地面无人移动平台机械臂遥操作控制技术研究

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，因此在通过逆解出来的关节速度控制机械臂时，其控制結果会产生一定误差，这是机械臂本身结构性质所决定的。

另外一种处理方式是放弃某几个维度上的控制，抽取雅克比矩阵的特定行，把欠驱动问题变成过驱动问题，这样处理带来的结果是某些维度上的结果不可控，一般来说可以忽略末端的姿态控制而只控制其位置，达到目标点附近后再通过轴控制逐渐调整目标姿态。可将肩部和肘部俯仰关节抽取出来形成一个平面两自由度连杆，控制在竖直平面内的上下和前后运动，而左右移动则由肩关节的左右转动来代替，腕关节的俯仰和连续转动则单独控制。这样一来，既可以在操控端形成良好的视觉控制反馈，符合操作手的直观控制逻辑，又保证了机械臂控制的精确性，符合遥操作的设计目的。

3. 控制方案

操作控制单元，即机器人的遥控设备，是连接人类和机器人的桥梁，负责将人的指令转化为电信号传送给机器人，并要将机器人自身和采集到的状态信息反馈给人类操作手，以便于了解机器人状态并做出下一步指示。操作手利用控制单元控制机器人的移动、搭载的载荷的动作以及监测机器人本身和外部环境的实时信息，因此，控制单元需要适应人的使用习惯，信息反馈要直观，命令的下达要符合简单直接的操作逻辑。可以说，控制单元是人类操作手与整个机器人系统交互的直接媒介，其易用性、响应速度、稳定性、可扩展性等对机器人的综合表现起到至关重要的作用。

针对搭载机械臂的无人移动平台而言，除了需要满足移动底盘前进后退等运动控制外，任务载荷的控制则更为复杂。在多轴机械臂上，一个操作手则要控制多个自由度的机械臂运作，完成抓取、引爆、释放、转动等各种复杂操作。因此，更需要专用的操作手段辅助操作手顺利完成作业。

3.1. 方案对比

相较底盘，机械臂的自由度更多，控制更为复杂。一般来讲，对机械臂的控制主要有单轴控制、末端逆运动学控制、关节映射控制等。

单轴控制器的实现比较简单，如图所示，即将机械臂每个自由度设置一个控制摇杆或按钮，控制器正反转，类似于传统工程机械的控制方式。该方式的好处是实现起来简单，坏处也是显而易见的，末端的位置不易通过单轴控制直接得到，且控制效率十分低下。

另一类常用的控制方式为末端逆运动学控制，该方法可以直接对机械臂末端位置进行控制，操作者通过控制器发送末端的空间6自由度指令，控制器通过逆运动学算法将其转化為各轴的转角和速度并发送给机械臂。这种控制方式的好处是对于操作者更为直观快速，另外可结合VR设备、力反馈设备等实现更为复杂的控制功能，缺点是软件开发难度较大，研发成本高。

最后一种是关节映射控制方法，实际上就是在操控端使用一个跟机械臂等比缩小的控制器，操作者，直接操控该机械臂的末端，远端的机器人则完全复现操控端的动作。这个方案的优点是软件开发难度较小，对操控者也很友好，缺点是需要制造专用控制设备，且需要解决诸如关节阻尼、信号采集滤波等问题，硬件上实现起来的难度相对较大，一定程度上增加了成本。

相较于主控制器，机械臂的控制更为复杂，一般来说为了避免机械臂邻近奇异点或有其他故障发生时失控，单轴控制的功能是必须具备的。但有别于国内有些厂家简单粗暴的多个按钮设置，这部分功能可以结合主控制器的触摸屏或拨码开关完成，大部分时候不需要启用，只在特殊情况下在分级菜单中调出。

而末端控制则是机械臂控制的重点。逆运动学解算的方式，则软件开发阶难度较大，并且后续调试也耗时很长，且对于欠驱动机械臂奇异位置无法求解，控制效果无法做到十分精确，且容易与周围环境产生碰撞。关节映射是更为优秀的控制方案，但这就制造一个专用控制设备与主控制器连接，在需要用到时装载在主控制器上，不需要时可以不随身携带，而只使用主控制器上的逆运动学控制方式。因此，这里考虑两种控制方式并举，针对不同应用环境采取不同的控制措施。

3.2. 方案设计

机械臂专用控制的设计方案主要参考图中的单臂部分。臂杆和关节位置设计完全按照真实机械臂参数缩比得到，总长度参考人手臂长度定制。手柄处分别设计摇杆、滚轮、扳机按键和按钮功能，通过软件映射到机械臂的旋转、抓取以及底盘的运动等。关节处安装绝对位置编码器，测量关节转角，机械结构上要设计一定机械阻尼，合适的阻尼可以使控制器既不轻易失控，又不给操作者带来太大负担。

手持主界面主要组成部分为一块触摸屏，两侧分别布置摇杆、实体按键和推杆等，手持设备左右肩部分别设置有扳机按键。机器人的所有控制功能都可以通过触屏完成。在驾驶状态下，主视图显示摄像头图像，此处可同时添加多路摄像头，但要保证行驶方向上的摄像头做主要显示，其他摄像头以小窗辅助的行驶显示在主视图内。

机械臂的单轴操作和末端运动学操作都可以在触屏中完成。首先，在机械臂的所有控制界面下，都可以完成底盘的原地自转和手爪的张合控制，通过底部的两个虚拟滑块来实现，同时这两个功能分别映射到左右两个实体推杆，方便操作。机械臂的模型投影到主界面中，拖动相应臂杆即完成相应控制，简单直接。这部分功能不建议映射到实体按键和摇杆上，因为要控制的轴较多，容易给操作者带来困惑。单轴到末端控制切换功能设置在右下角控制区域。

对于末端控制而言，由于采用的是五轴机械臂，因而在较多的位置存在奇异解，在六自由度空间内雅可比矩阵直能求得伪逆，得到近似解。因此考虑采用柱坐标控制方式，将机械臂控制分布到二维空间内，即在臂杆平面投影方向上采用平面内两个平移自由度的雅可比逆控制肩肘两个个俯仰关节，再单独控制手抓腕关节的俯仰，最后通过底部偏航关节控制机械臂的左右方向，而不控制机械臂左右方向内的平移。基于这个设想，在末端控制功能下，主界面内的前后左右滑动对应机械臂的上下平移和左右转动，而前后平移则单独设置一组虚拟推杆控制，另外，手爪腕关节的俯仰也需要添加一组虚拟摇杆。

专用控制器由五个关节组成，对应于机械臂的五个轴，每个关节装有一枚绝对值编码器，控制器末端装有定制手柄。臂杆连接到一个固定基座，固定方式可通过台钳基座等方式固定在地面或操作手腰间。

整个控制器由一个stm32控制板控制，轴上编码器通过SSI总线传回到板卡IO口解析为各角度数据，手柄的按键和摇杆信息可通过串口传回到板卡。板卡再通过USB连接到背负计算机，完成整个控制链路的连接，采用USB的好处是即可通信又可供电，无需其他连接接口。手柄的功能相对较多，对应图片一一说明。手柄正面有一个两轴摇杆，两个推杆和两个实体按键。分别对应于车辆控制，腕关节回转和机械臂使能等。手柄背部还有一个扳机摇杆，对应于手爪的张合。这样一来，操作手可以脱离主控制器，直接使用该控制器控制车辆和机械臂的大部分功能。

4. 结论

本文针对地面无人平台的机械臂遥操作技术做出研究，针对平台本身和任务载荷机械臂的有机结合控制方式做出对比论证。针对便携性、易操作性和控制算法实现的难易程度做出对比，得出采用末端圆柱坐标和关节映射控制器相结合的控制方式，在不同的使用场景下各有侧重，很好的解决了地面无人平台机械臂的遥操作问题。

参考文献：

[1]金周英，白英. 我国机器人发展的政策研究报告[J]. 机器人技术与应用，2009，02：1-7.

[2]魏丕勇，闫清东，马越. 无人地面武器机动平台驱动系统设计与仿真研究[J]. 工程设计学报，2005，03：152-158.

[3]Tianfu Yang， Shaoze Yan， Zengyao Han. Nonlinear model of space manipulator joint considering time-variant stiffness and backlash. Journal of Sound and Vibration， 2015， 341： 246-259.

作者简介：

杨天夫（1987年7月），男，辽宁鞍山人，博士，工程师，机器人方向.

（航天科工深圳（集团）有限公司 广东 深圳 518026）