[发明专利]一种基于力融合的机器人手控器共享控制方法

说明书

技术领域

本发明属于机器人的控制方法，特别涉及一种基于力融合的手控器共享控制方法。

背景技术

机器人对于高温、高压、强辐射等极限环境下作业任务的完成发挥了愈来愈重要的作用。机器人正朝着智能化的方向发展，然而由于受控制、传感及人工智能等发展水平的制约，研制出在变化环境下的全自主机器人是短期内难以达到的目标。操控终端，简称手控器，是操作者和机器人之间进行人机交互的桥梁，必须有较高的操控效率和实时性。对机器人的作业自主控制在长期内主要还是通过机器人操作终端来实时控制。

但是在现在的复杂和高危环境下，对于操作者和整个作业过程等而言，以往的机器人手控器的控制方法还存在着诸多问题有待改善。

首先，机器人作业任务完成的成功与否以及效率高低，过多地依赖于操纵人员的技能水平和熟练程度。由于手控器在结构、形式、尺寸等方面与机器人相差甚大，操作者在远距离控制过程中，往往要经过多次反复的位姿调整，无疑会导致机器人操控效率低下。同时，在注意力高度集中的状态下，长时间的操作容易造成操纵人员的心理紧张及精神疲劳。

其次，由于作业环境和任务的复杂性，目前的一些操作方法大都难以满足实际作业中的控制需求。因为这些方法无法获得环境的深度信息，操作者主要依靠二维图像推断机器人与目标的相对位姿，并进一步决策如何操纵手控器，这样势必会增加操作者的工作负担。同时，图像由于数据量大，在远距离传输中不可避免地存在较大时滞，由此引发的误操作频频发生。

再者，现有的操控终端多采用单边位置伺服或双边力反馈伺服控制策略，无法向操纵人员提供全方位、预见性的信息反馈。根据经验可知，操纵人员利用手控器操控机器人时，更关心的是机器人末端与任务目标、障碍物的相对位姿情况，以便控制机器人迅速、安全地接近目标。在此操作阶段，位移、力传感器并不能提供相关信息。

最后，综合操作者的手动控制和机器人的自主控制的优点，在人、自主控制系统之间进行协调，共同对机器人进行控制，即共享控制。共享控制虽然已经被大量应用于环境不可预知、时延导致的控制信号不可靠等机器人操控场合，但是现有的共享控制方法普遍存在传感信号多、控制系统复杂等问题，而且无论是自由度分割与融合的共享控制方式（人的手动与机器人的自主分别控制机器人的不同自由度，而非共同控制某个自由度），还是基于视觉共享的任务分解控制方式（人先手动操纵机器人到指定位置，机器人再自主完成作业任务），操作者的智能与机器人的智能在控制回路依旧相对独立，融合度不高，难以适应复杂的、多变的作业环境。

发明内容

针对上述机器人操控领域中在操作性与安全性方面存在的问题，本发明提出一种基于力融合的机器人手控器共享控制方法。

本发明所采用的技术方案：本发明研究机器人手控器上操纵力与虚拟引导力融合的人—机共享控制方法。虚拟引导力在机器人运动控制中具有“预测”和“导引”的功能，操作者的操纵力是人类高级决策的一种输出形式。采用合适的控制方法，合理分配操作者手动参与和机器自主参与的权值，将机器人的自主任务规划和手动控制有效结合，从而可以实现人类智能与机器智能的集成。其具体方法包括如下步骤

a.通过手控器操作终端，以目标对象为导向，通过操作者自身的智能决策实现人手操纵力信号控制机器人运动；

b.通过立体视觉技术获取作业场景图像数据并实时重构三维环境，以目标对象为导向构建引导机器人接近目标对象的虚拟引导力（包括引力、斥力、图像伺服力），以此虚拟引导力实现机器人的局部自主控制；

c.将步骤a中所述操作者手动控制力与步骤b中所述目标对象的虚拟引导力进行融合，通过融合力对手控器和机器人的运动进行控制，实现机器智能与人类智能共同作用下控制机器人接近目标对象，完成作业过程。

所述步骤a通过手控器操作终端，以目标对象为导向，通过操作者自身的智能决策实现人手操纵力信号控制机器人运动，通过以下具体方式实现：

一、搭建基于力闭环的机器人运动控制平台；

二、计算机采集人手操纵力信号，传送数据为系统控制手控器的运动做准备；

三、以质量—阻尼系统控制策略，依据手控器控制系统动力学模型公式

对手控器的运动进行实时控制，式中，M、B分别为手控器的惯量矩阵和阻尼矩阵，J为手控器的雅可比矩阵，F_h为操作者所施加的操纵力，F_e为机器人与环境的接触力，q_D为手控器的期望运动位姿；