一种基于复杂操作任务的非完整遥操作约束控制方法

摘要

本发明公开了一种基于复杂操作任务的非完整遥操作约束控制方法，通过计算约束矩阵C_VF，复杂操作任务分解，最终设计约束控制器；本发明针对复杂的空间操控任务，与一般的机械臂控制方法相比较，具有任务层面和控制方法的两大有益效果。首先，机械臂在空间中要完成的操控任务包括目标接近、路径跟踪及躲避障碍等，本发明根据操作任务的不同选取合适的运动旋量集合来构造约束矩阵，较以往方法更具有适应复杂任务的能力；其次，非完整约束控制方法可以使操作更加灵活，操作者可以控制机械臂仅在平移或旋转方向运动，无需提供额外的约束，从而减轻操作者压力。

主权项

一种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，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：$\begin{array}{c}{C}_{VF}^b=c_1{S}_1{S}_1^T+c_2{S}_2{S}_2^T+...+c_m{S}_m{S}_m^T\\ =C_1+C_2+...+C_m,c_i>0\end{array}---\left(1\right)$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$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\delta \phi }}^b\\ {\mathrm{\delta q}}^b\end{array}\right)=C_{VF}^b\left(\begin{array}{c}{m}^b\\ f^b\end{array}\right)---\left(2\right)$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：$\left[\begin{array}{c}{\omega }^b\\ v^b\end{array}\right]=K_c{C}_{VF}(g,g_d)\left[\begin{array}{c}{m}^b\\ f^b\end{array}\right]---\left(9\right)$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。