混合切换的工作空间映射算法

4.3.1 混合切换原理及其实现

针对目前实验平台从事的定位夹取任务，可以利用关节空间和操作空间各自 的特点，设计混合切换的工作空间映射方法，即在大范围运动时利用关节空间映 射方法，当大致定位完成后，切换到操作空间映射方法，进行精细操作。算法的 实现主要包括：1）关节空间映射方法设计；2）操作空间映射方法设计；3）两 个方法切换时的过渡算法。其中 1,2 两点已经在 4.1 和 4.2 节中进行阐述，主要 针对第 3 点进行分析设计。

利用 Touch 设备末端带有的即时开关功能，可以利用该按钮进行设计，发送 切换的指令。Touch 设备的即时开关曲线如图 4-13 所示。

图 4-13 Touch 设备的即时开关曲线

针对 Touch 设备即时开关曲线的特点，编写了相应的功能，当按钮按下时，

产生阶跃信号，发送切换指令，进行模式切换，从操作空间切换到关节空间或者 从关节空间切换到操作空间。同时，当按钮一直按下时，则断开与从端设备的连 接，不进行工作空间的映射，使 Touch 设备能进行自由运动和 Baxter 设备保持原 来的位置，允许操作者对 Touch 设备进行重定位，方便后续的操作，原理就像汽 车的离合器一样。

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两种方式切换的过渡算法如下所示：

1）关节空间切换到操作空间时，记下此时的 Touch 设备的末端位姿和 baxter 设备的末端位姿，设为

x 和

x ， 则接下去 t 时刻 baxter 期望位姿为

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图 4-14 混合切换的 Simulink 上层控制器结构

图 4-15 信号处理模块框图结构

Simulink 下层控制器仍使用 5.2 节中的控制器。实验测试结果表明混合切换 方式工作正常，两种方式切换过渡平稳，从而该方法融合了关节空间映射和操作 空间映射的优点，既可以完全覆盖从端设备的工作空间，又在夹取等操作空间任 务时具有很好的定位精度和操作感。实验结果如图 4-16 所示，短小的蓝线表示 主端设备末端位移，长的红线表示从端设备末端位移，首先进行关节空间的映射，

大致定位完成后，采用操作空间的映射，进行夹取等精细操作，操作完成后，再 次切换到关节空间的映射，进行大范围运动，图中的 1 表示第一次切换，工作空 间映射方式从关节空间切换到操作空间，过渡过程比较平稳，从放大图可以看出 从端设备末端发生了细微的抖动，主要原因是切换过程中需要按一下主端设备末

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端上的按钮，用力过大时会导致主端设备发生细微抖动；2 表示第二次切换，工 作空间映射方式从操作空间切换到关节空间，过渡过程也比较平稳，从放大图中，

也可以看到产生了细微抖动，原因也是切换时需要按一下主端设备上的按钮，从 而产生了微小的抖动。不过这些微小的抖动对于过渡过程的平稳性影响十分小，

处于可接受的范围内。

图 4-16 混合切换映射方式下主从设备末端位移图 4.3.3 算法优缺点分析

混合切换工作空间映射算法融合了基于关节空间映射和基于操作空间映射 两种方法的优点，既保证了精细操作，又保证了主端可控范围覆盖从端设备本身 的工作空间。不少学者也提出了相应的混合切换方法，如 1.2.2 节提到的位置-速 率混合切换方法等。这些方法都是基于操作空间内的，大范围运动时采用了速率 映射的方法，这种方法对于操作者来说，操作感大打折扣。针对本文搭建的遥操 作机器人系统，大范围运动时采用基于关节空间的映射方法更为可行，操作也更 加直观。

该方法的不足在于切换时需要按一下主端设备末端的即时开关，会导致主端 设备末端产生细微的抖动，从而导致从端设备也产生了一定的抖动。

4.4 本章小结

本章主要在前章建模的基础上，分别设计了基于关节空间的映射算法和基于 操作空间的映射算法，最后利用这两个算法的优点进行组合，设计了混合切换的

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工作空间映射算法，设计了切换时的过渡算法，保证了切换时的平滑，从而保证 了良好的操作感和整个系统的稳定，获得了满意的实验结果，较好地解决了主从 异构型遥操作机器人工作空间的映射问题。

69 制 baxter 机器人运动。由于目前实验平台测试环境中，baxter 机器人处于自由运 动状态，发送给主端的反馈力矩，主要基于关节误差进行计算，公式为：