[发明专利]遥操作平面冗余度机械臂指令输入及构型控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种控制技术领域的控制器及控制方法，具体是一种适应多障碍约束空间作业的遥操作平面冗余度机械臂指令输入及构型控制系统及方法。

背景技术

在核工业、反恐排爆、救援、高电压设备清扫、维护等危险、恶劣环境中的检查、维修、搬运、抓取、装配等特种作业广泛采用遥操作机械臂，目前的机械臂自由度大多小于或等于6，适用于无障碍环境；而对于某些特殊的多障碍约束环境作业，如排爆作业中从车底抓取爆炸物，救援作业中从窗户进入靠近地面的被困人员，高压带电清扫变电站中的绝缘子等作业，由于工作环境中存在较多障碍，需要机械臂提供冗余自由度。冗余自由度主要用来扩大机械臂工作范围、优化机械臂运动学、动力学性能以及回避障碍。平面冗余度机械臂是指在一个平面内机械臂自由度大于3的机械臂，是冗余度机械臂的一个重要组成部分。

面向平面冗余度机械手的主端指令输入和控制装置主要包括：按钮、操纵杆、同构主手以及和手臂相捆绑的随动主手等，其中同构主手需要和从手完全相同的机械构型，结构复杂，通常需要位置传感器获取主手各关节位置信息，成本较高；采用和手臂随动的主手则同样存在尺寸较大、结构复杂、造价昂贵的缺点。由于冗余度机械臂除了可以满足操作者对末端位置和姿态的控制要求，还可以进一步调整机械手各关节臂的相对位置关系即构型以适应多障碍环境，而目前以按钮和操纵杆为主的指令输入和控制器尚没有相应的指令输入和处理方法。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利ZL200510042571.2研制了一种多关节操作杆，包括基座、尾摆动杆、变向摆动杆、同项摆动杆、头摆动杆、回转杆、按钮依次首尾连接而成，各个摆动和回转关节的中心位置安装中空薄膜电位器和空心轴，按钮开关则装有薄膜开关，用于控制机械臂基座回转、摆动关节1-3、手腕回转和开关关节运动。此操作杆线缆内藏，可根据从手形式组合，结构紧凑；专利200610082456.2则提出一种主从机械手用于外科手术，其中主手 采用与从手同构的连杆串联连接而成，各个连杆驱动时采用双向离合器用来防止操作者向错误方向操作机械臂。

上述机械臂指令输入和控制器，在操作灵活性、安全性等方面有一定提高，但仍存在如下的缺点：(1)控制的对象是非冗余度机械手。(2)控制器仅仅考虑末端的运动，没有专门针对机械臂构型实施控制。而机械臂构型调整则体现了对机械臂对环境的适应能力；(3)结构复杂，造价高。

又发现，中国专利ZL200510042571.2结构紧凑，但是没有考虑机械臂构型的调整方法，实质上是一种集成的单轴运动控制器；专利200610082456.2是一种同构主手，该方案可以用于冗余度机械臂构型控制，但需要设计和从手同构的主手机械结构，并配备了位姿传感器，结构复杂，造价高，仅仅适合于重要的应用场合。

目前大多数机械臂的指令输入和控制器仍然应用通用操作杆(最大控制轴数为3)和按钮组合的方式输入指令，如何在此基础上实现冗余度机械臂末端运动和构型调整尚未见报道。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种冗余自由度小于或等于3的遥操作平面冗余度机械臂指令输入及构型控制系统及方法，使得既可以直接控制机械臂的末端位姿，又可以障碍环境中调整机械臂的构型，从而可实现在障碍环境中快速、高效接近目标，简单实用，提高了平面冗余度机械臂的操作性能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的遥操作平面冗余度机械臂指令输入及构型控制系统，包括冗余度机械臂控制台、冗余度机械臂上位控制器、上位机无线数据模块、下位机无线数据模块、冗余度机械臂下位机控制器以及冗余度机械臂组成，其中：

所述冗余度机械臂控制台提供人机交互，负责接收操作员的指令并显示机械臂当前位置、限位、报警等状态信息；

所述冗余度机械臂上位控制器安装在冗余度机械臂控制台上，和冗余度机械臂上位控制器之间通过控制电路连接，冗余度机械臂上位控制器通过串行通讯接口与上位机无线数据模块连接与通讯，将编码的控制命令发送到下位机无线数据模块，并同时获取机械臂的状态信息。

所述上位机和下位机无线数据模块提供冗余度机械臂上位控制器和冗余度机械臂下位机控制器之间的通讯功能，由工作在同一工作频率的上位机无线数据模块和下位机无线数据模块组成，其间的距离为100米。上位机和下位机无线数据模块和冗余度机械臂上、下位控制器之间均通过串行通讯接口交换数据；