基于動力學(xué)辨識的機器人力反饋遙操作系統(tǒng)研究

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

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

本文采用觸覺力反饋設(shè)備上的按鍵觸發(fā)的形式，解決力反饋設(shè)備運動空間相對于機器人作業(yè)空間過小的問題，可隨時重新啟停更新位置同步。同時在工作空間內(nèi)設(shè)定虛擬墻及速度限制，保證機器人外部引導(dǎo)的安全運行。在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)基于動力學(xué)辨識的力反饋補償最后在omega-XB4 主從機器人遙操作實驗平臺上對所提出的控制方法進(jìn)行驗證。

1 系統(tǒng)平臺構(gòu)成

本文研究的機器人遙操作系統(tǒng)主要包括觸覺式力反饋設(shè)備， 工業(yè)機器人及安裝在機器人末端的六維力傳感器及末端執(zhí)行工具等， 視覺傳感器實時檢測遠(yuǎn)端作業(yè)場景。 通過機器人控制器內(nèi)的外部實時引導(dǎo)接口實現(xiàn)人、機器人與作業(yè)環(huán)境之間的交互[3，4]。

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

其中工業(yè)機器人的控制器需具有實時外部引導(dǎo)接口， 外部傳感器可通過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

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)機器人的位姿映射問題。 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周期內(nèi)完成遙操作設(shè)備及機器人的位姿獲取并記錄為初始位姿，其中PR由機器人位置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） 在之后的每一個周期內(nèi)獲取遙操作設(shè)備的位置PHi和姿態(tài)RHi 相對于初始位姿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)系變換到機器人對應(yīng)的位姿中，機器人位置PRi=P+PRinit及機器人姿態(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)矩陣比例映射的問題。

（4）機器人控制器按照接收到的位姿完成插補及逆解等計算過程， 執(zhí)行機器人運動并將機器人末端的力反饋傳感器感知到的六維力反饋信息F 實時發(fā)送的遙操作設(shè)備上，實現(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程。

2.2 安全性保障

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

為解決機器人由于運動空間帶來的問題， 在機器人控制器內(nèi)根據(jù)機器人運動空間， 結(jié)合工作環(huán)境建模等因素，設(shè)定機器人運動的虛擬墻，即當(dāng)引導(dǎo)機器人運動到設(shè)定空間范圍以外時，機器人將不在響應(yīng)遙操作。

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

為解決機器人由于運動速度帶來的問題， 特別是當(dāng)力反饋設(shè)備末端姿態(tài)運動過快帶來的機器人關(guān)節(jié)運動速度超限及接近奇異點時由于逆解帶來的速度超限問題，設(shè)計速度調(diào)整策略：

在機器人控制器內(nèi)設(shè)定機器人末端笛卡爾空間移動速度限制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)致速度過快時，機器人進(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)致的機器人無法運行。

3 末端負(fù)載的動力學(xué)參數(shù)辨識及補償

機器人反饋給遙操作設(shè)備的接觸作用力為安裝在機器人末端的六維力傳感器提供， 六維力傳感器是機器人常用傳感器之一。 機器人工作過程中一般需要安裝末端執(zhí)行工具， 工具會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)或低速運動情況），末端工具會對傳感器采集的數(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。即使在機器人末端未進(jìn)行任何物體接觸的情況下， 依然會反饋給遙操作設(shè)備（因末端工具重力帶來的），因此為了準(zhǔn)確反應(yīng)末端作用力，需要進(jìn)行重力補償。 而另一方面，在工作過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坐標(biāo)系（工具末端坐標(biāo)系）上。

圖2 中N—機器人末端連桿坐標(biāo)系（可能與法蘭重合，也可能在機器人腕部）；E—機器人法蘭坐標(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)與機器人腕部坐標(biāo)系N 相同；B—機器人基坐標(biāo)系。

圖2 機器人端相關(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 驗證與分析

本實驗搭建使用珞石XB4 六軸機器人， 末端搭載OPTOFORCE6-Axis F/T 六維力傳感器， 待動力學(xué)辨識補償?shù)膴A持工具為大寰DH 兩指夾爪。

機器人負(fù)載辨識在機器人控制器內(nèi)通過二次開發(fā)接口實現(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)定機器人關(guān)節(jié)空間運動如圖4 所示， 對安裝在六維力傳感器后的末端夾爪進(jìn)行負(fù)載動力學(xué)參數(shù)辨識得到動力學(xué)參數(shù)如下：

圖4 機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)給出的動力學(xué)補償過程，對機器人進(jìn)行補償后， 并與補償前進(jìn)行對比，機器人系統(tǒng)末端負(fù)載對機器人力反饋的影響降低了90%。

圖5 機器人測試軌跡Fig.5 The process of guiding position and orientation

圖6 補償前后對比圖Fig.6 Compensation contrast diagram

根據(jù)第二部分設(shè)計的遙操作策略， 使用力反饋遙操作設(shè)備對機器人進(jìn)行固定物體接觸。 引導(dǎo)機器人對固定物體進(jìn)行力接觸， 得到引導(dǎo)軌跡及補償后的遙操作力反饋數(shù)據(jù)如圖7 所示，本文設(shè)計的基于負(fù)載動力學(xué)辨識得力反饋遙操作系統(tǒng)可以消除末端重力及慣性帶來的影響，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

本文針對工業(yè)機器人遙操作系統(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)計安全保護(hù)機制，使主從機器人的工作空間高度覆蓋。進(jìn)一步，設(shè)計基于末端負(fù)載動力學(xué)辨識補償?shù)牧Ψ答佈a償方法， 消除末端負(fù)載帶來的影響， 并將遙操作的同步基準(zhǔn)點調(diào)整到負(fù)載末端，實現(xiàn)末端的高精度引導(dǎo)。 最后在omega.7-SIA 主從機器人遙操作實驗平臺上對所提出的控制方法進(jìn)行驗證，實驗結(jié)果表明該方法使得主從機器人運動范圍在高度覆蓋的同時可以保證力反饋的精度。