主从异构型遥操作机器人系统工作空间映射方法的研究现状

主从异构型遥操作机器人系统，不同于主从同构型遥操作机器人系统，由 于主从机构在结构，运动自由度，大小等不同，其工作空间的形状和大小各不 相同，要实现主从异构型遥操作机器人系统良好工作，首先要将主从设备的工 作空间进行匹配，既操作者操作主机械臂获得相应的主端关节角度后通过某种 映射算法换算为从机械臂关节的期望角度。针对主从端拥有相同自由度的，可 以采取简单的关节-关节的映射方法，对于主从端拥有不同自由度情况，一般通 过运动学转化为笛卡尔坐标系下进行点-点映射或者位姿-位姿映射，如图 1-4 所示。目前国内外许多学者主要针对笛卡尔坐标系下点-点映射进行研究_：

图 1-4 工作空间映射方法

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A. 常比例映射

普利茅斯大学的 Zhangfeng Ju^[17]基于常比例映射的空间映射方法搭建了类 人机器人的主从异构型遥操作机器人系统实验平台，其利用数值方法计算出主 从设备各自的工作空间大小，然后选取合适的比例矩阵，来扩大主设备的工作 空间范围使其最大限度地与从设备的工作空间重合，如图 1-5 所示。该方法针 对大部分主从异构型遥操作系统都可以适用，其方法直观简单，对于新的操作 者也能很快上手，但使用该方法时，固定的比例矩阵在使用小工作空间的主设 备遥操作大工作空间的从设备时，其运动精度无法保证，同时会损失一部分从 设备的工作空间，如普利茅斯大学搭建的遥操作机器人实验平台，遥操作从设 备的运动精度在 10cm，对于精细的运动无法胜任。

B. 变比例映射

在常比例映射时，如果选择一个大的比例系数来覆盖大的从设备工作空 间，那么精细的运动控制将难以实现。相反，如果选择一个小的比例系数来实 现精细的运动控制，那么实现从设备大工作空间内移动将会需要更多的时间。

为了解决这个问题，研究人员提出根据操作者需求来实时变化比例系数的变比 例映射，即：

( )

a d d

dr  k v  dr

dr

k v (

)

v

dr

图 1-5 普利茅斯大学遥操作系统的工作空间匹配图

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内的期望位置时，如何在实时性要求下将位置信息转化为关节空间上的角度信 息，即运动学反解问题没有进一步深入地研究，尤其对于冗余多自由度的工业 机器臂，其运动学反解更为复杂。