本發(fā)明涉及一種非線性位置與速度的遙操作控制算法，是一種能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速遙操作與精細(xì)遙操作的算法，是一種可用于執(zhí)行器遙操作的通用的遙操作方法。

背景技術(shù)：

遙操作是指在一定距離下，通過遙操作器對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行操作的方法。目前，遙操作已經(jīng)廣泛的應(yīng)用與反恐防暴、空間機(jī)械臂操作、核工業(yè)機(jī)械臂操作等，其主要特點(diǎn)在于所處環(huán)境為不可達(dá)和具有危險(xiǎn)性。

現(xiàn)有的對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行遙操作的方法為固定比例發(fā)達(dá)系數(shù)法，通過遙操作器的運(yùn)動(dòng)直接與放大系數(shù)相乘得到機(jī)械臂所需的運(yùn)動(dòng)行程，該方法致使機(jī)械的快速操作與精細(xì)操作形成矛盾，另外對(duì)于大行程的機(jī)械臂，當(dāng)采用位置對(duì)應(yīng)的方式時(shí)，為使機(jī)械臂能夠在大的行程中運(yùn)動(dòng)，需要操作者不斷的使用使能按鍵，重復(fù)的將操作桿歸零，極大地降低了操作效率，如果增大兩者間對(duì)應(yīng)系數(shù)，則不能夠保證精細(xì)操作。對(duì)于移動(dòng)平臺(tái)的遙操作方法多為速度法，不能夠精細(xì)的實(shí)現(xiàn)位置的調(diào)節(jié)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述技術(shù)不足，本發(fā)明的目的提供一種非線性位置與速度的遙操作控制算法。本發(fā)明能夠有效的應(yīng)用與對(duì)執(zhí)行器的遠(yuǎn)程操作，提高操作效率及操作的精細(xì)度。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：非線性位置與速度的遙操作控制算法，將遙操作器的任意自由度的正向或負(fù)向運(yùn)動(dòng)范圍分割為非線性位置對(duì)應(yīng)部分和非線性速度對(duì)應(yīng)部分；

非線性位置對(duì)應(yīng)部分為遙操作器的前段位置，控制機(jī)械臂相應(yīng)自由度的正向或負(fù)向運(yùn)動(dòng)的行程位置；

非線性速度對(duì)應(yīng)部分為遙操作器的后段位置，控制機(jī)械臂相應(yīng)自由度的正 向或負(fù)向運(yùn)動(dòng)的速度；

前段位置和后段位置的連接處為過渡點(diǎn)。

所述控制機(jī)械臂相應(yīng)自由度的正向或負(fù)向運(yùn)動(dòng)的行程位置具體為：機(jī)械臂相應(yīng)自由度的正向或負(fù)向行程位置與遙操作器操作桿行程位置的比例系數(shù)可變。

所述比例系數(shù)可變具體為比例系數(shù)隨著操作桿行程的增大而由小到大。

所述控制機(jī)械臂相應(yīng)自由度的正向或負(fù)向運(yùn)動(dòng)的速度具體為：機(jī)械臂相應(yīng)自由度的正向或負(fù)向運(yùn)動(dòng)速度與遙操作器操作桿行程位置的比例系數(shù)可變。

所述比例系數(shù)可變具體為比例系數(shù)隨著操作桿行程的增大而由小到大。

所述過渡點(diǎn)的速度采用繼承的方式，即進(jìn)入非線性速度對(duì)應(yīng)部分的初始速度為非線性位置對(duì)應(yīng)部分的結(jié)束時(shí)的瞬時(shí)速度。

所述非線性位置對(duì)應(yīng)部分和非線性速度對(duì)應(yīng)部分之間的過渡通過力/力矩反饋的方式或者通過指示燈的方式使操作者感知。

本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明結(jié)合位置對(duì)應(yīng)法與速度法的優(yōu)勢，將對(duì)應(yīng)關(guān)系分成兩部分，前半部分實(shí)現(xiàn)位置對(duì)應(yīng)，后半部分實(shí)現(xiàn)速度對(duì)應(yīng)，且相應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為非線性，更易于精細(xì)操作和快速操作的實(shí)現(xiàn)。

2.本發(fā)明在非線性位置對(duì)應(yīng)部分操作者可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)操作，在非線性速度對(duì)應(yīng)部分能夠?qū)崿F(xiàn)快速操作，且在兩者時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)無縫的過渡，保證了遙操作的高效性和精細(xì)性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施非線性位置與速度的遙操作控制算法的原理圖。

圖2是本發(fā)明遙操作器瞬間速度的計(jì)算方法圖。

圖3是基于力反饋的反饋力大小與遙操作器位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明的非線性位置與速度的遙操作控制方法可應(yīng)用與機(jī)械臂以及移動(dòng)平 臺(tái)的遙操作，是研究遙操作器工作空間與執(zhí)行器工作空間的操作對(duì)應(yīng)關(guān)系的算法。本實(shí)施例以一個(gè)自由度的機(jī)械臂為例，算法將遙操作桿的運(yùn)動(dòng)形成分為兩部分，分別為位置對(duì)應(yīng)部分和速度對(duì)應(yīng)部分。位置對(duì)應(yīng)部分采用非線性的方式，將遙操作桿的位置對(duì)應(yīng)到執(zhí)行器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置。所述的速度對(duì)應(yīng)位置也采用非線性的方式，將遙操作桿的位置對(duì)應(yīng)到執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)速度。

算法通過執(zhí)行器的瞬時(shí)速度實(shí)現(xiàn)兩部分的過渡，并且依據(jù)遙操作桿的力反饋或指示燈的方式讓操縱者感知到兩者的狀態(tài)的變化。執(zhí)行器包括機(jī)械臂和移動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。

遙操作器的任意自由度的正向或負(fù)向運(yùn)動(dòng)范圍都分割為非線性位置對(duì)應(yīng)部分和非線性速度對(duì)應(yīng)部分；非線性位置對(duì)應(yīng)與遙操作器的前段位置，非線性速度對(duì)應(yīng)與遙操作器的后段位置，兩者的連接處成為過渡點(diǎn)。

非線性位置對(duì)應(yīng)部分的開始部分能夠使執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的相對(duì)位置與遙操作器運(yùn)動(dòng)的相對(duì)位置的比例較小，著重用于精細(xì)操作，隨著遙操作器運(yùn)動(dòng)位置的增加，執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)相對(duì)位置與遙操作器運(yùn)動(dòng)相對(duì)位置比例系數(shù)逐漸變大，能夠加快執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)速度。非線性速度對(duì)應(yīng)部分在開始階段時(shí)，執(zhí)行器相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度與遙操作器運(yùn)動(dòng)相對(duì)位置比例系數(shù)較小，隨著遙操作器運(yùn)動(dòng)位置的增加，執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)相對(duì)速度與遙操作器運(yùn)動(dòng)相對(duì)位置比例系數(shù)逐漸變大，時(shí)執(zhí)行器的速度進(jìn)一步的加大。

過渡點(diǎn)對(duì)應(yīng)的執(zhí)行器的速度是繼承非線性位置對(duì)應(yīng)的末端時(shí)刻的瞬時(shí)速度；非線性位置對(duì)應(yīng)部分和非線性速度對(duì)應(yīng)部分之間的過渡可通過力\力矩反饋的方式，或者通過指示燈的方式使操作者感知。

請(qǐng)參考圖1，圖1是本發(fā)明實(shí)施非線性位置與速度的遙操作控制算法的原理圖。如圖1所示遙操作器的某一自由度正向運(yùn)動(dòng)范圍用直線AC表示，且定義長度/轉(zhuǎn)角AC＝l，設(shè)AC中一點(diǎn)B，將AC分割為AB和BC兩段，長度分別為AB＝d，BC＝f，要求在AB段進(jìn)行非線性位置控制，在BC段進(jìn)行非線性速度控制。

圖1左側(cè)方框表示非線性位置控制階段，其遙操作器運(yùn)動(dòng)位置與執(zhí)行器位 置呈非線性關(guān)系，其對(duì)應(yīng)比例表示為K∈[0,k_max)，k_max＝p/d；d為非線性位置控制模式操作桿移動(dòng)的最大行程，p為操作桿移動(dòng)到最大行程時(shí)機(jī)械臂末端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的行程。橫軸X表示操作桿移動(dòng)的行程坐標(biāo)軸，縱軸Y表示機(jī)械臂末端點(diǎn)行程坐標(biāo)軸。非線性位置控制的初始階段，比例系數(shù)K₁＝p₁/d₁，K₁<<1，p₁、d₁分別為初始階段機(jī)械臂末端點(diǎn)行程和操作桿移動(dòng)的行程。主要用于精細(xì)操作。隨著操作桿偏移初始點(diǎn)距離的增加，比例系數(shù)K₂＝p₂/d₂，K₂>K₁，p₂、d₂分別為中期階段機(jī)械臂末端點(diǎn)行程和操作桿移動(dòng)的行程；使比例增加，主要用于執(zhí)行器與目標(biāo)點(diǎn)有相對(duì)較大偏差時(shí)使用。非線性位置控制為非線性，例如方程為Y＝αXⁿ＝(αX^n-1)X的形式，其中Y和X分別為機(jī)械臂末端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)行程和遙操作器操作桿的運(yùn)動(dòng)行程，α為固定比例系數(shù)，n≥1的自然數(shù)，其中n＝1時(shí)，即為固定比例α的線性位置對(duì)應(yīng)方法，非線性位置控制方法的位置方法系數(shù)k_s＝αX^n-1是關(guān)于操作桿移動(dòng)的行程的不斷變化系數(shù)，n>1。

當(dāng)執(zhí)行器與目標(biāo)點(diǎn)有大偏差時(shí)，則可采用BC之間的非線性速度模式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，當(dāng)遙操作器的操作桿位于BC間某點(diǎn)時(shí)，執(zhí)行器末端點(diǎn)則以響應(yīng)的固定的速度運(yùn)動(dòng)，如圖1右側(cè)方框所示，橫軸X表示操作桿移動(dòng)的行程坐標(biāo)軸，縱軸V表示機(jī)械臂末端點(diǎn)速度坐標(biāo)軸。當(dāng)操作桿偏移初始點(diǎn)A距離為d₃時(shí)，對(duì)應(yīng)速度為v₁，非線性控制速度范圍為v＝[v_min,v_max]；v_min,v_max分別為機(jī)械臂在速度模式下的最開始的速度與最大速度；非線性速度控制為非線性，例如方程為V＝β(X-d)^m+v_min＝β(X-d)^m-1(X-d)+v_min形式，其中V和X分別為機(jī)械臂末端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度和遙操作器操作桿的運(yùn)動(dòng)行程，β為固定的比例系數(shù)，m≥1其中m＝1時(shí)，即為固定比例β的線性速度對(duì)應(yīng)方法，非線性位置控制方法的位置方法系數(shù)k_v＝β(X-d)^m-1是關(guān)于操作桿移動(dòng)的行程的不斷變化系數(shù)，m>1，v_min表示進(jìn)入非線性速度模式的最開始的速度。d表示的是非線性位置控制模式的最大行程，而不是整個(gè)操作桿的，操作桿的行程包括兩部分前部分的非線性位置部分和后半部分的非線性速度行程。

請(qǐng)參考圖2，對(duì)于B點(diǎn)速度的平滑過渡是使機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)柔滑的一個(gè)問題。定 義通信周期為T，在某一周期操作桿由E點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到F點(diǎn)，EF＝Δl，對(duì)應(yīng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)距離為Δp，橫軸X表示操作桿移動(dòng)的行程坐標(biāo)軸，縱軸Y表示機(jī)械臂末端點(diǎn)行程坐標(biāo)軸。則可知，在此周期內(nèi)，操作桿速度v_t＝Δl/T，機(jī)械臂末端速度v_a＝Δp/T。定義在遙操作桿達(dá)到B前一周期速度v_tB，機(jī)械臂末端此時(shí)速度為v_aB，作為進(jìn)入非線性速度模式的初始速度，即圖1右側(cè)方框中v_min＝v_aB，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端執(zhí)行器速度的平滑過渡。

請(qǐng)參考圖3，操作者如何感知并區(qū)分操作過程是屬于非線性位置控制階段，還是屬于非線性速度階問題。如果遙操作具有反饋力\力矩功能，則遙操作器通過力\力矩反饋的大小進(jìn)行兩者的區(qū)分。假設(shè)初始狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)力\力矩F，當(dāng)人手腕大于力\力矩F時(shí)，才能驅(qū)動(dòng)此自由度的正向運(yùn)動(dòng)。如圖3所示，橫軸X表示操作桿移動(dòng)的行程坐標(biāo)軸，縱軸F表示操作桿反饋力。在非線性位置對(duì)應(yīng)階段，操作遙操作器需要一定的力/力矩，但其數(shù)值較小，將其定義為F_Bas。在B點(diǎn)引入隨位置直接變化的力\力矩反饋，定義大小為F_min，且F_min>(3～5)F_Bas，使操作者能夠明顯感知到模式的切換。最大力/力矩F_max對(duì)應(yīng)操作桿最大位移處，同時(shí)對(duì)應(yīng)機(jī)械臂末端最大速度v_max。目前，由瑞士Force Dimension公司生產(chǎn)的具有力反饋的omega.6系列的遙操作桿，能夠?yàn)槭褂每蛻籼峁╆P(guān)于力反饋的API接口，用于控制反饋力的大?。灰虼丝刹捎迷撛O(shè)備作為遙操作器，當(dāng)操作者操作操作器由非線性位置模式進(jìn)入非線性速度模式時(shí)，遙操作器將依據(jù)遙操作器的具體運(yùn)動(dòng)位置產(chǎn)生相應(yīng)的反饋力，力的方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)的反方向，以便遙操作者感受到一定的阻力，便于速度模式下速度大小的控制。遙操作器的反饋力初始反饋點(diǎn)是非線性位置與速度模式的過渡點(diǎn)，此時(shí)產(chǎn)生反饋力，以便操作者感知到兩種模式的過渡：另外，對(duì)應(yīng)無力\力矩反饋的遙操作器，則可通過指示燈的方式，表征狀態(tài)的切換；例如，當(dāng)遙操作桿的行程超過距離d時(shí)，指示燈通電變亮。

以上為某一自由度的正向非線性位置與速度的遙操作控制算法，對(duì)于遙操作器的負(fù)向非線性位置與速度的遙操作控制方法與正向相同。