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地面无人移动平台机械臂遥操作控制技术研究
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摘要:地面无人平台在近些年发展迅速,在战场、灾害救援等多种场合都有所应用。本文针对地面无人平台机械臂的遥操作控制方式做出调研,针对不同的控制方案做出对比论证。得出了以末端控制和关节映射专用控制器结合的复合控制方式,在兼顾效率的同时又提高了装备的可携带性和易操作性。
关键词:地面无人平台;机械臂;遥操作
1.引言
我国在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容,陆续展开了机器人基础理论与基础元器件研究[1]。几十年来,相继研制出各门类的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。无人移动平台属于机器人产品中的特种机器人,而机械臂则多数应用在工业机器人中。随着改革开放以来经济发展的持续增长,无人移动平台在军民各领域的需求不断增多,其自主性、自适应性和多功能性都提出了更高的要求。搭载机械臂的无人移动平台或称为移动操作系统的出现满足了危险环境作业、战场应用、极地和外太空探索等领域的应用需求,近年来越来越多的研究工作在该领域展开。
地面无人移动平台,是指在地面上行驶,且不需要人工车上驾驶的车辆等地面移动系统。地面无人移动平台在高危环境、狭小空间等工作环境下相比人工作业有着得天独厚的优势。因此,地面无人移动平台在战争、灾害救援、危险作业、医疗服务等各个领域都已经展开了广泛的应用[2]。如今,已经有大量的遥控无人移动平台用来代替人力工作在危险环境下。
在机器人系统中,操作臂或机械臂是一种辅助机器人本体抓取、放置、加工材料或物品的装置,通常采用类似人类手臂的机械结构并包含相应的转动或滑动关节,具有多个自由度的机械装置[3]。
搭载机械臂的无人移动平台或移动操作臂系统是移动无人平台和机械臂系统的有机整合,机械臂是工业领域的常见生产工具,研究内容涉及机械结构设计、机械臂正逆运动学理论、刚柔耦合动力学理论、计算机仿真和控制策略等方面。从实际应用角度看,机械臂使无人平台在单纯侦察、检测的基础补充了处置问题的能力;反之,无人平台的引入是机械臂系统的灵活性大大增强,从生产线上固定的单一作业工具的角色转变为可以替代人类完成工作的智能机器人。其应用前景十分广阔,预计带来的经济效益丰厚。
传统工业机械臂的应用方式大部分为预先通过示教器编程,按照预定生产目标重复、快速的完成单一工作,对于机械臂本身的运行速度和重复定位精度要求较高。而移动无人平台的机械臂则大多数情况下应用于非结构环境,每次执行的任务都有所变化,绝大多数情况下需要遥操作完成。
本文根据5自由度移动平台机械臂特点,提出了一种复合式控制终端,通过单关节、逆运动学和关节映射控制器三种控制方式完成移动平台机械臂的方案,兼顾了不同操作条件下的机械臂控制特点,提高了机械臂的控制效率,达到了良好的控制效果。
2.机械臂控制原理
对于移动平台机械臂而言,操作臂的控制需要以遥操作的方式完成,即机械臂实时的接收远程控制端的操作员指令,实时的根据操作员的意志完成作业过程。一般而言,遥操作控制可以通过单关节逐个控制、末端速度逆解和专用关节映射控制器等几种方式完成。
单关节控制的原理比较简单,即通过远程控制终端的按键或触摸屏等方式采集操作员的控制指令,包括每个关节的转动速度和角位移值,通过链路通信设备传递给机器人,机器人将指令转化为对应关节的实时转动。从控制原理上讲,关节之间不存在耦合,机器人端只需要采用传统PID控制方式按照预设定的增益值输出对应的关节扭矩通过速度和位置闭环即可完成作业。
关节逆运动学的控制实现原理相对复杂一些。操控端采集到的是机器人末端操作器在笛卡尔空间内的移动和转动速度,需要经过解算变换为关节空间内的转动速度传递给机械臂。机械臂的Jacobian矩阵表示机械臂的操作空间与关节空间之间速度的线性映射关系,对于6个关节机械臂Jacobian矩阵是方阵,如果它是可逆的,则可以由机械臂的末端速度求出各个关节的速度。但Jacobian矩阵在机械臂的奇异位姿上是不可逆的。在实际应用中,当机械臂的末端位置接近奇异位置时,Jacobian矩阵是病态的,可能导致关节速度不能正确地得到对于逆速度解问题,速度逆解公式为???????????,注意到此时需要求雅可比矩阵的逆,由线性方程组理论知上式对任意的?????都有解的必要条件是雅可比矩阵的秩rank(J)=6,这意味着机械臂的自由度数n≥6。但从移动平台的承载重量,降低成本等方面考虑,移动平台机械臂通常采用欠驱动模式,采用5自由度或4自由度机械臂,雅克比矩阵为长方阵,给求逆运算带来问题。另外,当机械臂处于完全展开或两个以上的关节处于共轴状态时,也就是产生所谓万向节锁问题时机械臂将处于奇异位姿,造成雅克比矩阵不满秩,无法求逆。
实际上,最小二乘解是高维空间向低维空间的投影
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