[发明专利]一种基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法

说明书

本发明涉及遥操作技术领域，尤其涉及一种基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法，基于力反馈设备向操作者提供力觉临场感，实现协助操作者操作机械臂完成包括避障、目标趋近在内的目标抓取任务的功能。本发明包括以下步骤：获取从端机械臂末端、障碍物以及目标点的位置；构建管道形力场，生成趋近任务的虚拟力引导；构建障碍物斥力场，引导操作者进行避障动作；构建锥形力场，生成目标抓取任务的虚拟力引导；构建机械臂运动限制，减少操作者误操作的影响。与遥操作方法比较，本方法能够有效提高操作效率，更能适应复杂的作业环境。

技术领域

本发明涉及遥操作技术领域，尤其涉及一种虚拟力引导的人机协同目标抓取方法。

背景技术

随着科学技术的发展，机器人的应用领域不断扩大，如电力系统带电作业等危险系数较高的人工作业将被机器人作业替代是必然趋势。遥操作能够将人的决策能力融入到机器人的自主控制中，具有广泛的适用范围。力反馈设备的出现增加了人机交互的方式，能够让操作者感受到从端设备与外部环境的力交互情况。因此，将力觉交互技术引入基于遥操作的人机协作系统中具有重要意义。

传统基于人工势场法的虚拟力引导方法会将机械臂末端受到的斥力和引力叠加后通过力反馈设备反馈给操作者，这种方法由于目标吸引力的存在导致操作者感受到的力并不适合于引导操作者进行机械臂本体避障任务。此外，对于6自由度机械臂的目标抓取操作而言，往往需要操作者操作机器人末端以需要的姿态到达目标位置。但在直接遥操作中，操作者往往难以将机械臂移动到某一精确的位置和姿态，并且由于人的手臂和手腕构成了一个耦合系统，二者的运动通常会相互影响，导致在操作过程中经常不可避免地会出现操作偏差。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的是提供一种基于虚拟力引导的人机协同遥操作方法，解决力反馈遥操作中传统的人工势场法无法适应机械臂整体避障及在作业过程中操作者难以控制机械臂到达所需位姿的问题。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法，将机械臂识别障碍物对目标抓取的过程分解为趋紧目标点和接近目标点两个过程，包括以下步骤：

步骤1：获取障碍物、目标点的位置，以及从端机械臂末端实时位置；判断是否接近目标点，若是则执行步骤4；否则判断当前位置为趋近目标点，执行步骤2；

步骤2：构建管道形力场生成目标趋近任务的虚拟力引导，并以此引导力为依据控制机械臂按照预定义路径运动避免偏离；

步骤3：循环判断是否接近障碍物，若是则构建障碍物斥力场生成避障任务的虚拟力引导，并以此引导力结合目标趋近任务的虚拟力引导控制机械臂进行避障，然后返回步骤1判断是否接近目标点；

步骤4：构建锥形力场生成目标抓取任务的虚拟力引导，并以此引导力为依据控制机械臂到达目标位姿，对目标执行抓取任务；

其中，所述的避障任务的虚拟力引导结合目标趋近任务的虚拟力引导控制机械臂进行避障、所述的控制机械臂到达目标位姿的过程中，需要构建从端机械臂运动限制，用于减少操作者误操作的影响。

所述从端机械臂末端位置由机械臂控制器获取，所述障碍物位置已知或通过工业相机采集获取，所述目标点位置通过设定获取。

所述目标趋近任务的虚拟力引导的计算公式如下：

F_c＝k_cδ(x_c)                           (1)

其中，δ(x_c)表示引导力的参考方向，其计算公式为：

δ(x_c)＝x_c-s(x_c)                        (2)