16、基于位姿跟踪和轨迹规划的远程操作自适应运动控制中间件

基于位姿跟踪和轨迹规划的远程操作自适应运动控制中间件

1. 动机

传统机器人应用主要在已知环境中自动化执行重复性任务，但在众多行业里，机器人在存在不确定性的应用场景中的重要性日益凸显。这些场景涵盖生产或内部物流中的料箱拾取任务、退役过程中的核废料处理、采矿或海洋作业、医疗辅助以及航空航天任务等。虽然自主机器人有能力完成这些任务，但由于不确定性的存在，故障和系统停机仍频繁发生。

相比之下，远程操作在存在不确定性的复杂场景中提供了更可靠的机器人应用，还能为自主系统实现高效的远程干预。此外，远程操作可让操作员在危险区域远距离作业，提高了工作安全性。过去十年，随着大多数机器人领域的技术进步，远程操作应用的需求显著增加。

在远程操作中，将操作员输入准确转化为机器人动作至关重要。常见的工业机器人远程操作系统通过笛卡尔空间、关节角度或六自由度位姿目标及后续轨迹规划来控制机器人，但这些方法往往缺乏反应性。而通过反应式位姿跟踪运动控制优化这一特性的方法，通常是专有的、特定供应商的解决方案，互操作性受限。

对于具有不同特点的远程操作任务，互操作性和提供多种运动控制模式十分有益，包括反应式位姿跟踪、点动控制以及基于无碰撞轨迹规划的机器人运动。位姿跟踪可让操作员在有限空间内精确控制，而无碰撞轨迹规划则能实现特定任务编程、监督自动化，减轻操作员工作量。

本文聚焦于工业机器人远程操作的运动控制，特别是在预定义条件有限的场景下，如对故障自主机器人系统的干预。我们提出了一种基于情境的自适应运动控制中间件，具备反应式位姿跟踪和无碰撞轨迹规划功能，以实现远程操作。该中间件确保了互操作性、标准化通信，并可通过开源机器人库轻松扩展。它支持多种人机界面（HMI）作为输入，与虚拟现实