一種雙人共享雙臂機器人遙操作控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙人共享雙臂機器人遙操作控制系統(tǒng)，通過建立雙手共享操作模型，實現(xiàn)兩主手雙手與機器人的操作映射，然后通過劃分主操作手和輔助操作手，在主操作手在操作過程中區(qū)分主要操作臂和配合操作臂，實現(xiàn)對主操作手的操作輔助，同時又可以避免主操作手在操作過程中，配合操作臂發(fā)生碰撞和誤操作等情況，實現(xiàn)障礙物規(guī)避和雙手精細遙操作。
【專利說明】-種雙人共享雙臂機器人遙操作控制系統(tǒng) 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于遙操作領(lǐng)域，具體設(shè)及一種雙人共享雙臂機器人遙操作控制系統(tǒng)。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 目前的多機械臂操作通常是每個操作者對單個機械臂進行單獨操作，在操作的過 程中需要操作者之間的相互配合，操作效率較低，在受到操作弧端限制的情況下，難W及時 的完成具體的操作任務(wù)，而通過單個操作者對雙臂機器人進行操作，則不需要操作者之間 進行交互，并且由于操作指令由單一操作者發(fā)出，從而操作更加靈活，也更適合的復雜未知 的操作場景，具有較大的應用價值。
[0003] 但是在雙臂遙操作過程中，雙臂通常需要區(qū)分出主操作臂和輔助操作臂，而操作 者的注意力主要集中于主操作臂上，難W同時顧及到輔助操作臂的情況，從而有可能導致 輔助操作臂與未知環(huán)境發(fā)生碰撞，基于該問題本發(fā)明提出一種雙人共享雙臂機器人遙操作 控制系統(tǒng)。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種雙人共享雙臂機器人遙操 作控制系統(tǒng)。
[0005] 為達到上述目的，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案予W實現(xiàn)：
[0006] -種雙人共享雙臂機器人遙操作控制系統(tǒng)，包括W下步驟：
[0007] 1)建立雙人雙手操作的動力學模型：
[000引
巧)；
[0009] 其中，巧和巧:，i = I，2為操作者i對左手控器和右手控器的作用力，巧Γ和破為操作 者i的實際控制力，竭，.和分別為操作者i的操作阻抗，磚和ρ?別為操作者i左手和右手的 速度變量；
[0010] 在任務(wù)模型中，建立兩操作者雙手的動力學模型：
[00"]
(2)
[001^ 其中，巧日端:;=M,;,.w' = l，2;分別表示操作者i左操作手和右操作手驅(qū)動 力的質(zhì)量模型阻抗，S為拉普拉斯算子，和為操作者i的左手和右手控制力；
[0013] 2)建立從端雙臂機器人的動力學模型：
[0014] 在任務(wù)模型中，建立從端雙臂機器人與環(huán)境交互的動力學模型：
[0015]
(3)
[0016] 其中，F(xiàn)/'和巧分別為環(huán)境對從端操作臂的作用力，皆和F/'為環(huán)境對從端雙臂 的實際作用力，Ze表示環(huán)境的阻抗，巧和巧分別表示從端的操作速度；
[0017] 在任務(wù)模型中，建立雙臂機器人的動力學模型：
[001 引
（4)
[0019]其中，鴉和靖分別為從端雙臂的控制力，《>ii轉(zhuǎn)和葛分別表示從端左機 械臂和右機械臂驅(qū)動力的質(zhì)量模型阻抗；
[0020] 3)主端控制器設(shè)計
[0021] 利用PD控制器設(shè)計兩主手的控制力
[0022]
巧）
[0023] 其中，C:".:=斯+的A，和C,:,.二及:,表示操作者i兩主手PD控制器參數(shù)，各 參數(shù)滿足 CL =端 + C:,,和 =而 + C:,,.;玲,,1 二瑞,1 +1 和 CLi = G,，,i +1 和 F4,操作者 i 左手和右手期望操作速度，巧i,和巧操作者i左手和右手期望作用力；
[0024] 4)從端控制器設(shè)計
[0025] 利用PD控制器設(shè)計兩從手的控制力
[0026]
(S)
[0027] 其中，C :=成+A'八，，和C;=巧' +K:/讀示從手雙臂PD控制器參數(shù)，各參數(shù)滿足 巧=z; + C沖q' =Z: +C: 二G +巧日G =?' +1，：Ti,和町d從手左臂和右臂的期望操作速 度，巧L和巧;d從手左臂和右臂的期望作用力；
[002引5)共享控制策略設(shè)計
[0029]共享控制策略通過期望速度和期望作用力實現(xiàn)，各操作者的主操作手只有一個， 即左手或者右手，令操作者1的主操作手為右手，操作者2的操作手為左手；
[0042] 其中，αι、〇2和日3分別表示主手1、主手2和從端的共享優(yōu)勢因子，且滿足條件aie [0，1 ]，i = 1，2，3;通過調(diào)節(jié)優(yōu)勢因子實現(xiàn)操作者操作訓練過程的過渡。
[0043] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下有益效果：
[0044] 本發(fā)明考慮將雙臂機器人系統(tǒng)在復雜中執(zhí)行雙臂協(xié)同操作任務(wù)，建立雙手共享操 作模型，實現(xiàn)兩主手雙手與機器人的操作映射，然后通過劃分主操作手和輔助操作手，在主 操作手在操作過程中區(qū)分主要操作臂和配合操作臂，主操作臂在操作過程中有較大的控制 權(quán)值，在控制中起到主導作用，配合操作臂實現(xiàn)對主操作手的操作輔助，同時又可W避免主 操作手在操作過程中，配合操作臂發(fā)生碰撞和誤操作等情況，實現(xiàn)障礙物規(guī)避和雙手精細 遙操作，本發(fā)明可W用于單操作者雙臂的精準遙操作和雙臂遙操作訓練，在空間多臂機器 人在軌維護中具有重要意義。 【【附圖說明】】
[0045] 圖1雙臂機器人遙操作協(xié)同控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
[0046] 圖2共享訓練之前和訓練之后操作者的操作軌跡比較
[0047] 圖3不同訓練階段兩操作者操作軌跡與訓練軌跡比較 【【具體實施方式】】
[0048] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述：
[0049] 參見圖1-圖3，，它包括W下五個步驟：
[0050] 1、建立雙人雙手操作的動力學模型：
[0051]
(1)
[0化2]其中，巧和巧;，f; = l，2為操作者i對左手控器和右手控器的作用力，巧t租巧*為操作 者i的實際控制力，ZL和寫,分別為操作者i的操作阻抗，巧和別為操作者i左手和右手的 速度變量。
[0053]在任務(wù)模型中，建立兩操作者雙手的動力學模型
[0054]
(2)
[00對其中，瑞:=抑U和瑞;=^,>，?' = ：1，2分別表示操作者1左操作手和右操作手驅(qū)動 力的質(zhì)量模型阻抗，S為拉普拉斯算子，片和巧L為操作者i的左手和右手控制力。
[0056] 2、建立從端雙臂機器人的動力學模型：
[0057] 在任務(wù)模型中，建立從端雙臂機器人與環(huán)境交互的動力學模型
[005引
（3)
[0059] 其中，巧"^和巧''分別為環(huán)境對從端操作臂的作用力，/^和巧""為環(huán)境對從端雙臂 的實際作用力，Ze表示環(huán)境的阻抗，K和FT分別表示從端的操作速度。
[0060] 在任務(wù)模型中，建立雙臂機器人的動力學模型
[0061]
(4)
[0062] 其中，挖和保分別為從端雙臂的控制力名=亦扭和《=M;5分別表示從端左機 械臂和右機械臂驅(qū)動力的質(zhì)量模型阻抗。
[0063] 3、主端控制器設(shè)計
[0064] 利用PD控制器設(shè)計兩主手的控制力
[0065]
(5)：
[0066] 其中，C.:=成,,+皮，和C:,.=及;表示操作者i兩主手PD控制器參數(shù)，各 參數(shù)滿足瑞".=式,+c:,和q,，".=巧+G;,.;待,,1 = cL+巧日CLi =G'",i+i KL和操作者i 左手和右手期望操作速度，巧，和巧d操作者i左手和右手期望作用力。
[0067] 4、從端控制器設(shè)計
[0068] 利用PD控制器設(shè)計兩從手的控制力
[0069]
貸
[0070] 其中，度+K火，和C;=巧+《;人表示從手雙臂PD控制器參數(shù)，各參數(shù)滿足 G =z; + C沖C;' =馬' +C;嗚=c +巧日G +1，F(xiàn)/d和從手左臂和右臂的期望操作速 度，，和巧L從手左臂和右臂的期望作用力。
[0071] 5、共享控制策略設(shè)計
[0072]共享控制策略通過期望速度和期望作用力實現(xiàn)，各操作者的主操作手只有一個， 即左手或者右手，令操作者1的主操作手為右手，操作者2的操作手為左手。
[0085] 其中，αι，α2和日3分別表示主手1，主手2和從端的共享優(yōu)勢因子，且滿足條件aie [0, 1]，i = l，2,3。通過調(diào)節(jié)優(yōu)勢因子實現(xiàn)操作者操作訓練過程的過渡。取 雌,=姐二，:=:0.5,說二媒二 2,喊:=辟二10()，雌=舶；=0.1，《=公;'=1，《二/^;=2操作兩 臺化Icon手控器左手畫圓右手畫方形操作，其中圓形的半徑為2畑1，方形的變長為4畑1，操作 者1主操作手為右手，操作者2主操作手為左手，操作訓練過程共分為Ξ個過程，第一過程中 取口1 = 1，日2 = 0，日3 = 0.5，第二過程中取日1 = 0.7，日2 = 0.3，日3 = 0.5，第^過程中取日1 = 0.5，口2 = 0.5,03 = 0.5,訓練的結(jié)果如圖2和圖3所示，可見通過訓練雙手的協(xié)同操作的軌跡誤差變 小，并且隨著訓練的程度的加深，訓練的效果逐漸變好。
[0086] W上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能W此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按 照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書 的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種雙人共享雙臂機器人遙操作控制系統(tǒng)，其特征在于，包括W下步驟： 1) 建立雙人雙手操作的動力學模型：(1) 其中，巧和巧，/ = 1，2為操作者i對左手控器和右手控器的作用力，巧'和巧Γ為操作者i 的實際控制力，Z,:,和分別為操作者i的操作阻抗，K巧喊芯別為操作者i左手和右手的速度 變量； 在任務(wù)模型中，建立兩操作者雙手的動力學模型：(2) 其中，式:=M,1盧和馬",':二^/,>，<' = 1，2分別表示操作者1左操作手和右操作手驅(qū)動力的 質(zhì)量模型阻抗，S為拉普拉斯算子，#1,和巧L.為操作者i的左手和右手控制力； 2) 建立從端雙臂機器人的動力學模型： 在任務(wù)模型中，建立從端雙臂機器人與環(huán)境交互的動力學模型：(3) 其中，巧'和Ff分別為環(huán)境對從端操作臂的作用力，if和巧ft為環(huán)境對從端雙臂的實際 作用力，Ze表示環(huán)境的阻抗，巧和分別表示從端的操作速度； 在任務(wù)模型中，建立雙臂機器人的動力學模型：(4) 其中，巧和分別為從端雙臂的控制力為和馬' =Λ〇分別表示從端左機械臂 和右機械臂驅(qū)動力的質(zhì)量模型阻抗； 3) 主端控制器設(shè)計 利用PD控制器設(shè)計兩主手的控制力觀 其中，域.:=瑞i. +足L.知，和端=巧,.+斬,A表示操作者i兩主手PD控制器參數(shù)，各參數(shù)滿 丈巧嗦,操作者i左手和 右手期望操作速度，F(xiàn)i.和巧操作者i左手和右手期望作用力； 4) 從端控制器設(shè)計 利用PD控制器設(shè)計兩從手的控制力掛 其中，C := 5： + 乂X，和G二聲' + 如表示從手雙臂P D控制器參數(shù)，各參數(shù)滿足 G =《+c沖C; =z; +C; < =c+巧日q =q'+i，κ'。,和從手左臂和右臂的期望操作速 度，巧，和喘從手左臂和右臂的期望作用力； 5) 共享控制策略設(shè)計 共享控制策略通過期望速度和期望作用力實現(xiàn)，各操作者的主操作手只有一個，即左 手或者右手，令操作者1的主操作手為右手，操作者2的操作手為左手；其中，αι、〇2和日3分別表示主手1、主手2和從端的共享優(yōu)勢因子，且滿足條件aie[〇，l]，i =1，2，3;通過調(diào)節(jié)優(yōu)勢因子實現(xiàn)操作者操作訓練過程的過渡。
【文檔編號】B25J9/16GK105965507SQ201610323422
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】黃攀峰, 鹿振宇, 劉正雄, 孟中杰
【申請人】西北工業(yè)大學