[发明专利]遥操作机械臂的层次化避奇异方法

说明书

遥操作机械臂的层次化避奇异方法，属于机器人遥操作领域。本发明是为了解决现有机械臂运动过程中采用单一的方法避奇异不能有效保证其运动轨迹正常的问题。它根据机械臂奇异程度度量指标局部条件序列将机械臂的运行状态避奇异层分为良态区域、过渡区域和病态区域；当机械臂运行于良态区域时，对主端操作者的运动采用虚拟力反馈的方式进行引导；当机械臂运行于过渡区域时，采用传统的轨迹重构法对机械臂的末端轨迹进行重构；当机械臂运行于病态区域时，采用改进的轨迹重构法对机械臂的末端轨迹进行重构。本发明用于机械臂的避奇异。

技术领域

本发明涉及遥操作机械臂的层次化避奇异方法，属于机器人遥操作领域。

背景技术

在机器人宇航员系统中，机械臂作为主要的控制单元，能对其运动学准确而稳定求解具有重要的意义。但是由于主从设备存在很大的构型差异，主端操作者无法通过自身运动状态判断从端机械臂的状态，所以，在实际操作过程中，机械臂很容易陷入奇异状态。

机械臂奇异状态，是指在运动过程中机械臂丧失朝向某方向运动能力的现象。当机械臂接近奇异构型时，即使笛卡尔空间很微小的变化，映射到关节空间后，也会产生很大的关节角改变。而且，由于速度雅可比矩阵不满秩，在运动学求解过程中，得到的速度和加速度均会发生很大的突变，使求解过程陷入病态。因此，必须想办法回避机械臂运动过程中的奇异现象。

目前，对于机械臂的避奇异方法有轨迹重构法、力反馈、阻尼最小二乘法、基于任务优先级的避奇异算法以及奇异一致性等方法。对于基于任务优先级的避奇异算法，它能够充分地利用机械臂的冗余自由度，保证机械臂在完成规划任务的前提下避奇异，但是这种方法只是一个渐进优化的过程，并不能立即对机械臂的奇异状态产生影响，并且它无法使用零空间进行避奇异回避边界奇异等类型。对于阻尼最小二乘法，只需要采用奇异鲁棒性逆代替伪逆即可，但是存在添加阻尼项后，影响机械臂的跟踪精度等问题。而奇异一致性方法会在奇异构形附近引入运动误差；并且，利用此方法求解时，如果有无穷解存在，可能求解结果为0，与实际情况不符。力反馈方法由于有操作者的存在，当系统通过力反馈给予操作者机械臂最优操作方向提示之后，操作者能够依据自身的判断，实时地进行轨迹的重新规划；它理论上能够对机械臂的任意奇异状态进行回避，但缺点是其应用场景被严格限制在人机交互的环境中。轨迹重构法定义了奇异区域，能够确保机械臂的奇异指标保持在阈值以上；它在多任务的情况下，也能够得到很好的应用，但是当机械臂由于初始位置的选择或者由于数值计算的误差导致机械臂进入病态区域时，就无法起到相应的作用。

发明内容

本发明目的是为了解决现有机械臂运动过程中采用单一的方法避奇异不能有效保证其运动轨迹正常的问题，提供了一种遥操作机械臂的层次化避奇异方法。

本发明所述遥操作机械臂的层次化避奇异方法，它包括以下步骤：

根据机械臂奇异程度度量指标局部条件序列将机械臂的运行状态避奇异层分为良态区域、过渡区域和病态区域；

当机械臂运行于良态区域时，对主端操作者的运动采用虚拟力反馈的方式进行引导；

当机械臂运行于过渡区域时，采用传统的轨迹重构法对机械臂的末端轨迹进行重构；

当机械臂运行于病态区域时，采用改进的轨迹重构法对机械臂的末端轨迹进行重构。

本发明的优点：本发明首先对机械臂的奇异性选取合适的指标进行评价，在此基础上，提出了层次化的避奇异方法。针对机械臂的避奇异层处于良态区域、过渡区域和病态区域分别采用虚拟力反馈、传统的轨迹重构法以及改进的轨迹重构法避奇异，它能够有效保证机械臂的运动轨迹，使机械臂不会因为奇异性的问题导致运动学计算过程陷入病态。

附图说明

图1是本发明所述遥操作机械臂的层次化避奇异方法的流程图；

图2是机械臂的奇异区域划分示意图；