[发明专利]一种基于复杂操作任务的非完整遥操作约束控制方法

说明书

【技术领域】

本发明属于空间遥操作技术领域，涉及一种基于复杂操作任务的非完整遥操作约束控制方法。

【背景技术】

在诸多机器人领域中已经证明了虚拟夹具在任务执行时间及总体精准度方面都有提高，然而夹具也是非灵敏型的辅助，如在空间遥操作过程中，需要通过虚拟夹具对机械臂末端的位置及姿态同时进行控制，在保证位置控制最优的情况下往往会失去对末端姿态的准确控制。为了在空间遥操作中实现良好的操作效果，需要给机械臂末端添加合适的辅助，使其灵活的根据任务环境及操作任务进行位置和姿态协调。

在非结构化环境中，机器人的运动受到几何及动力学约束，平移和旋转自由度受到限制。在空间遥操作任务过程时，机械臂末端一般只在平动方向约束情况下便能完成操作任务，然而针对一些复杂的空间操控任务，仅仅平动方向的约束限制难以保证操作的高效性和安全性，故要求在机械臂末端旋转方向也添加辅助作用，使操作者能够动态的根据实际操作环境改变平动和旋转方向的虚拟夹具辅助效果，从而更好的完成遥操作任务。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于复杂操作任务的非完整遥操作约束控制方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于复杂操作任务的非完整遥操作约束控制方法，包括以下步骤：

1)计算约束矩阵C_VF；

定义约束矩阵C_VF表示对应的约束能力，且C_VF是6×6半正定对称矩阵，并将空间作用力映射成C_VF的矩阵元素；操作者控制机械臂末端向着最优方向和非最优方向的运动构成了空间几何约束，且都由se(3)中的单位旋量表示，给出旋量集合S：则分解成m个rank-1的半正定矩阵之和：

其中，正比例系数c_i代表了每个约束矩阵C_i的约束能力大小，强约束使操作者控制机械臂末端沿着最优方向运动，弱约束使沿着非最优方向发生偏离；

操作者控制力的大小决定了机械臂末端在旋转和平移方向发生的位移变化δX^b＝(δφ^b,δq^b)，有

其中，表示作用在机械臂末端的操作者控制力，δX^b表示旋转和平移方向的微小位移；虚拟夹具辅助下的完整约束等同于约束矩阵C为满秩矩阵，而非完整约束则对应约束矩阵C为非满秩矩阵；

2)复杂操作任务分解；

遥操作中的复杂操作任务能够分解成多个任务的组合；针对几个不同的任务，选取最优的运动旋量集合；

3)约束控制器设计；

设机械臂的空间运动速度为V^b＝(ω^b,v^b)，其中ω^b、v^b分别表示惯性空间中机械臂的旋转角速度和切向速度；控制器设计如下：

其中，约束矩阵C_VF(g,g_d)表示对机械臂的约束能力，操作者控制力定义为F^b＝(m^b,f^b)，比例系数K_c＝diag(c_rI_3×3,c_pI_3×3)控制操作者约束作用力的大小。

2.根据权利要求1所述的基于复杂操作任务的非完整遥操作约束控制方法，其特征在于，所述步骤2)中，选取最优的运动旋量集合的具体方法如下：

2-1)目标接近

设机械臂在位形空间中的参考轨迹为g_d，其当前位形为g，则距离参考轨迹的误差表示为

对应的运动旋量集合取误差的对数表达，有

对应的约束矩阵C_VF＝cS由运动旋量集合构成，c的大小决定了约束作用力的强弱；

2-2)轨迹跟踪

设机械臂运动的参考轨迹为g_r(λ,t)，机械臂运动的轴线为r为运动轴线上任意一点，λ为平动方向的进动参数，||s||＝1，则相对应的切向速度为

记切向速度为单位旋量集合S₁，S₂为误差的对数形式: