[发明专利]基于CyberForce遥操作机械臂的运动映射方法

说明书

基于CyberForce遥操作机械臂的运动映射方法，属于机器人遥操作技术领域。本发明是为了解决现有对机器人宇航员的控制方法，由于机械臂与人手臂工作空间不一致导致控制映射效果差的问题。它将机械臂的运动空间分为自由移动空间和精细操作空间；用凸包表示相应空间内可达工作空间外轮廓；在自由移动空间的凸包外轮廓内，根据机械臂的可达工作空间，采用定缩放因子映射方式控制位置，采用姿态调整映射方式控制姿态；在精细操作空间的凸包外轮廓内，根据机械臂的定姿态空间，采用变缩放因子映射方式控制位置，采用姿态调整映射方式控制姿态。本发明用于机械臂的末端位置和姿态控制。

技术领域

本发明涉及基于CyberForce遥操作机械臂的运动映射方法，属于机器人遥操作技术领域。

背景技术

在空间站的建设中涉及到大量的空间装配、设备维护以及燃料补给等任务，如果全部依赖宇航员来完成，将会耗费大量的人力物力，并且恶劣复杂的太空环境发生的毒气泄漏、起火等危险任务会对宇航员的生命安全构成巨大的威胁。同时，空间站中大多装配和维护任务是对模块单元进行简单的装配和更换，动作相对简单单一且重复次数较多，依靠宇航员完成此类任务十分枯燥，且效率较低。目前，在国际空间站搭建和维护中使用了机械臂来辅助宇航员的工作，并发挥了重要作用。但是，安装有空间机械臂的机器人宇航员结构复杂，全身自由度数目较多，在当前阶段对其进行全自主的操作还难以实现，而临场感遥操作是控制机器人宇航员的一种有效方式。

遥操作的控制方式能使机器人和操作者相隔离，操作者处在安全的环境下控制机器人宇航员进入危险区域工作，这种工作模式比较适合机器人宇航员空间作业。由于操作人员使用的遥操作设备与机器人宇航员在结构方面存在差异性，因此研究遥操作的运动映射方法对实现机器人宇航员的直观准确操作至关重要。

遥操作系统的运动映射方案是指通过一定的对应关系，将操作者的运动转换为其操作机器人的运动。目前，运动映射方案研究的重点在提高操作的透明性，保证系统的安全性和稳定性等，虽然研究采取的方法各异，但总体上来讲，可以将遥操作系统的运动映射方案分为关节空间映射、笛卡尔空间映射和混合映射三种。其中，采用关节空间映射的机械臂末端定位精度一般较差，而且由于通常情况下主从设备之间存在着构型的差异，其关节之间并不具有直接的对应关系，所以，目前主要集中在基于笛卡尔空间映射和混合映射上。传统的运动映射是在操作者胸部和手臂安装位置跟踪器，测量手臂跟踪器相对胸部跟踪器的位姿来控制机器人宇航员，这种运动映射策略虽然能够保证良好的映射精度，但却存在机械臂与人手臂工作空间不一致等问题。

发明内容

本发明目的是为了解决现有对机器人宇航员的控制方法，由于机械臂与人手臂工作空间不一致导致控制映射效果差的问题，提供了一种基于CyberForce遥操作机械臂的运动映射方法。

本发明所述基于CyberForce遥操作机械臂的运动映射方法，它包括以下步骤：

将机械臂的运动空间分为自由移动空间和精细操作空间；

对自由移动空间和精细操作空间进行分析，并用凸包表示相应空间内可达工作空间外轮廓；

在自由移动空间的凸包外轮廓内，根据机械臂的可达工作空间，分别按照遥操作的位置映射方式和姿态映射方式，采用CyberForce设备控制机械臂末端的位置和姿态；所述位置映射方式的映射策略为定缩放因子映射，姿态映射方式的映射策略为姿态调整映射；

在精细操作空间的凸包外轮廓内，根据机械臂的定姿态空间，分别按照遥操作的位置映射方式和姿态映射方式，采用CyberForce设备控制机械臂末端的位置和姿态；所述位置映射方式的映射策略为变缩放因子映射，姿态映射方式的映射策略为姿态调整映射。