齊付普

（承德應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 （承德技師學(xué)院）， 河北 承德 067000）

0 引言

在危險(xiǎn)及不適于人類直接接觸的作業(yè)環(huán)境內(nèi)， 往往使用機(jī)器人進(jìn)行工作， 遙操作系統(tǒng)可以將人的經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰ν卣沟綑C(jī)器人上[1，2]。因此，機(jī)器人遙操作的研究具有重要意義。

本文采用觸覺(jué)力反饋設(shè)備上的按鍵觸發(fā)的形式，解決力反饋設(shè)備運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)于機(jī)器人作業(yè)空間過(guò)小的問(wèn)題，可隨時(shí)重新啟停更新位置同步。同時(shí)在工作空間內(nèi)設(shè)定虛擬墻及速度限制，保證機(jī)器人外部引導(dǎo)的安全運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)基于動(dòng)力學(xué)辨識(shí)的力反饋補(bǔ)償最后在omega-XB4 主從機(jī)器人遙操作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)所提出的控制方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)成

本文研究的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)主要包括觸覺(jué)式力反饋設(shè)備， 工業(yè)機(jī)器人及安裝在機(jī)器人末端的六維力傳感器及末端執(zhí)行工具等， 視覺(jué)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)遠(yuǎn)端作業(yè)場(chǎng)景。 通過(guò)機(jī)器人控制器內(nèi)的外部實(shí)時(shí)引導(dǎo)接口實(shí)現(xiàn)人、機(jī)器人與作業(yè)環(huán)境之間的交互[3，4]。

圖1 機(jī)器人遙操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure diagram of control system

其中工業(yè)機(jī)器人的控制器需具有實(shí)時(shí)外部引導(dǎo)接口， 外部傳感器可通過(guò)固定的頻率與控制器進(jìn)行位置及力反饋交互。

2 控制策略的設(shè)計(jì)

2.1 位姿引導(dǎo)及力反饋

位置引導(dǎo)主要為解決力反饋設(shè)備到工業(yè)機(jī)器人的位姿映射問(wèn)題。 如圖所示，采用遙操作設(shè)備上的按鍵作為觸發(fā)：

（1）在按鍵按下的第一個(gè)周期內(nèi)完成遙操作設(shè)備及機(jī)器人的位姿獲取并記錄為初始位姿，其中PR由機(jī)器人位置PRinit和姿態(tài)RRinit構(gòu)成，PH由遙操作設(shè)備位置PHinit 和姿態(tài)RHinit構(gòu)成；

（2） 在之后的每一個(gè)周期內(nèi)獲取遙操作設(shè)備的位置PHi和姿態(tài)RHi 相對(duì)于初始位姿PHinit和RHinit的轉(zhuǎn)換關(guān)系：姿態(tài)變換R=RHi×inv（RHinit），inv 為求矩陣的逆；位置變換P=PHi-PHinit；

（3）將遙操作的位姿轉(zhuǎn)換關(guān)系變換到機(jī)器人對(duì)應(yīng)的位姿中，機(jī)器人位置PRi=P+PRinit及機(jī)器人姿態(tài)RRi=R× RRinit，設(shè)定位置映射比例關(guān)系kp及姿態(tài)映射比例kr，則：

其中：f（R，kr）為將姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣轉(zhuǎn)換為等效轉(zhuǎn)軸的表述方式并分別乘以kr再轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)矩陣， 以解決姿態(tài)矩陣比例映射的問(wèn)題。

（4）機(jī)器人控制器按照接收到的位姿完成插補(bǔ)及逆解等計(jì)算過(guò)程， 執(zhí)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)并將機(jī)器人末端的力反饋傳感器感知到的六維力反饋信息F 實(shí)時(shí)發(fā)送的遙操作設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)要操作設(shè)備的力反饋。

（5）按鍵釋放則停止位姿同步及力反饋過(guò)程。

2.2 安全性保障

使用力反饋設(shè)備對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遙操作控制時(shí)， 應(yīng)保證機(jī)器人處于有效工作范圍及運(yùn)動(dòng)能力范圍內(nèi)， 否則將出現(xiàn)空間受限及速度超載等問(wèn)題[5，6]。

為解決機(jī)器人由于運(yùn)動(dòng)空間帶來(lái)的問(wèn)題， 在機(jī)器人控制器內(nèi)根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間， 結(jié)合工作環(huán)境建模等因素，設(shè)定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的虛擬墻，即當(dāng)引導(dǎo)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到設(shè)定空間范圍以外時(shí)，機(jī)器人將不在響應(yīng)遙操作。

當(dāng)機(jī)器人末端處于虛擬墻Ow及修正的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍OR的交集O=（Ow∩OR）內(nèi)時(shí)，才可實(shí)現(xiàn)力反饋遙操作。 同時(shí)，可根據(jù)視覺(jué)傳感器觀測(cè)到的環(huán)境三維信息進(jìn)行更新， 使機(jī)器人能夠在遙操作過(guò)程中避免不必要的接觸碰撞。 其中，視覺(jué)檢測(cè)及建模方法本文不做詳細(xì)闡述。

為解決機(jī)器人由于運(yùn)動(dòng)速度帶來(lái)的問(wèn)題， 特別是當(dāng)力反饋設(shè)備末端姿態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)快帶來(lái)的機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度超限及接近奇異點(diǎn)時(shí)由于逆解帶來(lái)的速度超限問(wèn)題，設(shè)計(jì)速度調(diào)整策略：

在機(jī)器人控制器內(nèi)設(shè)定機(jī)器人末端笛卡爾空間移動(dòng)速度限制VlimitC及關(guān)節(jié)空間速度限制VlimitJ。 當(dāng)出現(xiàn)誤碰或誤操作導(dǎo)致速度過(guò)快時(shí)，機(jī)器人進(jìn)入緩慢跟隨狀態(tài)，以避免出現(xiàn)關(guān)節(jié)速度超限導(dǎo)致的機(jī)器人無(wú)法運(yùn)行。

3 末端負(fù)載的動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)及補(bǔ)償

機(jī)器人反饋給遙操作設(shè)備的接觸作用力為安裝在機(jī)器人末端的六維力傳感器提供， 六維力傳感器是機(jī)器人常用傳感器之一。 機(jī)器人工作過(guò)程中一般需要安裝末端執(zhí)行工具， 工具會(huì)安裝在傳感器的下端。 不同姿態(tài)情況下，由于重力作用（僅考慮靜態(tài)或低速運(yùn)動(dòng)情況），末端工具會(huì)對(duì)傳感器采集的數(shù)值有影響， 不能完全反映末端作用力情況，還包括工具的重力的作用效果。即使在機(jī)器人末端未進(jìn)行任何物體接觸的情況下， 依然會(huì)反饋給遙操作設(shè)備（因末端工具重力帶來(lái)的），因此為了準(zhǔn)確反應(yīng)末端作用力，需要進(jìn)行重力補(bǔ)償。 而另一方面，在工作過(guò)程中往往是工具末端與環(huán)境發(fā)生力交互， 由于力作用點(diǎn)與傳感器坐標(biāo)系的力臂作用， 傳感器采集的數(shù)據(jù)并不是實(shí)際的接觸作用力。 因此需要將傳感器采集的作用力變換的接觸點(diǎn)坐標(biāo)系（工具末端坐標(biāo)系）上。

圖2 中N—機(jī)器人末端連桿坐標(biāo)系（可能與法蘭重合，也可能在機(jī)器人腕部）；E—機(jī)器人法蘭坐標(biāo)系；S—傳感器坐標(biāo)系；T—工具坐標(biāo)系（包括傳感器）；C—質(zhì)心坐標(biāo)系（包括傳感器），其坐標(biāo)系姿態(tài)與機(jī)器人腕部坐標(biāo)系N 相同；B—機(jī)器人基坐標(biāo)系。

圖2 機(jī)器人端相關(guān)的坐標(biāo)系Fig.2 Frames of end effector

（3）給定傳感器的質(zhì)量ms及坐標(biāo)系E 與坐標(biāo)系S 之間的變換關(guān)系：

則S 坐標(biāo)系下工具的質(zhì)心坐標(biāo)為：

圖3 末端工具示意圖Fig.3 Diagram of end effector

在工具質(zhì)心tC 處建立坐標(biāo)系， 該坐標(biāo)與基坐標(biāo)B姿態(tài)一致，如圖3 所示。

則坐標(biāo)系tC 下重力產(chǎn)生的力和力矩為：

變形得，做用在坐標(biāo)系T 處的作用力為：

4 驗(yàn)證與分析

本實(shí)驗(yàn)搭建使用珞石XB4 六軸機(jī)器人， 末端搭載OPTOFORCE6-Axis F/T 六維力傳感器， 待動(dòng)力學(xué)辨識(shí)補(bǔ)償?shù)膴A持工具為大寰DH 兩指夾爪。

機(jī)器人負(fù)載辨識(shí)在機(jī)器人控制器內(nèi)通過(guò)二次開發(fā)接口實(shí)現(xiàn)，不需要使用力反饋遙操作設(shè)備。給定傳感器及負(fù)載相關(guān)參數(shù)：

設(shè)定機(jī)器人關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)如圖4 所示， 對(duì)安裝在六維力傳感器后的末端夾爪進(jìn)行負(fù)載動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)得到動(dòng)力學(xué)參數(shù)如下：

圖4 機(jī)器人力反饋遙操作系統(tǒng)Fig.4 Robot teleoperation system of force feedback

根據(jù)上一節(jié)給出的動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償過(guò)程，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行補(bǔ)償后， 并與補(bǔ)償前進(jìn)行對(duì)比，機(jī)器人系統(tǒng)末端負(fù)載對(duì)機(jī)器人力反饋的影響降低了90%。

圖5 機(jī)器人測(cè)試軌跡Fig.5 The process of guiding position and orientation

圖6 補(bǔ)償前后對(duì)比圖Fig.6 Compensation contrast diagram

根據(jù)第二部分設(shè)計(jì)的遙操作策略， 使用力反饋遙操作設(shè)備對(duì)機(jī)器人進(jìn)行固定物體接觸。 引導(dǎo)機(jī)器人對(duì)固定物體進(jìn)行力接觸， 得到引導(dǎo)軌跡及補(bǔ)償后的遙操作力反饋數(shù)據(jù)如圖7 所示，本文設(shè)計(jì)的基于負(fù)載動(dòng)力學(xué)辨識(shí)得力反饋遙操作系統(tǒng)可以消除末端重力及慣性帶來(lái)的影響，完成與物體的接觸及力反饋。

圖7 力反饋遙操作Fig.7 Teleoperation system of force feedback

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)工業(yè)機(jī)器人遙操作系統(tǒng)中存在的工作空間差異以及末端工具重力及慣性帶來(lái)的力反饋影響， 首先提出了一種連續(xù)有效的映射算法，并設(shè)計(jì)安全保護(hù)機(jī)制，使主從機(jī)器人的工作空間高度覆蓋。進(jìn)一步，設(shè)計(jì)基于末端負(fù)載動(dòng)力學(xué)辨識(shí)補(bǔ)償?shù)牧Ψ答佈a(bǔ)償方法， 消除末端負(fù)載帶來(lái)的影響， 并將遙操作的同步基準(zhǔn)點(diǎn)調(diào)整到負(fù)載末端，實(shí)現(xiàn)末端的高精度引導(dǎo)。 最后在omega.7-SIA 主從機(jī)器人遙操作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)所提出的控制方法進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法使得主從機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍在高度覆蓋的同時(shí)可以保證力反饋的精度。