阅读说明：本技术 一种双臂机器人协同遥操作控制方法 (Cooperative teleoperation control method for double-arm robot ) 是由 卢明飞 李炳辉 王敏 孟卫锋 于 2019-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种双臂机器人协同遥操作控制方法,该控制模式由主端的单个操作者操作两个手控器对从端的双臂机器人进行操控,通过将主端操作者的操作手控器的位置、速度和力信息传递到从端机器人,从端机器人根据主端发送的信息进行协调控制,通过控制实现与主端信息保持一致,并将反馈信息反馈给主端手控器及操作者。本发明采用相对阻抗的方式描述主端的协同操作,并将该方式作为从端双臂机器人协同操作的控制因子,实现主从协同操作行为的一致性。该操作模式还可以适用于除双臂机器人之外的多臂机器人的协同遥操作的控制。(The invention provides a coordinated teleoperation control method for a double-arm robot, which is characterized in that a single operator at a master end operates two hand controllers to control the double-arm robot at a slave end, the position, speed and force information of the operating hand controller of the operator at the master end is transmitted to the slave end robot, the slave end robot carries out coordinated control according to the information sent by the master end, the control is realized to keep the consistency with the information at the master end, and feedback information is fed back to the hand controller at the master end and the operator. The invention describes the cooperative operation of the master end by adopting a relative impedance mode, and the mode is used as a control factor of the cooperative operation of the slave end double-arm robot, so that the consistency of master-slave cooperative operation behaviors is realized. This mode of operation may also be applicable to the control of coordinated teleoperation of multi-arm robots other than two-arm robots.)

一种双臂机器人协同遥操作控制方法

技术领域

本发明涉及一种双臂机器人协同遥操作控制方法，属于遥操作技术领域。

背景技术

目前装配和维修技术是国家战略需求所需要发展的重要技术之一。遥操作技术作为一种通过操控手段对于远程的机器人进行直接操控的技术在核环境、深海环境、太空环境等中发挥着重要的作用，该技术对于目前机器人智能程度不够、难以担负复杂操控任务的局面起到了很好的补充作用。

目前遥操作技术的适用对象主要是单机械臂机器人和无人机等，采用单臂机器人进行遥操作控制并完成操作任务，只能对于任务顺序执行或者解决不存在动力学耦合的协同操作，如果在操作过程中存在多个操作对象则很难对存在耦合对象的目标进行操作。进一步，如果操作对象在操作过程中发生移动，单独操作模式难以应对协同操作行为，从而有可能对于目标造成破坏。

采用多臂机器人具有负载能力大，操作范围广，适应操作场景多的优点，但是多/双臂机器人的协同遥操作少有相关的研究技术。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种双臂机器人协同遥操作控制方法，该控制模式由主端的单个操作者操作两个手控器对从端的双臂机器人进行操控，通过将主端操作者的操作手控器的位置、速度和力信息传递到从端机器人，从端机器人根据主端发送的信息进行协调控制，通过控制实现与主端信息保持一致，并将反馈信息反馈给主端手控器及操作者。

本发明的技术方案为：

所述一种双臂机器人协同遥操作控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立主端操作者和手控器、从端机械臂与环境的动力学模型：

其中i表示第i个主端手控器或第i个从端机械臂，i＝1,2，M_mi,和G_mi分别表示主端手控器i的质量参数，向心力参数和重力参数，q_mi,表示主端手控器i的关节角度，角速度和角加速度，d_mi(t)表示主端手控器i的扰动力，F_mi(t)表示作用在主端手控器i的作用力，F_msi(t)表示作用在主端手控器i的控制力，J_mi表示主端的雅克比矩阵，其中符号(A)^T表示矩阵A的转置；M_si,和G_si分别表示从端机械臂i的质量参数，向心力参数和重力参数，q_si,表示从端机械臂i的关节角度，角速度和角加速度，d_si(t)表示从端机械臂i的扰动力，F_si(t)表示作用在从端机械臂i的作用力，F_csi(t)表示作用在从端机械臂i的控制力，J_si表示从端的雅克比矩阵；

步骤2：建立主端手控器的控制力模型为

其中定义γ_i＝q_si(t-T)-q_mi(t)，T表示主从端的通信时延，q_si(t-T)表示时延后的q_si(t)的值，定义k₁为常数，k_mi为用于调节系统稳定性的控制参数，η_mi为系统鲁棒项，用于减弱参数ε_i对系统稳定性的影响；

步骤3：建立从端机械臂的控制力模型为

其中定义 表示在集合[1,2]中取与i不同的值，I_2×1表示2×1的单位向量， 表示J_csi的伪逆，表示J_csi的导数矩阵，k₂为常数，表示的伪逆； x_si，和分别表示从机械臂i的位置、速度和加速度，和分别表示从机械臂的位置、速度和加速度；和分别表示从机械臂的角加速度和角速度；

定义其中 表示D_x的导数值，其中

μ_si为对d_si进行限制的阈值，η_ρi为设定的比例系数；

定义 表示r_i的导数，k₂为正常数；

k_si为用于调节系统稳定性的控制参数；

步骤4：根据步骤2和步骤3建立的主端手控器和从端机械臂的控制力模型，进行双臂机器人协同遥操作控制。

进一步的优选方案，所述一种双臂机器人协同遥操作控制方法，其特征在于：步骤2中系统鲁棒项η_mi的表达式为：

η_mi＝δ_mi·sat(ε_i,μ_mi)

其中μ_mi为对d_mi进行限制的阈值，δ_mi为设定的比例系数。

有益效果

本发明相比传统的遥操作模式(每个人单独操作一个机械臂共同完成一个任务)相比具有更大的优势：

(1)传统的控制方法通常只是对单个机械臂的机器人操作，本发明可以实现对双臂机器人的控制；

(2)采用相对阻抗的方式描述主端的协同操作，并将该方式作为从端双臂机器人协同操作的控制因子，实现主从协同操作行为的一致性。

(3)该操作模式还可以适用于除双臂机器人之外的多臂机器人的协同遥操作的控制。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1稳定操作环境中采用本发明中相对阻抗方法情况下关节角度误差随时间变化；

图2稳定操作环境中采用普通遥操作方法情况下关节角度误差随时间变化；

图3非稳定操作环境中采用本发明中相对阻抗方法情况下关节角度误差随时间变化；

图4非稳定操作环境中采用普通遥操作方法情况下关节角度误差随时间变化。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提出一种双臂机器人协同遥操作控制方法，该控制模式由主端的单个操作者操作两个手控器对从端的双臂机器人进行操控，通过将主端操作者的操作手控器的位置、速度和力信息传递到从端机器人，从端机器人根据主端发送的信息进行协调控制，通过控制实现与主端信息保持一致，并将反馈信息反馈给主端手控器及操作者。

建立主端操作者和手控器、从端机械臂与环境的动力学模型：

其中i表示第i个主端手控器或第i个从端机械臂，i＝1,2，M_mi,和G_mi分别表示主端手控器i的质量参数，向心力参数和重力参数，q_mi,表示主端手控器i的关节角度，角速度和角加速度，d_mi(t)表示主端手控器i的扰动力，F_mi(t)表示作用在主端手控器i的作用力，F_msi(t)表示作用在主端手控器i的控制力，J_mi表示主端的雅克比矩阵，其中符号(A)^T表示矩阵A的转置；M_si,和G_si分别表示从端机械臂i的质量参数，向心力参数和重力参数，q_si,表示从端机械臂i的关节角度，角速度和角加速度，d_si(t)表示从端机械臂i的扰动力，F_si(t)表示作用在从端机械臂i的作用力，F_csi(t)表示作用在从端机械臂i的控制力，J_si表示从端机械臂i的雅克比矩阵。

建立主端手控器的控制力模型为

其中定义γ_i＝q_si(t-T)-q_mi(t)，T表示主从端的通信时延，q_si(t-T)表示时延后的q_si(t)的值，定义k₁为常数，k_mi为一个正数，表示系统的控制参数，通过调节参数k_mi可以保证系统的稳定性，η_mi为系统鲁棒项，用于减弱参数ε_i对系统稳定性的影响，系统鲁棒项η_mi的表达式为：

η_mi＝δ_mi·sat(ε_i,μ_mi)

其中μ_mi为一个正数，表示对于d_mi限制的阈值，δ_mi为设定的一个较小的比例系数，本实施例中δ_mi＝1。

从端的两个机械臂既需要与其他机械臂交互，又需要独立处理各自与环境的交互，所以控制器的设计相对较为复杂，并在控制器的设计中包含了相对距离项和表达式为：其中表示在集合[1,2]中取与i不同的值，即当i＝1，若i＝2，I_2×1表示2×1的单位向量，J_si和分别表示从机械臂i和相对从机械臂的雅克比矩阵，表示J_csi的伪逆，表示J_csi的导数矩阵，k₂为常数，表示的伪逆。

根据以上符号进一步定义x_si，和分别表示从机械臂i的位置、速度和加速度，和分别表示从机械臂的位置、速度和加速度，由此可以得到和数值。

定义其中 表示D_x的导数值，表示对参数ρ_i的估计值，其中

μ_si为一个正数，表示对于d_si进行限制的阈值，η_ρi为设定的一个较小的比例系数，取η_ρi＝1。

定义 表示r_i的导数，k₂为正常数,则建立从端机械臂的控制力模型为

和分别表示从机械臂的角加速度和角速度；k_si为一个正数，表示系统的控制参数，通过调节参数k_si可以保证系统的稳定性。

根据3建立的主端手控器和从端机械臂的控制力模型，进行双臂机器人协同遥操作控制。

本实施例中采用双连杆双臂机器人，使其在X-Y平面运动，且系统参数分别为：主端各连杆的质量分别为m_m1＝1.2kg，m_m2＝1.4kg，各连杆的长度分别为L_m1＝0.5m，L_m2＝0.5m，k₁＝k₂＝1，从端各连杆的质量分别为m_s1＝2.3kg，m_s2＝4.6kg，主端各连杆的长度分别为L_s1＝0.5m L_s2＝0.5m，控制器参数分别令为k_m1＝k_m2＝15,k_s1＝20,k_s2＝35，对比普通的遥操作控制方法其仿真结果如下，其中图1和图2分别为稳定操作环境中关节角度误差随时间变化的关系，图3和图4分别为非稳定操作环境中关节角度误差随时间变化的关系，通过四幅图的结果比较可以发现，在稳定操作环境下，关节角度误差随时间变化与普通遥操作方法相近，在非稳定操作环境中，本发明提出的双臂机器人协同遥操作控制方法可以自主调整双臂机器人的关节角度误差，而普通控制方法在机械臂操作故障情况下无法自主调节，难以满足协同控制的需要。相比于传统的多臂遥操作(不考虑机械臂之间的协同效果)，本发明所提出的控制方法具有稳定性好，可操作性强，操作过程稳定，协同效果好，对目标损害小等优点，具有较高的实用价值。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。