[发明专利]一种异构主从系统的运动映射方法及系统

说明书

本发明提供一种异构主从系统的运动映射方法，包括：S1、获取主臂的各个连杆的方向数据，并确定所述方向数据对应的主臂姿态；S2、基于单位对偶四元数，将所述主臂的各个连杆的方向数据作为输入，采用正向运动学FK和反向运动学IK算法，将所述主臂姿态映射为从臂姿态。本发明提供的一种异构主从系统的运动映射方法及系统，通过将单位对偶四元数与正向运动学FK和逆向运动学IK相结合，成功将主臂姿态映射为从臂姿态，算法简洁且有效，易于实现。

技术领域

本发明涉及异构主从机器人领域，更具体地，涉及一种异构主从系统的运动映射方法及系统。

背景技术

遥操作机器人广泛应用于老年人/残疾人(如轮椅机器人手臂)和危险或危险环境中的遥操作机器人系统(辐射、爆炸、化学、搜索和救援等)。远程操作环境通常是非结构化和约束的，而远程操作任务通常是复杂的、复合的且不可预知的，因此先进的自主机器人不能在现阶段完成这些任务，而是需要一个操作人员，利用他的智能来控制机器人完成一些特殊任务。

理想情况下，主臂和从臂应具有相似的运动学结构，使远程操作员的手臂运动可以直接采用关节-关节直接映射算法来控制机器人从臂的操纵，但是这意味着需要从机器人手臂的非常复杂并且具有精细的机械结构，这导致机器人系统可能变得非常昂贵。因此，主从遥操作机器人系统通常是异构的，而不是均匀的，需要从主臂到从臂的运动映射算法。

现有技术中使用的运动映射算法是一种采用正反向运动学方法的轨迹相关算法。操作人员通过鼠标，键盘或操纵杆发出动作命令，并将从臂的末端执行器的姿态(位置和方向)映射到其工作空间中，并通过其反向运动计算从动臂的关节角度值。

但是，由于主臂与从臂之间的异构结构，现有技术提供的方法不能同时兼顾末端执行器的位置和机器人臂的连杆的方向，故而造成用户远程操作不直观，需要经过广泛的培训才能正确操作系统，并且操作人员容易出现错误，特别是当远程操作机器人系统工作在非结构化，受限制的障碍物环境中时。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种异构主从系统的运动映射方法，包括：

S1、获取主臂的各个连杆的方向数据，并确定所述方向数据对应的主臂姿态；

S2、基于单位对偶四元数，将所述主臂的各个连杆的方向数据作为输入，采用正向运动学FK和反向运动学IK算法，将所述主臂姿态映射为从臂姿态。

其中，在S1之前，所述方法还包括：

构建从臂模型，使得从臂的各个连杆的方向和主臂的各个连杆的方向一致。

其中，所述构建从臂模型，使得从臂的各个连杆的方向和主臂的各个连杆的方向一致，包括：

在所述从臂模型中构建三自由度的腕关节对应主臂的腕部、构建单自由度的肘关节对应主臂的肘部、构建两自由度的肩关节对应主臂的肩部；

依次用连杆连接所述肩关节、所述肘关节以及所述腕关节，并调整连杆的方向和主臂的各个连杆的方向一致。

其中，S2包括：

基于单位对偶四元数，将所述主臂的各个连杆的方向数据作为输入，获取主臂运动姿态对应的当前运动角度和期望运动角度；

基于所述主臂运动姿态对应的当前运动角度和期望运动角度，利用IK算法，依次计算从臂肩关节、肘关节以及腕关节设置的角度；

基于所述从臂肩关节、肘关节以及腕关节设置的角度，利用FK算法，确定所述从臂姿态，以实现将所述主臂姿态映射为从臂姿态。

其中，所述基于所述主臂运动姿态对应的当前运动角度和期望运动角度，利用IK算法，依次计算从臂肩关节、肘关节以及腕关节设置的角度，包括：