本發(fā)明涉及屬于電力自動化，具體為一種多臂系統(tǒng)遠程操作的共享自治可重構控制方法。

背景技術：

1、遠程操作具有極高的工業(yè)價值，因為它將人類的認知技能整合到系統(tǒng)中，特別是在未知的、危險的或動態(tài)的環(huán)境中操作。在這個廣泛的研究領域，有可能找到驗證這些系統(tǒng)可用性的應用，如空間探索，研究和救援，水下和工業(yè)環(huán)境。近年來，協(xié)作機器人技術和動作捕捉系統(tǒng)的技術進步減少了有效遠程操作的傳統(tǒng)限制，并重新引起了人們對這些應用的興趣。在遠程操作系統(tǒng)中，從機器人的運動可以通過各種接口控制，如操縱桿，觸覺界面，3d鼠標，或運動捕捉系統(tǒng)，如我們的情況。其中，研究發(fā)現(xiàn)直接運動映射是用戶操作機器人最直觀有效的方法。遠程操作的成功還依賴于系統(tǒng)適應其與環(huán)境交互的能力。在這種情況下，遠程阻抗范式是一個強大的工具，因為它通過表面肌電圖(semg)預測了用戶手臂阻抗的估計，并在機器人上復制了它。通過這種方式，遠程機械手模仿人類的動態(tài)行為，增加了安全性、適應性和效率。隨著機器人操作任務復雜性的增加，多個機器人的同時使用和協(xié)調是必要的，因為它們也擴大了工作空間和可操作的負載范圍。特別是，雙手操作變得越來越流行，這需要雙臂機器人系統(tǒng)，其中機械手協(xié)調實現(xiàn)共同目標。為此，共享控制的概念，其中機器人操作與一定程度的自主權，以減少用戶的努力，已被引入到遠程操作系統(tǒng)中，其中人類和機器人有一個共同的任務。上述研究都實現(xiàn)了不同的共享控制遙操作策略，但都局限于雙臂遙操作。

2、與現(xiàn)有技術相比技術區(qū)別如下：

3、與申請?zhí)?02211048193.9，專利名稱基于多運動技能先驗的人機共享自治遙操作方法及系統(tǒng)，技術區(qū)別如下：

4、1.技術差異1

5、本專利是可以兼容“獨立控制”與“交互控制”，根據(jù)所提出的控制策略分別計算每個選定機器人的期望姿態(tài)和實際姿態(tài)。

6、2.技術差異2

7、本專利不需要“：基于動態(tài)運動基元的方法，通過對不同任務軌跡進行示教學習，構建運動技能庫”，而是純粹的空間約束，而且用傳感測量標定操作過程中的力反饋數(shù)據(jù)。而且將機械手的速度也納入考慮。

8、3.技術差異3

9、本專利可以擴展到多個機械手臂。

技術實現(xiàn)思路

1、為解決上述技術問題，本發(fā)明提出了一種多臂系統(tǒng)遠程操作的共享自治可重構控制方法，專利旨在克服兩個機器人，當一只手臂控制末端執(zhí)行器時，它們總是面對對方的結構約束限制，并處理任意數(shù)量的機械手。專利首先提出協(xié)調控制模式以允許末端執(zhí)行器之間任何可能的相對姿態(tài)，其次提出了獨立和協(xié)調控制模式，可以控制任意數(shù)量的單臂機器人。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是：

3、一種多臂系統(tǒng)遠程操作的共享自治可重構控制方法，具體如下：

4、1)構建了可擴展的單手臂控制數(shù)學模型；

5、2)構建了多機械臂控制模式；

6、3)設計了這些單元的工作原理和相互轉換時所采用的協(xié)議；

7、4)根據(jù)多機械臂控制需要構建獨立控制；

8、5)根據(jù)多機械臂控制需要構建協(xié)調控制。

9、作為本發(fā)明進一步改進，所述步驟1)可擴展的單手臂控制數(shù)學模型具體如下；

10、使用遠程阻抗控制來調節(jié)每個機器人的運動和動態(tài)行為，將用戶的手臂剛度指數(shù)aaa和期望的末端執(zhí)行器姿態(tài)作為參考發(fā)送給機器人控制器，所需的姿勢框架bb，機器人基架cc，用dd表示，ee為機架ff在時刻t的齊次變換矩陣，定義為公式(1)：

11、

12、其中分別為旋轉矩陣和位置向量，發(fā)送給機器人控制器的末端執(zhí)行器期望的剛度矩陣定義如公式(2)：

13、

14、其中kl(t)和kω(t)分別表示所需的一維線性剛度和旋轉剛度，與用戶剛度指標sa(t)成比例設置，因此，期望的關節(jié)力矩τdes(t)由可變笛卡爾阻抗控制器計算為公式(3)：

15、

16、其中q(t)是關節(jié)位置向量，通過離線傳感測量標定操作過程中的力反饋數(shù)據(jù)，并根據(jù)操作類型與對象的差異，形成力反饋建模，jt(q(t))為機械臂雅可比矩陣，是期望姿態(tài)和實際姿勢之間的位置和方向誤差矢量，是它的時間導數(shù)，k(t)和d(t)是可變剛度和阻尼矩陣，d(t)為末端執(zhí)行器的阻尼矩陣，通過與k(t)的關系來定義，m(q(t))是關節(jié)質量矩陣，是離心科里奧利項，g(q(t))表示重力補償扭矩的貢獻，是用于控制機器人冗余度的零空間阻抗，滿足公式(4)：

17、

18、公式(4)和分別為關節(jié)位置誤差和速度誤差，kq和dq是關節(jié)空間剛度矩陣和阻尼矩陣，qd為了迫使關節(jié)遠離它們的位置限制，設為0，但這可以根據(jù)需要進行更改，優(yōu)化內部機器人配置，而不是任務目的或避免與環(huán)境發(fā)生沖突，n(q(t))是零空間投影，n(q(t))滿足公式(5)：

19、n(q(t))＝i-jt(q(t))jυt(q(t))?(5)

20、其中υ表示是偽逆算子。

21、作為本發(fā)明進一步改進，所述步驟2)多機械臂控制模式包括協(xié)調控制和獨立控制。

22、作為本發(fā)明進一步改進，所述步驟3)這些單元的工作原理和相互轉換時所采用的協(xié)議具體如下；

23、使用戶能夠直觀地控制多機械手系統(tǒng)，每種提出的控制策略都需要兩個通過操縱桿獲得的輸入多機械臂控制模式基于機器人id和控制所有者；

24、機器人id:此輸入指示用戶選擇要控制的機器人，當用戶選擇n≥2個機器人時，創(chuàng)建一個機器人組，一組機器人將通過其中一種控制策略一起移動；

25、控制所有者:定義被選擇遠程操作機器人組的用戶手，在下面的部分中，ψhand用于指示手的框架，是所選策略的控制所有者；

26、在遠程操作時，根據(jù)所提出的控制策略分別計算每個選定機器人的和kee(t)，然后，每個機器人的局部控制器通過式(3)計算出期望的關節(jié)力矩。

27、作為本發(fā)明進一步改進，所述步驟4)多機械臂控制需要構建獨立控制具體如下；

28、通過任意數(shù)量的機器人末端執(zhí)行器來模仿人的手的運動，當控制在時間t＝ts開始時，對多機械臂其進行初始化，以獲得所選機器人的手架與末端執(zhí)行器架之間的初始相對旋轉量和平移量每個機器人的手與末端執(zhí)行器之間的和分別由和得到；

29、手相對于末端執(zhí)行器的平移向量在機器人的基架中表示，滿足公式(6)：

30、

31、其中ψbi和分別代表第i個機器人的基架和末端執(zhí)行器框架。初始化之后，控制循環(huán)步驟2)開始執(zhí)行，每個機器人的期望姿態(tài)計算為公式(7)：

32、

33、在(7)中，當前的手部旋轉乘以來自步驟1)的初始旋轉偏移量類似地，平移偏移量被添加到當前基到手的位置向量手的旋轉、平移就直接傳遞到機器人的末端。

34、作為本發(fā)明進一步改進，所述步驟4)中通過映射方法調節(jié)機器人的剛度，模擬指揮機器人的用戶手臂的剛度輪廓。

35、作為本發(fā)明進一步改進，所述步驟5)多機械臂控制需要構建協(xié)調控制具體如下；

36、在該控制策略中，用戶操縱位于機器人末端執(zhí)行器之間的虛擬幀的平移和旋轉，在獨立控制中，當控制策略在t＝ts初始化時，該虛擬幀ψν在機器人末端執(zhí)行器之間的中點創(chuàng)建，并定向為指令手，滿足公式(8)

37、

38、式中ψw、ψv、ψhard、n分別為第i個機器人的世界框架、虛擬框架、手框架、末端執(zhí)行器框架，以及在該模式下控制的機器人總數(shù)，然后將ψv與獨立控制權利要求中描述的技術鏈接到ψhard:注冊和然后用公式(9)計算控制回路期間的虛擬幀姿態(tài)：

39、

40、機器人末端執(zhí)行器通過虛擬移動關節(jié)連接到虛擬框架，給定第i個末端執(zhí)行器相對于虛擬幀的期望姿態(tài)計算為(9)

41、

42、其中滿足公式(10)：

43、

44、在下限lmin和上限lmax之間飽和，以防止機器人相互碰撞或命令無法到達的位置，在(10)中定義α(t)如公式(11)，

45、

46、根據(jù)操縱桿的指令，利用ε(t)根據(jù)操縱桿指令增大或減小α(t)。ε(t)定義為公式(12):

47、

48、式(12)中，操縱桿命令是增加時，取ε,是少時，取-ε，其它情況取0.作為參考發(fā)送給第i個機器人控制器的姿態(tài)為公式(13)：

49、

50、其中，第i個機器人的當前基坐標系到虛擬坐標系的變換，乘以機器人末端執(zhí)行器期望坐標系相對于虛擬坐標系的期望變換矩陣。

51、總結以上專利“多臂系統(tǒng)遠程操作的共享自治可重構控制方法”的優(yōu)點，可以歸納為以下幾點：

52、1.靈活性與可擴展性；

53、靈活的控制模式：該專利提出了協(xié)調控制、獨立控制等多種控制模式，允許用戶根據(jù)任務需求選擇合適的控制策略，從而提高了系統(tǒng)的靈活性。

54、可擴展的單手臂控制數(shù)學模型：構建了可擴展的數(shù)學模型，能夠支持任意數(shù)量的機械臂進行遠程操作，為未來可能的擴展提供了基礎。

55、2.高效性；

56、遠程阻抗控制：采用遠程阻抗控制調節(jié)機器人的運動和動態(tài)行為，能夠更精確地控制末端執(zhí)行器的姿態(tài)和剛度，提高作業(yè)效率。

57、實時計算與調整：通過實時計算期望的關節(jié)力矩和姿態(tài)，并根據(jù)操作過程中的力反饋數(shù)據(jù)進行調整，確保機器人能夠準確、快速地響應控制指令。

58、3.適應性與可重構性；

59、適應多變化任務：該控制方法能夠處理任意數(shù)量的機械手，適應不同規(guī)模和復雜度的任務需求。

60、可重構控制：通過構建多機械臂控制模式，實現(xiàn)了控制策略的靈活轉換和重構，提高了系統(tǒng)對不同工作環(huán)境的適應能力。

61、4.用戶體驗優(yōu)化；

62、直觀的控制界面：設計了直觀的控制界面和協(xié)議，使用戶能夠方便地控制多機械手系統(tǒng)，降低了操作難度。

63、模擬人手運動：通過獨立控制模式，能夠模擬人手的運動方式，提高用戶的操作體驗和作業(yè)效率。

64、5.成本與可靠性；

65、降低成本：通過共享網(wǎng)絡和自治控制的方法，降低了遠程操作系統(tǒng)的成本和維護費用。

66、高可靠性：利用網(wǎng)絡的開放性和互連性，以及可靠的控制算法，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

67、綜上所述，該專利在靈活性、高效性、適應性、用戶體驗、成本與可靠性等方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)點，為電力自動化技術領域提供了一種創(chuàng)新的多臂系統(tǒng)遠程操作控制方法。