[发明专利]一种用于遥操作人机交互的虚拟管道动态避障控制方法

说明书

技术领域

本发明属于空间机器人遥操作人机交互领域，涉及一种用于遥操作人机交互的虚拟管道动态避障控制方法。

背景技术

从20世纪60年代空间机器人开始应用到今天，空间机器人的应用领域在不断地扩大，从最初仅仅需要完成单纯的星球表面探测开始，到现在需要完成卫星的回收、释放、舱内的科学实验以及空间站的在轨装配与维修等任务。同时空间机器人所承担任务的复杂性也在不断增加:从结构化已知环境中的重复性操作到非结构化未知环境中的非重复性操作，而且其精度要求也越来越高，需要完成一些诸如运动目标捕获、卫星装配以及卫星维修之类的精密任务。为了适应操作环境的未知性、操作任务的复杂性，空间机器人需要具有较强的环境适应能力，能在操作过程中动态的躲避障碍物。针对未知环境中的机器人，充分利用操作者的智能，采用遥操作方式控制机器人完成操作任务是一种有效的手段。遥操作的基本要求是在提高机器人操作性能的前提下，保证操作的安全性。然而，由于遥操作的安全性与操作性能之间相互矛盾，尤其针对未知环境中的操作安全性难以保证，因此离线任务规划和手动控制难以同时使用。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种用于遥操作人机交互的虚拟管道动态避障控制方法，其中融合了视觉和人工势场法理论，使机械臂在空间操作中达到自动防撞的目的。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一：建立机械臂末端势场函数

根据FIRAS函数建立人工斥力场，势场函数为：

其中，η是一个限制参数，ρ₀表示机械臂末端的势场作用距离，ρ表示与障碍物间的最短距离；ρ₀的大小取决于机械臂末端移动的最大速度V_max以及加速度的大小；

步骤二：在机械臂末端安装视觉传感器，实时计算机械臂末端与障碍物的距离；

步骤三：计算机械臂末端势场对障碍物的虚拟力。

进一步的，步骤一中，对(1)式关于ρ求梯度得到势场对障碍物的虚拟斥力为：

其中，表示势场中点与障碍物间距离的偏导数向量，定义如下：

(2)式中，F_(O,psp)的方向是U₀(x)的负梯度方向，当ρ＞ρ₀时，F_(O,psp)＝0，表示障碍物未进入机械臂末端所形成势场；当ρ→0时，F_(O,psp)→∞，表示机械臂末端与障碍物充分接近，产生较大的斥力。

进一步的，步骤二中，传感器视场角为全向，视场半径为R_s，当动态障碍物与操作对象的距离小于R_s时，传感器对障碍物位置进行采样，实时计算机械臂末端与障碍物的距离。

进一步的，步骤三中，计算机械臂末端势场对障碍物虚拟力的具体方法是：

(1)当障碍物较小时，近似看作一个质点；

当障碍物进入视场范围后，视觉传感器对其位置进行采样，目标位置设为时间函数f(t)，采用平方逼近的方法来近似预测；

平方逼近表达式为：其N点的逼近均方差为：

最佳逼近通解为：

式中：

根据(4)式得出f(k+1)的三点平方预测为：

f(k+1)＝3f(k)-3f(k-1)+f(k-2) (9)

即根据视觉传感器采样得到前三个时刻的位置信息，便可通过平方预测方法来预测下一时刻的位置，从而能够实时计算障碍物距离机械臂末端的最短距离ρ；

(2)障碍物体积较大时，通过视觉传感器对其局部信息进行采样，先假设障碍物为平行六面体形状，下边来求解机械臂末端到障碍物的最短距离；

对三种距离进行比较判断得到最短距离ρ，即机械臂末端点到六面体顶点、棱和面的距离：

a)计算到顶点的距离是将该平行六面体投影到二维平面，提取六面体的顶点，再对上述顶点进行三维重建，得到相机视场中顶点到机械臂末端的三维距离；

b)计算末端点到六面体棱的距离：在对顶点三维重建后得到各顶点所在的棱，由末端点向每条棱所在的直线作垂线；