一種基于共享控制的雙臂協(xié)同遙操作控制方法

黃攀峰，鹿振宇，黨小鵬,3，劉正雄

(1. 西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院智能機(jī)器人研究中心，西安 710072；2.西北工業(yè)大學(xué)航天飛行動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072；3.中國航天科技集團(tuán)公司第四研究院第四十一研究所，西安 710025；)

0 引 言

隨著目前空間深空探測和在軌服務(wù)技術(shù)的發(fā)展，在軌維修、在軌組裝技術(shù)的需求越來越強(qiáng)烈。但是受制于目前空間機(jī)器人智能程度的限制，空間遙操作技術(shù)則成為解決這類面向在軌維護(hù)、故障航天器維修和檢查等任務(wù)的重要途徑[1-4]。然而目前由單個(gè)機(jī)械臂難以滿足越來越復(fù)雜在軌服務(wù)的需求，采用多個(gè)機(jī)械臂協(xié)同遙操作，相比于單人單臂的遙操作模式[5]，不僅操控方式更為靈活，可承受的任務(wù)載荷也更大[6]。但是如何讓多個(gè)機(jī)械臂之間能夠較好的互相協(xié)同并高效的完成操作任務(wù)是較難解決的問題。目前多機(jī)械臂遙操作模式通常是讓每個(gè)操作者獨(dú)立對單個(gè)機(jī)械臂，并在相應(yīng)協(xié)同控制指令之下完成操作。但是這種操作方式在操作的過程中操作者之間相互配合比較困難，協(xié)同操作效率較低，同時(shí)受到操作弧端的限制，難以發(fā)揮多人多臂協(xié)同操作的優(yōu)勢[7]。

近20年來，針對多邊(Multilateral)遙操作的控制問題逐步引起研究者的關(guān)注[8]。李智軍[9-10]等將目前的多邊遙操作控制方法分為兩類：基于離散/集中控制模式的力/位置混合控制,領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者控制。此外，按照主從操作者的數(shù)目不同多邊遙操作控制又可以分為半自主控制[11-12]、共享控制[13-17]和多主多從控制[18-19]。共享控制則是多名操作者通過共享的方法對單個(gè)機(jī)械臂同時(shí)進(jìn)行方法。該方法最早由Nudehi[13]等提出并用于遠(yuǎn)程醫(yī)療的外科手術(shù)訓(xùn)練和教學(xué)中。在對單機(jī)械臂的操控過程中，兩名操作者與操作機(jī)械臂之間形成多邊關(guān)系、并通過力/位置的相互影響，達(dá)到對機(jī)械臂共享操作、操作信息交互和在線訓(xùn)練的目的。相比于其它控制方法，共享控制可以實(shí)現(xiàn)多名操作者的操作和決策信息的實(shí)時(shí)綜合與反饋。

在面向非合作目標(biāo)的雙臂精細(xì)遙操作中，需要雙臂同時(shí)具備較高的操作精度和較好的配合程度，而這對于單個(gè)操作者雙臂操作和多操作者協(xié)同操作的操作模式，都難以達(dá)到要求的操作精度和協(xié)同操作的平衡性。本文結(jié)合共享控制與多臂遙操作控制的思想提出一種基于共享控制的雙臂協(xié)同遙操作控制方法。在控制過程中，兩名操作者在操作過程中，通過共享控制交互操作信息，使操作者在完成自身操控的同時(shí)感受到操作環(huán)境的變化和協(xié)同操作臂的操作效果，并通過優(yōu)勢因子調(diào)節(jié)各操作者的控制權(quán)重，實(shí)現(xiàn)操作精度和協(xié)同性的平衡。

1 系統(tǒng)建模

雙人共享控制系統(tǒng)中，兩個(gè)操作者h(yuǎn)1和h2的左右手分別操控兩個(gè)主端設(shè)備，主端與從端機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型為

(1)

(2)

2 四通道雙邊控制結(jié)構(gòu)與共享控制

2.1 四通道雙邊控制結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)雙邊遙操作控制系統(tǒng)中的四通道控制結(jié)構(gòu)中，主端和從端同時(shí)互相傳遞位置和力信息，相比于雙通道控制結(jié)構(gòu)，其控制的穩(wěn)定性和透明性更平衡，如圖1所示。

在四通道控制結(jié)構(gòu)中，主端和從端的期望位置分別表示為：

(3)

結(jié)合圖1中的控制結(jié)構(gòu)和式(3)，可得其主端和從端的控制力的表達(dá)式為：

(4)

其中，F(xiàn)cm，F(xiàn)cs，Vh，Ve，F(xiàn)h和Fe的定義與分別與(1)和(2)中相同；Cm=Bm+Km/s和Cs=Bs+Ks/s表示主端和從端機(jī)器人的局部PD位置控制器參數(shù)，C5和C6是局部力控制器參數(shù)，C1，C2，C3，C4是前饋補(bǔ)償系數(shù)。

2.2 共享控制策略

雙臂精準(zhǔn)協(xié)同操作的難點(diǎn)在于平衡操作精準(zhǔn)度和協(xié)同性，本文的思路在于每個(gè)操作者操作其中一個(gè)機(jī)械臂并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操作，同時(shí)通過共享控制實(shí)現(xiàn)操作信息的交互。即在兩個(gè)操作者的協(xié)同操作過程中，一個(gè)操作者通過力反饋設(shè)備不僅能夠感受到從端環(huán)境的力，而且能感受到另一個(gè)操作者的操作意圖。在整個(gè)共享遙操作控制回路中主端操作者和從端機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)位置和作用力信息互相傳遞，作為反饋，主端和從端的阻抗動(dòng)力學(xué)狀態(tài)通過系統(tǒng)回路混合成系統(tǒng)的阻抗。具體通過圖2說明：

圖2由兩個(gè)操作者和一個(gè)雙臂機(jī)器人組成，在操作過程中將操作者的雙手劃分為主操作手和輔助操作手，主操作手負(fù)責(zé)對應(yīng)機(jī)械臂的操控，輔助操作手在感受主操作手和環(huán)境反饋的同時(shí)配合主操作手完成雙臂協(xié)同操作任務(wù)。

在操作過程中，操作者和對應(yīng)的機(jī)械臂構(gòu)成共享控制，在操作過程中，主操作手具有較大的控制權(quán)重，而輔助操作手相應(yīng)的權(quán)重較小。輔助操作手一方面可以感受到主操作手的操作信息，另一方面可以將兩手的協(xié)同趨勢傳遞給其他操作者，并以較小程度影響其他操作者的操作決策。這樣，在完成各自獨(dú)立精準(zhǔn)操作的同時(shí)，通過共享控制，可以實(shí)現(xiàn)操作力和位置信息的交互。

3 主從端控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)之前工作[7]中提出的非對稱共享控制結(jié)構(gòu)和四通道控制器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)多優(yōu)勢因子的雙人共享控制遙操作系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖3所示。

基于共享控制的雙邊遙操作控制器的表達(dá)式如下：

(5)

為了獲得對期望位置和期望力更好的跟蹤效果，根據(jù)忽略時(shí)延的理想條件下單主單從遙操作系統(tǒng)的透明性最優(yōu)控制律(Transparency Optimized Control，TOC)，在控制參數(shù)的選取具有一定規(guī)律。通過對該選取規(guī)則進(jìn)行擴(kuò)展，式(5)中的控制參數(shù)選擇如下：

(6)

根據(jù)共享控制策略，主從端的期望位置和期望作用力的表達(dá)式均由其他端的位置和作用力決定，則式(5)期望位置表示為：

(7)

期望作用力表示如下：

(8)

其，α1，α2和α3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αi∈[0,1],i=1,2,3。α1，α2代表了主操作手和輔助操作手之間的交互程度，α3代表了從端機(jī)器人受兩個(gè)操作者共享控制的權(quán)重大小。通過選取合適的優(yōu)勢因子可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)操作者較好的協(xié)同操作效果。

4 仿真校驗(yàn)

利用所提出的雙人雙臂共享協(xié)同控制方法設(shè)計(jì)遙操作實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)主端設(shè)備由四臺(tái)Falcon手控器構(gòu)成，兩個(gè)操作者的左右手分別操作兩個(gè)手控器，從端采用力反饋渲染框架CHAI3D來模擬構(gòu)建。如圖4所示，在協(xié)同共享遙操作平臺(tái)中，有一個(gè)內(nèi)半徑參數(shù)為0.05，外半徑為0.1，長度為0.5的圓筒和一個(gè)球半徑為0.045的小球，如圖5所示，并將圓筒置于非穩(wěn)定操作環(huán)境中[20]，并受到相應(yīng)的環(huán)境外力：

其中，Ke表示環(huán)境力系數(shù)，x和z為受力點(diǎn)與原點(diǎn)之間的距離，環(huán)境力效果如圖6所示。由于該環(huán)境力處于X-Z的操作平面上，只會(huì)對操作對象產(chǎn)生X-Z平面上的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生干擾。

三種操作控制的相對位置變化如圖7-9所示。可以看出，相比于其他兩種操作策略，通過共享操作策略，完成裝配過程(X軸和Z軸的相對位置同時(shí)趨于0)僅需要11 s左右，且在裝配過程中存在較小的位置抖動(dòng)，而在同等實(shí)驗(yàn)條件下，雙人協(xié)同操作需要23 s，單人雙臂操作中操作者難以兼顧穩(wěn)定圓筒位置和精準(zhǔn)放置的操作，位置抖動(dòng)劇烈，完成時(shí)間為47s。相比之下，共享操作過程穩(wěn)定，用時(shí)較短。

Y軸方向的相對位置小球在圓筒方向上的放置深度。圖8中的虛線對應(yīng)Y軸坐標(biāo)表示從放置到放置完成球心與筒心的相對位置區(qū)間為[0.205,0.295]。結(jié)合圖10-12的碰撞力結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)在碰撞時(shí)(圈的位置)所對應(yīng)的Y軸的位置均處于該相對位置區(qū)間,對應(yīng)X軸和Z軸坐標(biāo)的絕對值也小于0.15。

相應(yīng)的操作碰撞力結(jié)果如圖10-12所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過雙人共享控制策略，操作過程中小球與圓筒只有一次碰撞，且相比于雙人協(xié)同操作和單人雙臂操作，碰撞次數(shù)減小，操作穩(wěn)定性較高。進(jìn)一步，針對不同的控制策略分別進(jìn)行10次試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖13所示:

結(jié)果表明，相比于其他兩種控制策略，本算法操作精度較高，會(huì)減小操作中的碰撞次數(shù)；同時(shí)用時(shí)較短，操作效率較高。

5 結(jié) 論

本文提出了一種雙臂協(xié)同遙操作共享控制方法，通過構(gòu)建基于傳統(tǒng)四通道控制結(jié)構(gòu)的共享控制結(jié)構(gòu)，在主從端控制器中加入優(yōu)勢因子，實(shí)現(xiàn)操作者與機(jī)器人左右操作手力和位置信息的雙閉環(huán)反饋回路，通過調(diào)節(jié)優(yōu)勢因子使主端的操作者對從端機(jī)械臂具有不同的控制權(quán)重，使主端操作者在協(xié)同操作時(shí)可以同時(shí)感受到其他操作者的操作意圖和從端反饋信息，進(jìn)而通過CHAI 3D搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證，相比于傳統(tǒng)PID控制的單人雙臂操作和雙人單獨(dú)操作單機(jī)械臂策略，本算法操作精度較高，操作過程中的碰撞次數(shù)較少，操作效率較高。

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