[发明专利]一种机器人操作高辅精度的虚拟夹具控制方法及系统

说明书

本发明属于人机交互相关技术领域，并具体公开了一种机器人操作高辅精度的虚拟夹具控制方法及系统。所述方法包括：对牵引机器人过程中的人手操作力进行前处理，得到与环境交互力；获取机器人末端的实际位姿与虚拟夹具引导路径最近的参考点位姿，生成机器人末端位置轮廓误差补偿量和方向轮廓误差补偿量，以获取误差补偿修正力；对虚拟夹具引导路径的曲线参数进行限位处理；对与环境交互力进行约束，生成约束后的操作力，并根据误差补偿修正力对机器人末端的路径偏差进行在线补偿。所述系统包括虚拟夹具下的动觉示教模块以及轮廓误差估计与分量补偿模块。本发明使机器人能够在虚拟夹具引导路径上往复运动，具有辅助示教精度高、适应性强等特点。

技术领域

本发明属于人机交互相关技术领域，更具体地，涉及一种机器人操作高辅精度的虚拟夹具控制方法及系统。

背景技术

虚拟夹具也被称为虚拟约束，从功能上可以分为引导型虚拟夹具与禁止区域型虚拟夹具。目前，其被广泛应用在工业、医疗、人机日常协作等领域。当前，常用的虚拟夹具控制方法有代理法、势场法、参考方向法等，其中参考方向法由于其简单性被广泛应用。然而在现有参考方向法虚拟夹具控制结构中普遍存在辅助示教精度低、尚不能高效高精度获得机器人末端与虚拟夹具路径上的最邻近点的问题，因此无法满足需要高辅助示教精度的虚拟夹具辅助操作任务例如手术机器人术中引导操作、辅助遥操作机器人装配以及辅助机器人动觉示教等。

现有技术中，虚拟夹具辅助机器人动觉示教控制结构的作用下，虽然在一定程度上能够满足辅助机器人动觉示教的要求，但是仍存在如下问题：(1)当机器人初始状态不在虚拟夹具引导路径上时，则会导致机器人末端跟踪一条平行于虚拟夹具引导路径的参考曲线，而不是构造的虚拟夹具引导路径；(2)当操作者施加的操作力过大时，机器人末端会偏离虚拟夹具引导路径的参考曲线，示教路径偏差也随之增大。

基于现有技术中存在的上述问题，需要对传统虚拟夹具控制结构及方法作出改进，对示教路径偏差进行补偿，以提高辅助示教精度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种机器人操作高辅精度的虚拟夹具控制方法及系统，其中结合虚拟夹具构建自身的特征及其人机交互的工艺特点，相应设计了机器人操作高辅助精度的虚拟夹具控制方法及结构，其根据机器人末端的位置轮廓误差补偿量和方向轮廓误差补偿量生成误差补偿修正力，然后根据约束后的操作力和误差补偿修正力对机器人末端的路径偏差进行在线补偿，并生成机器人末端执行操作的期望速度和期望位姿，使机器人末端能够在虚拟夹具引导路径上往复运动，使虚拟夹具辅助操作精度能够直观合理的表示，具有辅助示教精度高、适应性强等特点。

为实现上述目的，本发明提出了一种机器人操作高辅精度的虚拟夹具控制方法，包括以下步骤：

S1对牵引机器人过程中的人手操作力进行前处理，得到与环境交互力，并将该与环境交互力转换为机器人末端沿虚拟夹具引导路径执行操作的期望速度和期望位姿；

S2获取机器人末端执行操作过程中的实际位姿与虚拟夹具引导路径最近的参考点位姿，并以此生成机器人末端位置轮廓误差补偿量和方向轮廓误差补偿量；

S3根据机器人末端的实际位姿对虚拟夹具引导路径的曲线参数进行限位处理，生成边界约束模型；

S4根据虚拟夹具引导路径以及边界约束模型对所述与环境交互力进行约束，生成约束后的操作力；

S5根据机器人末端的位置轮廓误差补偿量和方向轮廓误差补偿量生成误差补偿修正力，然后根据约束后的操作力和误差补偿修正力对机器人末端的路径偏差进行在线补偿，并生成机器人末端执行操作的期望速度和期望位姿，重复步骤S2至步骤S5，以此方式，使机器人能够在虚拟夹具引导路径上往复运动。

作为进一步优选的，步骤S1中，所述与环境交互力通过导纳控制转换为机器人末端的期望速度和期望位姿。

作为进一步优选的，步骤S2具体包括以下步骤：