一种基于力反馈的机器人遥操作引导方法

本发明涉及机器人运动控制方法，具体涉及一种基于力反馈的机器人遥操作引导方法。

背景技术：

1、抓取是机器人的主要工作任务之一，遥操作机器人进行抓取能够使机器人拥有人工的灵活性。然而，在遥操作中，临场感不足会导致抓取效率低下，甚至出现错误。因此，对遥操作进行引导是十分必要的。cn117984322a公开的基于双臂协作势场的力觉引导遥操作系统及控制方法，使用两台机械臂与力反馈手控器，通过虚拟势场的方式构建反作用力与目标点吸引力，但是其遥操作到达目标点后仅可对单一位置与姿态进行引导，操作者无法根据工作区域实际情况调整机械臂位置与姿态，影响抓取效率及用户体验。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种抓取效率高、用户体验好的基于力反馈的机器人遥操作引导方法。

2、技术方案：本发明的一种基于力反馈的机器人遥操作引导方法，包括：

3、遥操作机械臂向抓取目标点移动，当机械臂末端点与抓取目标点之间的距离小于等于设定值时，以抓取目标点为球心，建立包括内层、中间层与外层的球形引导力场，将安装于机械臂末端的夹爪的长度s确定为外层半径；

4、在球形引导力场中建立弹簧-质点模型以将中间层与内、外层隔开；

5、基于球形引导力场与弹簧-质点模型，遥操作机械臂靠近内层或外层，当接触到弹簧-质点模型使其变形并产生力反馈，限制机械臂末端点在内、外层之间；

6、当抓取到目标物体后，关闭引导即可离开球形引导力场；若未抓取到目标物体但仍希望离开球形引导力场，在遥操作机械臂远离目标物体后，逐渐进入球形引导力场，弹簧-质点模型形变逐渐增大，反馈力逐渐增加，当反馈力增大至最大值时，若继续遥操作机械臂向外移动，则弹簧-质点模型断裂，机械臂离开球形引导力场，停止抓取引导。

7、进一步地，球形引导力场采用弹簧-质点模型进行力反馈计算，力反馈计算公式如下：

8、通过分析弹簧-质点模型的动力学方程，其运动质点满足：

9、

10、该系统方程中，m为质点的质量，x为质点的空间坐标，t为时间常数，d为阻尼系数，k为弹簧的弹性系数，f为反馈力；

11、将系统方程的解转换为求解离散质点微分方程，求出近似解；如果方程存在唯一解，设为单位时间，则在任意时间范围内，通过时间差法和增量法，对每一个离散质点，方程可以转化为：

12、

13、其中，mi为第i个质点的质量，xi为第i个质点的坐标位置；

14、带入微分方程可得：

15、

16、当趋于无穷大时，用代替用代替有：

17、

18、对方程求解可得质点位移以及质点反馈力大小。

19、进一步地，所述设定值为1.5s。

20、进一步地，s-s′＝s/10，s′为内层半径。

21、进一步地，现有的机械臂遥操作引导方法中，例如cn114643576a，引导方法未考虑避障，不能准确引导操作者远离障碍物避免碰撞；再例如cn105150210b，虽然考虑到避障，但是仅考虑到了机械臂末端点，没有对机械臂关节进行避障，在遥操作过程中机械臂关节有可能碰撞到障碍物。

22、为此，所述遥操作机械臂向抓取目标点移动，包括：

23、获取抓取目标点xtarget和障碍物位置xobstacle，根据机械臂正解表达式与机械臂关节角度，计算出机械臂末端点位置xee；

24、对障碍物计算包围盒，通过将包围盒等比放大建立障碍物避障缓冲区，避障缓冲区的范围根据包围盒的几何中心c与检测空间范围rb确定；

25、在机械臂移动过程中，利用机械臂关节传感器采集机械臂各个关节的角度，通过正解获取机械臂末端点的位置，根据机械臂末端点坐标与缓冲区位置进行实时碰撞检测，判断机械臂是否与障碍物缓冲区发生碰撞；若发生碰撞，则根据机械臂在缓冲区的位置计算力反馈：

26、l为检测到碰撞后机械臂末端点与障碍物之间的最短距离，rarm为l方向上障碍物到包围盒的距离，r为l方向上缓冲区的长度；

27、当机械臂处于缓冲区外，即l＞rarm+r时，反馈力为零；当机械臂处于缓冲区内，即rarm＜l＜rarm+r时，反馈力f根据深入缓冲区的距离增大而增大；当机械臂与障碍物包围盒发生碰撞，即0＜l＜rarm+r时，反馈力f为最大，同时停止机械臂动作；

28、根据计算得到的力反馈数值进行力反馈。

29、本发明使用基于缓冲区的力反馈避障方法辅助操作者移动到目标地点，可以极大程度地提高遥操作安全性，相对于其他遥操作避障方法，精度更好，环境适应更好，可实现遥操作过程中避障柔顺，不会发生跳变影响遥操作安全性。

30、进一步地，检测空间范围rb的表达式如下：

31、

32、其中，c为obb包围盒几何中心；为互相垂直的空间向量，作为被包围几何对象的局部坐标系方向向量；r1，r2，r3为包围盒边长。

33、进一步地，避障缓冲区的范围为1.2rb～1.5rb。

34、进一步地，反馈力f的计算模型如下：

35、

36、其中，k为比例系数。

37、进一步地，比例系数k的计算公式如下：

38、

39、其中，fmax为反馈力最大值。

40、进一步地，若在移动过程中，机械臂与不止一个障碍物产生碰撞，则反馈力f为每个障碍物的反馈力之和：

41、

42、其中，n表示障碍物个数，fi表示第i个障碍物的反馈力；

43、对于反馈力的方向，定义为障碍物与机械臂末端最短距离方向；障碍物中心o与机械臂ab之间的最短距离为l，即障碍物包围盒中心o到机械臂末端包围盒中心轴的点c在线段ab上，反馈力f的方向为

44、有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：本发明在遥操作机械臂移动到目标地点后，通过球形引导区域结合弹簧-质点模型进行力引导抓取，辅助操作者进行位置控制，使机械臂处于适合抓取的距离，可以降低抓取时操作者对于机械臂位置的关注，从而更专注于控制姿态，调整机械臂姿态即可高效完成抓取作业。本发明可降低操作者负担，减少误操作，极大地提高了遥操作抓取工作的效率。

技术特征：

1.一种基于力反馈的机器人遥操作引导方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于力反馈的机器人遥操作引导方法，其特征在于，球形引导力场采用弹簧-质点模型进行力反馈计算，力反馈计算公式如下：

3.根据权利要求1所述的基于力反馈的机器人遥操作引导方法，其特征在于，所述设定值为1.5s。

4.根据权利要求1所述的基于力反馈的机器人遥操作引导方法，其特征在于，s-s′＝s/10，s′为内层半径。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于力反馈的机器人遥操作引导方法，其特征在于，所述遥操作机械臂向抓取目标点移动，包括：

6.根据权利要求5所述的基于力反馈的机器人遥操作引导方法，其特征在于，检测空间范围rb的表达式如下：

7.根据权利要求5所述的基于力反馈的机器人遥操作引导方法，其特征在于，避障缓冲区的范围为1.2rb～1.5rb。

8.根据权利要求5所述的基于力反馈的机器人遥操作引导方法，其特征在于，反馈力f的计算模型如下：

9.根据权利要求8所述的基于力反馈的机器人遥操作引导方法，其特征在于，比例系数k的计算公式如下：

10.根据权利要求5所述的基于力反馈的机器人遥操作引导方法，其特征在于，若在移动过程中，机械臂与不止一个障碍物产生碰撞，则反馈力f为每个障碍物的反馈力之和：

技术总结
本发明公开了一种基于力反馈的机器人遥操作引导方法，包括基于缓冲区的力反馈避障位置引导和球形引导力场力反馈辅助抓取两部分，其中基于缓冲区的力反馈避障位置引导是基于障碍物包围盒建立避障缓冲区，然后判断机械臂与障碍物缓冲区是否发生碰撞，若发生碰撞，根据机械臂在缓冲区的位置计算力反馈；具有更好的避障效果。球形引导力场力反馈辅助抓取是构建球形引导力场和弹簧‑质点模型，然后基于弹簧‑质点模型计算球形引导力场的反馈力，辅助操作者将机械臂末端位置控制在球形引导力场内、外层之间，降低了操作者对于机械臂位置的关注，从而调整机械臂姿态即可高效完成夹取作业，实现了降低负担、减少误操作、提高遥操作抓取工作效率的效果。

技术研发人员：岳浩然,李豪杰,钟伟,吴鹏程,吕明明,陈均超,庄澜,梅昊哲,顾小玉
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：
技术公布日：2025/4/10