂的实际作用力，Z_e表示环境的阻抗，和分别表示从端的操作速度；

在任务模型中，建立双臂机器人的动力学模型：

$\left(\begin{array}{c}{Z}_s^l{V}_s^l=-F_s^l+F_{cs}^l\\ Z_s^r{V}_s^r=-F_s^r+F_{cs}^r\end{array}\right)---\left(4\right)$

其中，和分别为从端双臂的控制力，和分别表示从端左机械臂和右机械臂驱动力的质量模型阻抗；

3)主端控制器设计

利用PD控制器设计两主手的控制力

$\left(\begin{array}{c}{F}_{cm1}^l=-C_{m1}^l{V}_{h1}^l+C_{4m1}^l{V}_{h1d}^l-C_{6m1}^l{F}_{h1}^l+C_{2m1}^l{F}_{h1d}^l\\ F_{cm1}^r=-C_{m1}^r{V}_{h1}^r+C_{4m1}^r{V}_{h1d}^r-C_{6m1}^r{F}_{h1}^r+C_{2m1}^r{F}_{h1d}^r\\ F_{cm2}^l=-C_{m2}^l{V}_{h2}^l+C_{4m2}^l{V}_{h2d}^l-C_{6m2}^l{F}_{h2}^l+C_{2m2}^l{F}_{h2d}^l\\ F_{cm2}^r=-C_{m2}^r{V}_{h2}^r+C_{4m2}^r{V}_{h2d}^r-C_{6m2}^r{F}_{h2}^r+C_{2m2}^r{F}_{h2d}^r\end{array}\right)---\left(5\right)$

其中，和表示操作者i两主手PD控制器参数，各参数满足和和和操作者i左手和右手期望操作速度，和操作者i左手和右手期望作用力；

4)从端控制器设计

利用PD控制器设计两从手的控制力

$\left(\begin{array}{c}{F}_s^l=-C_s^l{V}_s^l+C_1^l{V}_{sd}^l-C_5^l{F}_s^l+C_3^l{F}_{sd}^l\\ F_s^r=-C_s^r{V}_s^r+C_1^r{V}_{sd}^r-C_5^r{F}_s^r+C_3^r{F}_{sd}^r\end{array}\right)---\left(5\right)$

其中，和表示从手双臂PD控制器参数，各参数满足和和和从手左臂和右臂的期望操作速度，和从手左臂和右臂的期望作用力；

5)共享控制策略设计

共享控制策略通过期望速度和期望作用力实现，各操作者的主操作手只有一个，即左手或者右手，令操作者1的主操作手为右手，操作者2的操作手为左手；

$V_{h1d}^l=V_s^l$

$V_{h2d}^r=V_s^r$

$V_{h1d}^r={\alpha }_1{V}_{h1}^l+(1-{\alpha }_1)V_s^l$

$V_{h2d}^l=(1-{\alpha }_2)V_{h1}^r+{\alpha }_2{V}_s^r$

$F_{h1d}^l=F_s^l$

$F_{h2d}^r=F_s^r$

$F_{h1d}^r={\alpha }_1{F}_{h1}^l+(1-{\alpha }_1)F_s^l$

$F_{h2d}^l=(1-{\alpha }_2)F_{h1}^r+{\alpha }_2{F}_s^r$

$V_{sd}^l={\alpha }_3{V}_{h1}^l+(1-{\alpha }_3)V_{h2}^l$

$V_{sd}^r=(1-{\alpha }_3)V_{h1}^r+{\alpha }_3{V}_{h2}^r$

$F_{sd}^l={\alpha }_3{F}_{h1}^l+(1-{\alpha }_3)F_{h2}^l$

$F_{sd}^r=(1-{\alpha }_3)F_{h1}^r+{\alpha }_3{F}_{h2}^r$

其中，α₁、α₂和α₃分别表示主手1、主手2和从端的共享优势因子，且满足条件α_i∈[0,1],i＝1,2,3；通过调节优势因子实现操作者操作训练过程的过渡。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明考虑将双臂机器人系统在复杂中执行双臂协同操作任务，建立双手共享操作模型，实现两主手双手与机器人的操作映射，然后通过划分主操作手和辅助操作手，在主操作手在操作过程中区分主要操作臂和配合操作臂，主操作臂在操作过程中有较大的控制权值，在控制中起到主导作用，配合操作臂实现对主操作手的操作辅助，同时又可以避免主操作手在操作过程中，配合操作臂发生碰撞和误操作等情况，实现障碍物规避和双手精细遥操作，本发明可以用于单操作者双臂的精准遥操作和双臂遥操作训练，在空间多臂机器人在轨维护中具有重要意义。

【附图说明】

图1双臂机器人遥操作协同控制系统结构示意图

图2共享训练之前和训练之后操作者的操作轨迹比较

图3不同训练阶段两操作者操作轨迹与训练轨迹比较

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-图3，，它包括以下五个步骤：

1、建立双人双手操作的动力学模型：

$\left(\begin{array}{c}{F}_{h1}^l={F_{h1}^l}^{*}-Z_{h1}^l{V}_{h1}^l\\ F_{h1}^r={F_{h1}^r}^{*}-Z_{h1}^r{V}_{h1}^r\\ F_{h2}^l={F_{h2}^l}^{*}-Z_{h2}^l{V}_{h2}^l\\ F_{h2}^r={F_{h2}^r}^{*}-Z_{h2}^r{V}_{h2}^r\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，和为操作者i对左手控器和右手控器的作用力，和为操作者i的实际控制力，和分别为操作者i的操作阻抗，和别为操作者i左手和右手的速度变量。

在任务模型中，建立两操作者双手的动力学模型

$\left(\begin{array}{c}{Z}_{m1}^l{V}_{h1}^l=F_{h1}^l+F_{cm1}^l\\ Z_{m1}^r{V}_{h1}^r=F_{h1}^r+F_{cm1}^r\\ Z_{m2}^l{V}_{h2}^l=F_{h2}^l+F_{cm2}^l\\ Z_{m2}^r{V}_{h2}^r=F_{h2}^r+F_{cm2}^r\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中，和分别表示操作者i左操作手和右操作手驱动力的质量模型阻抗，s为拉普拉斯算子，和为操作者i的左手和右手控制力。

2、建立从端双臂机器人的动力学模型：

在任务模型中，建立从端双臂机器人与环境交互的动力学模型

$\{\begin{array}{c}{F}_s^l=F_e^{l*}+Z_e{V}_s^l\\ F_s^r=F_e^{r*}+Z_e{V}_s^r\end{array}---\left(3\right)$

其中，和分别为环境对从端操作臂的作用力，和为环境对从端双臂的实际作用力，Z_e表示环境的阻抗，和分别表示从端的操作速度。

在任务模型中，建立双臂机器人的动力学模型

$\left(\begin{array}{c}{Z}_s^l{V}_s^l=-F_s^l+F_{cs}^l\\ Z_s^r{V}_s^r=-F_s^r+F_{cs}^r\end{array}\right)---\left(4\right)$

其中，和分别为从端双臂的控制力，和分别表示从端左机械臂和右机械臂驱动力的质量模型阻抗。

3、主端控制器设计

利用PD控制器设计两主手的控制力

$\left(\begin{array}{c}{F}_{cm1}^l=-C_{m1}^l{V}_{h1}^l+C_{4m1}^l{V}_{h1d}^l-C_{6m1}^l{F}_{h1}^l+C_{2m1}^l{F}_{h1d}^l\\ F_{cm1}^r=-C_{m1}^r{V}_{h1}^r+C_{4m1}^r{V}_{h1d}^r-C_{6m1}^r{F}_{h1}^r+C_{2m1}^r{F}_{h1d}^r\\ F_{cm2}^l=-C_{m2}^l{V}_{h2}^l+C_{4m2}^l{V}_{h2d}^l-C_{6m2}^l{F}_{h2}^l+C_{2m2}^l{F}_{h2d}^l\\ F_{cm2}^r=-C_{m2}^r{V}_{h2}^r+C_{4m2}^r{V}_{h2d}^r-C_{6m2}^r{F}_{h2}^r+C_{2m2}^r{F}_{h2d}^r\end{array}\right)---\left(5\right)$

其中，和表示操作者i两主手PD控制器参数，各参数满足和和和操作者i左手和右手期望操作速度，和操作者i左手和右手期望作用力。

4、从端控制器设计

利用PD控制器设计两从手的控制力

$\left(\begin{array}{c}{F}_s^l=-C_s^l{V}_s^l+C_1^l{V}_{sd}^l-C_5^l{F}_s^l+C_3^l{F}_{sd}^l\\ F_s^r=-C_s^r{V}_s^r+C_1^r{V}_{sd}^r-C_5^r{F}_s^r+C_3^r{F}_{sd}^r\end{array}\right)---\left(5\right)$

其中，和表示从手双臂PD控制器参数，各参数满足和和和从手左臂和右臂的期望操作速度，和从手左臂和右臂的期望作用力。

5、共享控制策略设计

共享控制策略通过期望速度和期望作用力实现，各操作者的主操作手只有一个，即左手或者右手，令操作者1的主操作手为右手，操作者2的操作手为左手。

$V_{h1d}^l=V_s^l$

$V_{h2d}^r=V_s^r$

$V_{h1d}^r={\alpha }_1{V}_{h1}^l+(1-{\alpha }_1)V_s^l$

$V_{h2d}^l=(1-{\alpha }_2)V_{h1}^r+{\alpha }_2{V}_s^r$

$F_{h1d}^l=F_s^l$

$F_{h2d}^r=F_s^r$

$F_{h1d}^r={\alpha }_1{F}_{h1}^l+(1-{\alpha }_1)F_s^l$

$F_{h2d}^l=(1-{\alpha }_2)F_{h1}^r+{\alpha }_2{F}_s^r$

$V_{sd}^l={\alpha }_3{V}_{h1}^l+(1-{\alpha }_3)V_{h2}^l$

$V_{sd}^r=(1-{\alpha }_3)V_{h1}^r+{\alpha }_3{V}_{h2}^r$

$F_{sd}^l={\alpha }_3{F}_{h1}^l+(1-{\alpha }_3)F_{h2}^l$

$F_{sd}^r=(1-{\alpha }_3)F_{h1}^r+{\alpha }_3{F}_{h2}^r$

其中，α₁，α₂和α₃分别表示主手1，主手2和从端的共享优势因子，且满足条件α_i∈[0,1],i＝1,2,3。通过调节优势因子实现操作者操作训练过程的过渡。取操作两台Falcon手控器左手画圆右手画方形操作，其中圆形的半径为2cm，方形的变长为4cm，操作者1主操作手为右手，操作者2主操作手为左手，操作训练过程共分为三个过程，第一过程中取α₁＝1,α₂＝0,α₃＝0.5，第二过程中取α₁＝0.7,α₂＝0.3,α₃＝0.5，第三过程中取α₁＝0.5,α₂＝0.5,α₃＝0.5，训练的结果如图2和图3所示，可见通过训练双手的协同操作的轨迹误差变小，并且随着训练的程度的加深，训练的效果逐渐变好。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。