地面無人移動(dòng)平臺(tái)機(jī)械臂遙操作控制技術(shù)研究

摘 要：地面無人平臺(tái)在近些年發(fā)展迅速，在戰(zhàn)場(chǎng)、災(zāi)害救援等多種場(chǎng)合都有所應(yīng)用。本文針對(duì)地面無人平臺(tái)機(jī)械臂的遙操作控制方式做出調(diào)研，針對(duì)不同的控制方案做出對(duì)比論證。得出了以末端控制和關(guān)節(jié)映射專用控制器結(jié)合的復(fù)合控制方式，在兼顧效率的同時(shí)又提高了裝備的可攜帶性和易操作性。

關(guān)鍵詞：地面無人平臺(tái);機(jī)械臂;遙操作

1. 引言

我國(guó)在“七五”計(jì)劃中把機(jī)器人列人國(guó)家重點(diǎn)科研規(guī)劃內(nèi)容，陸續(xù)展開了機(jī)器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究[1]。幾十年來，相繼研制出各門類的工業(yè)機(jī)器人及水下作業(yè)、軍用和特種機(jī)器人。無人移動(dòng)平臺(tái)屬于機(jī)器人產(chǎn)品中的特種機(jī)器人，而機(jī)械臂則多數(shù)應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人中。隨著改革開放以來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的持續(xù)增長(zhǎng)，無人移動(dòng)平臺(tái)在軍民各領(lǐng)域的需求不斷增多，其自主性、自適應(yīng)性和多功能性都提出了更高的要求。搭載機(jī)械臂的無人移動(dòng)平臺(tái)或稱為移動(dòng)操作系統(tǒng)的出現(xiàn)滿足了危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)、戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用、極地和外太空探索等領(lǐng)域的應(yīng)用需求，近年來越來越多的研究工作在該領(lǐng)域展開。

地面無人移動(dòng)平臺(tái)，是指在地面上行駛，且不需要人工車上駕駛的車輛等地面移動(dòng)系統(tǒng)。地面無人移動(dòng)平臺(tái)在高危環(huán)境、狹小空間等工作環(huán)境下相比人工作業(yè)有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。因此，地面無人移動(dòng)平臺(tái)在戰(zhàn)爭(zhēng)、災(zāi)害救援、危險(xiǎn)作業(yè)、醫(yī)療服務(wù)等各個(gè)領(lǐng)域都已經(jīng)展開了廣泛的應(yīng)用[2]。如今，已經(jīng)有大量的遙控?zé)o人移動(dòng)平臺(tái)用來代替人力工作在危險(xiǎn)環(huán)境下。

在機(jī)器人系統(tǒng)中，操作臂或機(jī)械臂是一種輔助機(jī)器人本體抓取、放置、加工材料或物品的裝置，通常采用類似人類手臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)并包含相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)關(guān)節(jié)，具有多個(gè)自由度的機(jī)械裝置[3]。

搭載機(jī)械臂的無人移動(dòng)平臺(tái)或移動(dòng)操作臂系統(tǒng)是移動(dòng)無人平臺(tái)和機(jī)械臂系統(tǒng)的有機(jī)整合，機(jī)械臂是工業(yè)領(lǐng)域的常見生產(chǎn)工具，研究?jī)?nèi)容涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械臂正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)理論、剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)理論、計(jì)算機(jī)仿真和控制策略等方面。從實(shí)際應(yīng)用角度看，機(jī)械臂使無人平臺(tái)在單純偵察、檢測(cè)的基礎(chǔ)補(bǔ)充了處置問題的能力;反之，無人平臺(tái)的引入是機(jī)械臂系統(tǒng)的靈活性大大增強(qiáng)，從生產(chǎn)線上固定的單一作業(yè)工具的角色轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢蕴娲祟愅瓿晒ぷ鞯闹悄軝C(jī)器人。其應(yīng)用前景十分廣闊，預(yù)計(jì)帶來的經(jīng)濟(jì)效益豐厚。

傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械臂的應(yīng)用方式大部分為預(yù)先通過示教器編程，按照預(yù)定生產(chǎn)目標(biāo)重復(fù)、快速的完成單一工作，對(duì)于機(jī)械臂本身的運(yùn)行速度和重復(fù)定位精度要求較高。而移動(dòng)無人平臺(tái)的機(jī)械臂則大多數(shù)情況下應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)環(huán)境，每次執(zhí)行的任務(wù)都有所變化，絕大多數(shù)情況下需要遙操作完成。

本文根據(jù)5自由度移動(dòng)平臺(tái)機(jī)械臂特點(diǎn)，提出了一種復(fù)合式控制終端，通過單關(guān)節(jié)、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和關(guān)節(jié)映射控制器三種控制方式完成移動(dòng)平臺(tái)機(jī)械臂的方案，兼顧了不同操作條件下的機(jī)械臂控制特點(diǎn)，提高了機(jī)械臂的控制效率，達(dá)到了良好的控制效果。

2. 機(jī)械臂控制原理

對(duì)于移動(dòng)平臺(tái)機(jī)械臂而言，操作臂的控制需要以遙操作的方式完成，即機(jī)械臂實(shí)時(shí)的接收遠(yuǎn)程控制端的操作員指令，實(shí)時(shí)的根據(jù)操作員的意志完成作業(yè)過程。一般而言，遙操作控制可以通過單關(guān)節(jié)逐個(gè)控制、末端速度逆解和專用關(guān)節(jié)映射控制器等幾種方式完成。

單關(guān)節(jié)控制的原理比較簡(jiǎn)單，即通過遠(yuǎn)程控制終端的按鍵或觸摸屏等方式采集操作員的控制指令，包括每個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和角位移值，通過鏈路通信設(shè)備傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人將指令轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。從控制原理上講，關(guān)節(jié)之間不存在耦合，機(jī)器人端只需要采用傳統(tǒng)PID控制方式按照預(yù)設(shè)定的增益值輸出對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)扭矩通過速度和位置閉環(huán)即可完成作業(yè)。

關(guān)節(jié)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的控制實(shí)現(xiàn)原理相對(duì)復(fù)雜一些。操控端采集到的是機(jī)器人末端操作器在笛卡爾空間內(nèi)的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)速度，需要經(jīng)過解算變換為關(guān)節(jié)空間內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度傳遞給機(jī)械臂。機(jī)械臂的Jacobian矩陣表示機(jī)械臂的操作空間與關(guān)節(jié)空間之間速度的線性映射關(guān)系，對(duì)于6個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)械臂Jacobian矩陣是方陣，如果它是可逆的，則可以由機(jī)械臂的末端速度求出各個(gè)關(guān)節(jié)的速度。但Jacobian矩陣在機(jī)械臂的奇異位姿上是不可逆的。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)機(jī)械臂的末端位置接近奇異位置時(shí)，Jacobian矩陣是病態(tài)的，可能導(dǎo)致關(guān)節(jié)速度不能正確地得到對(duì)于逆速度解問題，速度逆解公式為? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?，注意到此時(shí)需要求雅可比矩陣的逆，由線性方程組理論知上式對(duì)任意的? ? ? ? ? 都有解的必要條件是雅可比矩陣的秩rank（J）=6，這意味著機(jī)械臂的自由度數(shù)n≥6。但從移動(dòng)平臺(tái)的承載重量，降低成本等方面考慮，移動(dòng)平臺(tái)機(jī)械臂通常采用欠驅(qū)動(dòng)模式，采用5自由度或4自由度機(jī)械臂，雅克比矩陣為長(zhǎng)方陣，給求逆運(yùn)算帶來問題。另外，當(dāng)機(jī)械臂處于完全展開或兩個(gè)以上的關(guān)節(jié)處于共軸狀態(tài)時(shí)，也就是產(chǎn)生所謂萬(wàn)向節(jié)鎖問題時(shí)機(jī)械臂將處于奇異位姿，造成雅克比矩陣不滿秩，無法求逆。

實(shí)際上，最小二乘解是高維空間向低維空間的投影，因此在通過逆解出來的關(guān)節(jié)速度控制機(jī)械臂時(shí)，其控制結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定誤差，這是機(jī)械臂本身結(jié)構(gòu)性質(zhì)所決定的。

另外一種處理方式是放棄某幾個(gè)維度上的控制，抽取雅克比矩陣的特定行，把欠驅(qū)動(dòng)問題變成過驅(qū)動(dòng)問題，這樣處理帶來的結(jié)果是某些維度上的結(jié)果不可控，一般來說可以忽略末端的姿態(tài)控制而只控制其位置，達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)附近后再通過軸控制逐漸調(diào)整目標(biāo)姿態(tài)?？蓪⒓绮亢椭獠扛┭鲫P(guān)節(jié)抽取出來形成一個(gè)平面兩自由度連桿，控制在豎直平面內(nèi)的上下和前后運(yùn)動(dòng)，而左右移動(dòng)則由肩關(guān)節(jié)的左右轉(zhuǎn)動(dòng)來代替，腕關(guān)節(jié)的俯仰和連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)則單獨(dú)控制。這樣一來，既可以在操控端形成良好的視覺控制反饋，符合操作手的直觀控制邏輯，又保證了機(jī)械臂控制的精確性，符合遙操作的設(shè)計(jì)目的。

3. 控制方案

操作控制單元，即機(jī)器人的遙控設(shè)備，是連接人類和機(jī)器人的橋梁，負(fù)責(zé)將人的指令轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳送給機(jī)器人，并要將機(jī)器人自身和采集到的狀態(tài)信息反饋給人類操作手，以便于了解機(jī)器人狀態(tài)并做出下一步指示。操作手利用控制單元控制機(jī)器人的移動(dòng)、搭載的載荷的動(dòng)作以及監(jiān)測(cè)機(jī)器人本身和外部環(huán)境的實(shí)時(shí)信息，因此，控制單元需要適應(yīng)人的使用習(xí)慣，信息反饋要直觀，命令的下達(dá)要符合簡(jiǎn)單直接的操作邏輯?？梢哉f，控制單元是人類操作手與整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)交互的直接媒介，其易用性、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性等對(duì)機(jī)器人的綜合表現(xiàn)起到至關(guān)重要的作用。

針對(duì)搭載機(jī)械臂的無人移動(dòng)平臺(tái)而言，除了需要滿足移動(dòng)底盤前進(jìn)后退等運(yùn)動(dòng)控制外，任務(wù)載荷的控制則更為復(fù)雜。在多軸機(jī)械臂上，一個(gè)操作手則要控制多個(gè)自由度的機(jī)械臂運(yùn)作，完成抓取、引爆、釋放、轉(zhuǎn)動(dòng)等各種復(fù)雜操作。因此，更需要專用的操作手段輔助操作手順利完成作業(yè)。

3.1. 方案對(duì)比

相較底盤，機(jī)械臂的自由度更多，控制更為復(fù)雜。一般來講，對(duì)機(jī)械臂的控制主要有單軸控制、末端逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制、關(guān)節(jié)映射控制等。

單軸控制器的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，如圖所示，即將機(jī)械臂每個(gè)自由度設(shè)置一個(gè)控制搖桿或按鈕，控制器正反轉(zhuǎn)，類似于傳統(tǒng)工程機(jī)械的控制方式。該方式的好處是實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單，壞處也是顯而易見的，末端的位置不易通過單軸控制直接得到，且控制效率十分低下。

另一類常用的控制方式為末端逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制，該方法可以直接對(duì)機(jī)械臂末端位置進(jìn)行控制，操作者通過控制器發(fā)送末端的空間6自由度指令，控制器通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法將其轉(zhuǎn)化為各軸的轉(zhuǎn)角和速度并發(fā)送給機(jī)械臂。這種控制方式的好處是對(duì)于操作者更為直觀快速，另外可結(jié)合VR設(shè)備、力反饋設(shè)備等實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的控制功能，缺點(diǎn)是軟件開發(fā)難度較大，研發(fā)成本高。

最后一種是關(guān)節(jié)映射控制方法，實(shí)際上就是在操控端使用一個(gè)跟機(jī)械臂等比縮小的控制器，操作者，直接操控該機(jī)械臂的末端，遠(yuǎn)端的機(jī)器人則完全復(fù)現(xiàn)操控端的動(dòng)作。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是軟件開發(fā)難度較小，對(duì)操控者也很友好，缺點(diǎn)是需要制造專用控制設(shè)備，且需要解決諸如關(guān)節(jié)阻尼、信號(hào)采集濾波等問題，硬件上實(shí)現(xiàn)起來的難度相對(duì)較大，一定程度上增加了成本。

相較于主控制器，機(jī)械臂的控制更為復(fù)雜，一般來說為了避免機(jī)械臂鄰近奇異點(diǎn)或有其他故障發(fā)生時(shí)失控，單軸控制的功能是必須具備的。但有別于國(guó)內(nèi)有些廠家簡(jiǎn)單粗暴的多個(gè)按鈕設(shè)置，這部分功能可以結(jié)合主控制器的觸摸屏或撥碼開關(guān)完成，大部分時(shí)候不需要啟用，只在特殊情況下在分級(jí)菜單中調(diào)出。

而末端控制則是機(jī)械臂控制的重點(diǎn)。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算的方式，則軟件開發(fā)階難度較大，并且后續(xù)調(diào)試也耗時(shí)很長(zhǎng)，且對(duì)于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂奇異位置無法求解，控制效果無法做到十分精確，且容易與周圍環(huán)境產(chǎn)生碰撞。關(guān)節(jié)映射是更為優(yōu)秀的控制方案，但這就制造一個(gè)專用控制設(shè)備與主控制器連接，在需要用到時(shí)裝載在主控制器上，不需要時(shí)可以不隨身攜帶，而只使用主控制器上的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方式。因此，這里考慮兩種控制方式并舉，針對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境采取不同的控制措施。

3.2. 方案設(shè)計(jì)

機(jī)械臂專用控制的設(shè)計(jì)方案主要參考圖中的單臂部分。臂桿和關(guān)節(jié)位置設(shè)計(jì)完全按照真實(shí)機(jī)械臂參數(shù)縮比得到，總長(zhǎng)度參考人手臂長(zhǎng)度定制。手柄處分別設(shè)計(jì)搖桿、滾輪、扳機(jī)按鍵和按鈕功能，通過軟件映射到機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)、抓取以及底盤的運(yùn)動(dòng)等。關(guān)節(jié)處安裝絕對(duì)位置編碼器，測(cè)量關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，機(jī)械結(jié)構(gòu)上要設(shè)計(jì)一定機(jī)械阻尼，合適的阻尼可以使控制器既不輕易失控，又不給操作者帶來太大負(fù)擔(dān)。

手持主界面主要組成部分為一塊觸摸屏，兩側(cè)分別布置搖桿、實(shí)體按鍵和推桿等，手持設(shè)備左右肩部分別設(shè)置有扳機(jī)按鍵。機(jī)器人的所有控制功能都可以通過觸屏完成。在駕駛狀態(tài)下，主視圖顯示攝像頭圖像，此處可同時(shí)添加多路攝像頭，但要保證行駛方向上的攝像頭做主要顯示，其他攝像頭以小窗輔助的行駛顯示在主視圖內(nèi)。

機(jī)械臂的單軸操作和末端運(yùn)動(dòng)學(xué)操作都可以在觸屏中完成。首先，在機(jī)械臂的所有控制界面下，都可以完成底盤的原地自轉(zhuǎn)和手爪的張合控制，通過底部的兩個(gè)虛擬滑塊來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)這兩個(gè)功能分別映射到左右兩個(gè)實(shí)體推桿，方便操作。機(jī)械臂的模型投影到主界面中，拖動(dòng)相應(yīng)臂桿即完成相應(yīng)控制，簡(jiǎn)單直接。這部分功能不建議映射到實(shí)體按鍵和搖桿上，因?yàn)橐刂频妮S較多，容易給操作者帶來困惑。單軸到末端控制切換功能設(shè)置在右下角控制區(qū)域。

對(duì)于末端控制而言，由于采用的是五軸機(jī)械臂，因而在較多的位置存在奇異解，在六自由度空間內(nèi)雅可比矩陣直能求得偽逆，得到近似解。因此考慮采用柱坐標(biāo)控制方式，將機(jī)械臂控制分布到二維空間內(nèi)，即在臂桿平面投影方向上采用平面內(nèi)兩個(gè)平移自由度的雅可比逆控制肩肘兩個(gè)個(gè)俯仰關(guān)節(jié)，再單獨(dú)控制手抓腕關(guān)節(jié)的俯仰，最后通過底部偏航關(guān)節(jié)控制機(jī)械臂的左右方向，而不控制機(jī)械臂左右方向內(nèi)的平移?；谶@個(gè)設(shè)想，在末端控制功能下，主界面內(nèi)的前后左右滑動(dòng)對(duì)應(yīng)機(jī)械臂的上下平移和左右轉(zhuǎn)動(dòng)，而前后平移則單獨(dú)設(shè)置一組虛擬推桿控制，另外，手爪腕關(guān)節(jié)的俯仰也需要添加一組虛擬搖桿。

專用控制器由五個(gè)關(guān)節(jié)組成，對(duì)應(yīng)于機(jī)械臂的五個(gè)軸，每個(gè)關(guān)節(jié)裝有一枚絕對(duì)值編碼器，控制器末端裝有定制手柄。臂桿連接到一個(gè)固定基座，固定方式可通過臺(tái)鉗基座等方式固定在地面或操作手腰間。

整個(gè)控制器由一個(gè)stm32控制板控制，軸上編碼器通過SSI總線傳回到板卡IO口解析為各角度數(shù)據(jù)，手柄的按鍵和搖桿信息可通過串口傳回到板卡。板卡再通過USB連接到背負(fù)計(jì)算機(jī)，完成整個(gè)控制鏈路的連接，采用USB的好處是即可通信又可供電，無需其他連接接口。手柄的功能相對(duì)較多，對(duì)應(yīng)圖片一一說明。手柄正面有一個(gè)兩軸搖桿，兩個(gè)推桿和兩個(gè)實(shí)體按鍵。分別對(duì)應(yīng)于車輛控制，腕關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)和機(jī)械臂使能等。手柄背部還有一個(gè)扳機(jī)搖桿，對(duì)應(yīng)于手爪的張合。這樣一來，操作手可以脫離主控制器，直接使用該控制器控制車輛和機(jī)械臂的大部分功能。

4. 結(jié)論

本文針對(duì)地面無人平臺(tái)的機(jī)械臂遙操作技術(shù)做出研究，針對(duì)平臺(tái)本身和任務(wù)載荷機(jī)械臂的有機(jī)結(jié)合控制方式做出對(duì)比論證。針對(duì)便攜性、易操作性和控制算法實(shí)現(xiàn)的難易程度做出對(duì)比，得出采用末端圓柱坐標(biāo)和關(guān)節(jié)映射控制器相結(jié)合的控制方式，在不同的使用場(chǎng)景下各有側(cè)重，很好的解決了地面無人平臺(tái)機(jī)械臂的遙操作問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]金周英，白英. 我國(guó)機(jī)器人發(fā)展的政策研究報(bào)告[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2009，02：1-7.

[2]魏丕勇，閆清東，馬越. 無人地面武器機(jī)動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究[J]. 工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2005，03：152-158.

[3]Tianfu Yang， Shaoze Yan， Zengyao Han. Nonlinear model of space manipulator joint considering time-variant stiffness and backlash. Journal of Sound and Vibration， 2015， 341： 246-259.

作者簡(jiǎn)介：

楊天夫（1987年7月），男，遼寧鞍山人，博士，工程師，機(jī)器人方向.

（航天科工深圳（集團(tuán)）有限公司 廣東 深圳 518026）