[发明专利]一种基于位置速度控制的遥操作机器人碰撞预警方法

摘要

本发明提供一种基于位置速度控制的遥操作机器人碰撞预警方法，其步骤包括：首先将主手控制器视为积分器，通过位置积分计算出对机器人位置的期望值，实现机器人任务速度与手控器位置的有效对应，然后根据手控器位置信号主动预测出未来时刻机器人的位置，当机器人与环境临近碰撞状态时生成预警力，最后将反馈力与操作者手动控制力进行融合，引导操作者控制机器人避开障碍物，完成作业过程。本发明可将人类智能决策与机器智能相结合，有效提高机器人的作业精度与效率，减轻操作者的作业负担，降低对操作者技术熟练度的依赖，避免系统延时导致对机器人控制的盲目性。 1

主权项

1.一种基于位置速度控制的遥操作机器人碰撞预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于手控器位置速度控制方法，以手控器的位置信号控制机器人运动；

S2、通过手控器的位置信号对遥操作机器人碰撞预警进行建模，构建机器人接近目标对象的预警反力；

S3、将S1中操作者的操作力矩与S2中的接触反馈力矩和预警反馈力矩进行融合，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S1包括以下步骤：

S1.1、搭建基于摇杆式手控器控制机器人运动的系统控制平台；

S1.2、计算机采集人手力及手控器位置信号，传送数据为系统控制手控器的运动做准备；

S1.3、通过将手控器视作为积分器，根据公式

计算手控器期望的机器人关节角控制信号q_sd，式中，k_ms为手控器与机器人关节角比例因子，t_sam为系统的采样周期，为n时刻手控器关节角，为t+l+1时刻手控器期望的机器人关节角，k_ms为手控器按钮修改比例因子；

S1.4、为避免积分引起控制量的过饱和及消除积分误差，输入信号为零时，设定为上一采样时刻机器人关节角

S1.5、按照公式

τ_m＝J^TF_m

计算在操纵力F_m下手控器的操作力矩τ_m.

S1.6、将手控器的运动简化为质量‑阻尼‑弹簧系统，手控器动力学模型表示为公式

式中，F_m为手控器操纵力，J为手控器的雅可比矩阵，M_m、B_m和K_m为手控器的惯性系数矩阵，阻尼系数矩阵和弹簧系数矩阵，k₁为操作者手动控制的权值系数；

所述步骤S2包括以下步骤：

S2.1、根据公式

预测t秒后机器人关节角位置式中，q_m、q_s为手控器及机器人当前时刻关节角；

S2.2、通过立体视觉技术获取作业场景图像数据并实时重构作业对象环境；

S2.3、结合环境相机测得的背景环境或障碍物的高度信息，及预测得到的机器人末端执行器位置，求解机器人末端沿速度方向与背景环境的距离d；

S2.4、依据公式

计算机器人所受的碰撞预警力F_t，式中，k_t为比例因子，d₀为机器人末端与障碍物间的安全距离，为机器人末端运动速度的单位向量；

S2.5、依据公式

计算机器人与环境间的接触反馈力矩τ_r和预警反馈力矩τ_t，式中，F_e为机器人末端与环境间的作用力，M_t、M_e为力矩向量，R为机器人末端执行器坐标系相对手控器坐标系的旋转矩阵；

所述步骤S3包括以下步骤：

S3.1、按照公式