一种基于共享控制的双臂协同遥操作控制方法

黄攀峰，鹿振宇，党小鹏,3，刘正雄

(1. 西北工业大学航天学院智能机器人研究中心，西安 710072；2.西北工业大学航天飞行动力学重点实验室，西安 710072；3.中国航天科技集团公司第四研究院第四十一研究所，西安 710025；)

0 引 言

随着目前空间深空探测和在轨服务技术的发展，在轨维修、在轨组装技术的需求越来越强烈。但是受制于目前空间机器人智能程度的限制，空间遥操作技术则成为解决这类面向在轨维护、故障航天器维修和检查等任务的重要途径[1-4]。然而目前由单个机械臂难以满足越来越复杂在轨服务的需求，采用多个机械臂协同遥操作，相比于单人单臂的遥操作模式[5]，不仅操控方式更为灵活，可承受的任务载荷也更大[6]。但是如何让多个机械臂之间能够较好的互相协同并高效的完成操作任务是较难解决的问题。目前多机械臂遥操作模式通常是让每个操作者独立对单个机械臂，并在相应协同控制指令之下完成操作。但是这种操作方式在操作的过程中操作者之间相互配合比较困难，协同操作效率较低，同时受到操作弧端的限制，难以发挥多人多臂协同操作的优势[7]。

近20年来，针对多边(Multilateral)遥操作的控制问题逐步引起研究者的关注[8]。李智军[9-10]等将目前的多边遥操作控制方法分为两类：基于离散/集中控制模式的力/位置混合控制,领导者-跟随者控制。此外，按照主从操作者的数目不同多边遥操作控制又可以分为半自主控制[11-12]、共享控制[13-17]和多主多从控制[18-19]。共享控制则是多名操作者通过共享的方法对单个机械臂同时进行方法。该方法最早由Nudehi[13]等提出并用于远程医疗的外科手术训练和教学中。在对单机械臂的操控过程中，两名操作者与操作机械臂之间形成多边关系、并通过力/位置的相互影响，达到对机械臂共享操作、操作信息交互和在线训练的目的。相比于其它控制方法，共享控制可以实现多名操作者的操作和决策信息的实时综合与反馈。

在面向非合作目标的双臂精细遥操作中，需要双臂同时具备较高的操作精度和较好的配合程度，而这对于单个操作者双臂操作和多操作者协同操作的操作模式，都难以达到要求的操作精度和协同操作的平衡性。本文结合共享控制与多臂遥操作控制的思想提出一种基于共享控制的双臂协同遥操作控制方法。在控制过程中，两名操作者在操作过程中，通过共享控制交互操作信息，使操作者在完成自身操控的同时感受到操作环境的变化和协同操作臂的操作效果，并通过优势因子调节各操作者的控制权重，实现操作精度和协同性的平衡。

1 系统建模

双人共享控制系统中，两个操作者h1和h2的左右手分别操控两个主端设备，主端与从端机器人的动力学模型为

(1)

(2)

2 四通道双边控制结构与共享控制

2.1 四通道双边控制结构

在传统双边遥操作控制系统中的四通道控制结构中，主端和从端同时互相传递位置和力信息，相比于双通道控制结构，其控制的稳定性和透明性更平衡，如图1所示。

在四通道控制结构中，主端和从端的期望位置分别表示为：

(3)

结合图1中的控制结构和式(3)，可得其主端和从端的控制力的表达式为：

(4)

其中，Fcm，Fcs，Vh，Ve，Fh和Fe的定义与分别与(1)和(2)中相同；Cm=Bm+Km/s和Cs=Bs+Ks/s表示主端和从端机器人的局部PD位置控制器参数，C5和C6是局部力控制器参数，C1，C2，C3，C4是前馈补偿系数。

2.2 共享控制策略

双臂精准协同操作的难点在于平衡操作精准度和协同性，本文的思路在于每个操作者操作其中一个机械臂并实现精准操作，同时通过共享控制实现操作信息的交互。即在两个操作者的协同操作过程中，一个操作者通过力反馈设备不仅能够感受到从端环境的力，而且能感受到另一个操作者的操作意图。在整个共享遥操作控制回路中主端操作者和从端机器人的运动位置和作用力信息互相传递，作为反馈，主端和从端的阻抗动力学状态通过系统回路混合成系统的阻抗。具体通过图2说明：

图2由两个操作者和一个双臂机器人组成，在操作过程中将操作者的双手划分为主操作手和辅助操作手，主操作手负责对应机械臂的操控，辅助操作手在感受主操作手和环境反馈的同时配合主操作手完成双臂协同操作任务。

在操作过程中，操作者和对应的机械臂构成共享控制，在操作过程中，主操作手具有较大的控制权重，而辅助操作手相应的权重较小。辅助操作手一方面可以感受到主操作手的操作信息，另一方面可以将两手的协同趋势传递给其他操作者，并以较小程度影响其他操作者的操作决策。这样，在完成各自独立精准操作的同时，通过共享控制，可以实现操作力和位置信息的交互。

3 主从端控制器设计

根据之前工作[7]中提出的非对称共享控制结构和四通道控制器结构，设计了一个多优势因子的双人共享控制遥操作系统，系统框图如图3所示。

基于共享控制的双边遥操作控制器的表达式如下：

(5)

为了获得对期望位置和期望力更好的跟踪效果，根据忽略时延的理想条件下单主单从遥操作系统的透明性最优控制律(Transparency Optimized Control，TOC)，在控制参数的选取具有一定规律。通过对该选取规则进行扩展，式(5)中的控制参数选择如下：

(6)

根据共享控制策略，主从端的期望位置和期望作用力的表达式均由其他端的位置和作用力决定，则式(5)期望位置表示为：

(7)

期望作用力表示如下：

(8)

其，α1，α2和α3分别表示主手1，主手2和从端的共享优势因子，且满足条件αi∈[0,1],i=1,2,3。α1，α2代表了主操作手和辅助操作手之间的交互程度，α3代表了从端机器人受两个操作者共享控制的权重大小。通过选取合适的优势因子可以实现两个操作者较好的协同操作效果。

4 仿真校验

利用所提出的双人双臂共享协同控制方法设计遥操作实验，实验主端设备由四台Falcon手控器构成，两个操作者的左右手分别操作两个手控器，从端采用力反馈渲染框架CHAI3D来模拟构建。如图4所示，在协同共享遥操作平台中，有一个内半径参数为0.05，外半径为0.1，长度为0.5的圆筒和一个球半径为0.045的小球，如图5所示，并将圆筒置于非稳定操作环境中[20]，并受到相应的环境外力：

其中，Ke表示环境力系数，x和z为受力点与原点之间的距离，环境力效果如图6所示。由于该环境力处于X-Z的操作平面上，只会对操作对象产生X-Z平面上的运动产生干扰。

三种操作控制的相对位置变化如图7-9所示。可以看出，相比于其他两种操作策略，通过共享操作策略，完成装配过程(X轴和Z轴的相对位置同时趋于0)仅需要11 s左右，且在装配过程中存在较小的位置抖动，而在同等实验条件下，双人协同操作需要23 s，单人双臂操作中操作者难以兼顾稳定圆筒位置和精准放置的操作，位置抖动剧烈，完成时间为47s。相比之下，共享操作过程稳定，用时较短。

Y轴方向的相对位置小球在圆筒方向上的放置深度。图8中的虚线对应Y轴坐标表示从放置到放置完成球心与筒心的相对位置区间为[0.205,0.295]。结合图10-12的碰撞力结果，不难发现在碰撞时(圈的位置)所对应的Y轴的位置均处于该相对位置区间,对应X轴和Z轴坐标的绝对值也小于0.15。

相应的操作碰撞力结果如图10-12所示。实验结果表明，通过双人共享控制策略，操作过程中小球与圆筒只有一次碰撞，且相比于双人协同操作和单人双臂操作，碰撞次数减小，操作稳定性较高。进一步，针对不同的控制策略分别进行10次试验，统计结果如图13所示:

结果表明，相比于其他两种控制策略，本算法操作精度较高，会减小操作中的碰撞次数；同时用时较短，操作效率较高。

5 结 论

本文提出了一种双臂协同遥操作共享控制方法，通过构建基于传统四通道控制结构的共享控制结构，在主从端控制器中加入优势因子，实现操作者与机器人左右操作手力和位置信息的双闭环反馈回路，通过调节优势因子使主端的操作者对从端机械臂具有不同的控制权重，使主端操作者在协同操作时可以同时感受到其他操作者的操作意图和从端反馈信息，进而通过CHAI 3D搭建的实验平台验证，相比于传统PID控制的单人双臂操作和双人单独操作单机械臂策略，本算法操作精度较高，操作过程中的碰撞次数较少，操作效率较高。

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