[发明专利]一种主从异构型遥操作系统的主从控制方法及系统

说明书

本发明公开了一种主从异构型遥操作系统的主从控制方法及系统，包括：操作人员输入从端机器人的连杆参数进行正运动学和逆运动学分析，得到正运动学和逆运动学模型；操作人员修改主从映射比例系数，实现从端机器人不同效率和精度的运动；设计变比例增量式主从映射方法实现主端机器人位置增量到从端机器人的位置增量的映射，设计BP神经网络预测主从跟随误差并进行补偿，进一步减少了主从跟随误差。本发明既能实现从端机器人在自由空间中大范围运动，又保证了精细操作空间中的运动定位精度，通用性强，实施方便。

技术领域

本发明属于遥操作机器人控制领域，具体涉及一种主从异构型遥操作系统的主从控制方法及系统。

背景技术

随着机器人技术的快速发展，机器人已经广泛应用于工业生产和日常生活的各个领域。然而，在复杂多变和具有危险的应用场景下，例如核工厂、化工厂、水下作业和航空作业环境，由于工作环境恶劣或者危及人员安全，不能采用人工作业方式，而且由于工作现场环境非结构化和机器人智能水平有限，不能采用机器人全自主作业方式。遥操作可以将人类智能与机器人精确相结合，操作者通过操控主端机器人产生运动控制信号，通过通讯网络传输至从端机器人，从端机器人根据接收的指令在复杂和危险的环境中运动和作业，并同时反馈工作状态，操作者根据反馈信息进行判断和决策。遥操作不仅保护了人员的健康和安全，而且拓展了人的操作能力，提高了作业的精确度。目前，遥操作技术已经广泛应用于核工业、医疗手术、航空领域和海洋领域。

遥操作系统根据主端机器人和从端机器人的机械结构相同与否分为主从同构和主从异构两种构型。主从异构型遥操作系统由于主端机器人和从端机器人均独立设计，因此形式多样，具有较强的通用性，得到了广泛的应用。主从异构型遥操作系统一个关键性问题是主端机器人和从端机器人工作空间不一致，因此需要设计合适的主从映射方法以实现主从空间匹配。

主从异构型遥操作系统常用的主从映射方法有绝对式映射、增量式映射、常比例映射和变比例映射等。绝对式映射需要精准建模主端机器人和从端机器人的工作空间以求解映射函数，然而主从机器人的工作空间形状和尺寸相差较大，工作空间映射函数建模复杂，难以保证映射准确性。增量式映射方法无需建立主端机器人与从端机器人的工作空间映射关系，而是建立主端位置增量和从端位置增量的映射关系，因此可以在任意时刻暂停映射功能以调整主端机器人位置，操作灵活性强。常比例映射是将主端增量通过固定比例系数映射至从端增量，难以适应不同场景的运动效率和精度。变比例映射是操作人员根据从端反馈信息设定映射比例系数，以实现快速运动或者精细运动，操作灵活性强。

在从端机器人进行避障和作业时，如果从端机器人跟随误差大，定位精度低，很容易与障碍物或者作业目标发送剧烈碰撞，导致安全事故发生。因此需要减少主从跟随误差，保证从端机器人的高精度末端定位。此外，通过大量实验数据发现从端机器人下一时刻的跟随误差与当前时刻末端运动速度、跟随误差和位置增量密切相关。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种主从异构型遥操作系统的主从控制方法，实现主端小范围工作空间到从端大范围工作空间的映射，既能保证从端机器人自由空间中大范围运动的灵活性，又能减少主从跟随误差，保证精细操作时的准确定位。

本发明采用了以下技术方案：一种主从异构型遥操作系统的主从控制方法，该方法应用于主从异构型遥操作系统，所述系统包括机械结构相异的主端机器人和从端机器人，以及连接主端机器人和从端机器人的主从控制系统；所述主从控制方法包括步骤如下：

(1)从端机器人运动学建模；根据从端机器人的连杆参数，进行正运动学和逆运动学分析，得到正运动学和逆运动学模型；

(2)主从位置控制；获取主端机器人的位置增量，经过变比例增量式主从映射方法计算得到从端机器人的期望位置；并将从端机器人的末端移动速度、跟随误差和位置增量输入到BP神经网络输出预测跟随误差，将预测误差补偿到期望位置；再将补偿后的期望位置输入到从端机器人逆运动学模型求解期望关节角度，最后通过PD模型实现关节角控制；