一種空間遙操作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種空間機器人遙操作方法，采用三維圖形仿真驗證、執(zhí)行能力驗證雙驗證方法保證空間遙操作指令安全性；采用預測仿真驅(qū)動三維模型為操作者提供實時視覺信息，采用雙邊控制技術為操作人員提供力覺信息，從而提升操作者臨場感。具體的思路為：空間遙操作指令發(fā)出端生成指令后，通過信息調(diào)度中心，將指令發(fā)送到三維圖形仿真驗證和計算能力驗證兩個驗證端進行指令驗證，其中的三維圖形仿真驗證不僅作為空間遙操作系統(tǒng)的驗證端，同時也為操作人員提供必要的視覺信息；另外在遙操作指令的生成環(huán)節(jié)，利用雙邊控制算法將空間機器人的運動狀態(tài)和當前預測仿真模型的運動狀態(tài)之差生成反饋力，施加給操作者，使操作者能夠通過力感受判斷空間機器人運動狀態(tài)。
【專利說明】一種空間遙操作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種空間遙操作方法，尤指一種空間機器人遙操作方法，可應用于空間機器人或地面機器人遙操作領域。
【背景技術】
[0002]隨著人類空間活動的不斷發(fā)展，航天飛機、宇宙飛船和空間站的建立，空間機器人技術越來越受到重視。在未來的空間活動中，將有大量的空間生產(chǎn)、空間加工、空間裝配、空間維護和修理工作進行。這樣大量的工作不可能僅僅依靠宇航員完成，必須充分利用空間機器人。因此，發(fā)展空間機器人技術可以大大減小宇航員從事危險工作的代價和成本。由于受到目前的機器人技術水平和人工智能水平的限制，實現(xiàn)在空間環(huán)境中完全自主工作的機器人仍然有很大困難，因此，必須由操作人員來遠程控制機器人在未知空間環(huán)境中完成特定任務。這就需要一個高可靠的空間遙操作系統(tǒng)來協(xié)調(diào)遠程機器人和操作人員的之間的工作，以保證遠程機器人可以按人們的意志來完成任務。
[0003]通過空間遙操作系統(tǒng)，可以監(jiān)視和控制遠端的空間機器人，使得我們可以用空間機器人代替人類在空間環(huán)境執(zhí)行任務。由于操作對象在遠端，操作人員無法直接感知操作對象的狀態(tài)，另外由于數(shù)據(jù)的傳輸和處理帶來的時延會進一步影響操作者的臨場感。因此空間遙操作技術最重要的問題就是克服時延，提升操作者的臨場感。為此，空間遙操作系統(tǒng)需要為操作人員提供視覺信息、力信息、聲音信息等，提升操作人員的臨場感，使得操作人員能夠更準確的感知遠端操作對象的狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]要解決的技術問題
[0005]為了避免現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明提出一種空間機器人遙操作方法，用于解決空間機器人遙操作過程中克服時延和提升臨場感的問題。保證空間遙操作安全性，同時為執(zhí)行空間遙操作任務的操作人員提供視覺、力覺信息等，提升操作人員的臨場感。
[0006]技術方案
[0007]一種空間機器人遙操作方法，其特征在于步驟如下:
[0008]步驟1、構(gòu)建空間遙操作驗證端:
[0009]1、建立三維仿真驗證端:根據(jù)空間機器人幾何尺寸建立三維模型，根據(jù)空間機器人的質(zhì)量、慣量、質(zhì)心位置、連桿長度等動力學參數(shù)和控制器參數(shù)建立其動力學仿真數(shù)學模型；
[0010]2、建立執(zhí)行能力驗證端:在空間遙操作系統(tǒng)構(gòu)架與遠端空間機器人控制器相同的控制設備，并監(jiān)測其輸入和輸出；
[0011]步驟2、采用具有力反饋功能的手控器設備作為主手，產(chǎn)生空間遙操作指令:操作前，先建立空間機器人與空間遙操作的通信，使空間遙操作系統(tǒng)能夠獲取空間機器人的關節(jié)角狀態(tài)；當主手被施加Fh，然后以T。的時間間隔進行以下步驟:[0012]1、將主手自身的位置應為空間機器人末端的位置Pr，對應關系為Pr = aPmj中a為操作系數(shù)，a越大操作越靈敏；
[0013]2、利用已進行空間機器人運動學逆解運算，得到空間機器人的機械臂關節(jié)角Θ m，由于所得的逆解不唯一，選取與空間遙操作系統(tǒng)接收到的遙測關節(jié)角最接近的一組
[0014]3、將< 作為空間遙操作指令，發(fā)送到數(shù)據(jù)調(diào)度中心；
[0015]通過以上3步，生成以T。為時間間隔的遙操作指令序列，數(shù)據(jù)調(diào)度中心將指令轉(zhuǎn)發(fā)到三維仿真驗證端和執(zhí)行能力驗證端；
[0016]步驟3、三維仿真驗證端在接收到數(shù)據(jù)調(diào)度中心轉(zhuǎn)發(fā)的指令后進行遙操作指令三維仿真驗證:
[0017]1、在三維仿真驗證端接收到遙操作指令后，將時間間隔T。的指令序列進行插值，插值結(jié)果為時間間隔Td的仿真輸入序列，作為動力學仿真數(shù)學模型的期望輸入，進行動力學仿真計算，得到機器人的仿真輸出關節(jié)角序列；所述Td〈T。；
[0018]2、當關節(jié)角序列存在關節(jié)角度、角速度超限時，則發(fā)送驗證結(jié)果信息，用相應的錯誤類別標志碼Me表示驗證失敗類別；若無則將仿真輸出關節(jié)角序列進行運動學正解，得到笛卡爾空間運動序列；當?shù)芽柨臻g運動存在位置、速度超限時，則發(fā)送驗證結(jié)果信息，用相應錯誤類別標志碼Me表示驗證失敗類型；若上述超限情況均沒有，則視遙操作指令超限檢測安全；
[0019]3、利用第I步所得到的仿真輸出關節(jié)角運動序列，空間機器人的三維模型，采用OBB法進行碰撞檢測，若存在碰撞情況，則發(fā)送驗證結(jié)果信息，用相應的錯誤類別標志碼Me表示驗證失敗類別，若無碰 撞則視遙操作指令碰撞檢測安全；
[0020]4、若第3~4步的遙操作指令的超限檢測和碰撞檢測均安全，則視為三維仿真驗證成功，發(fā)送遙操作指令驗證結(jié)果信息；
[0021]步驟4、空間機器人指令執(zhí)行能力驗證:將遙操作指令發(fā)送給步驟I所構(gòu)建的本地控制設備，若控制器的輸出超過機器人實際執(zhí)行能力，或計算時間超過指令間隔，則視為執(zhí)行能力驗證失敗，發(fā)送驗證失敗信息，用相應的錯誤類別標志碼Me表示驗證失敗類別；反之，則發(fā)送遙操作指令執(zhí)行能力驗證成功信息；
[0022]步驟5、遙操作指令的處理:若步驟3和步驟4的檢測結(jié)果均為成功，則將遙操作
指令< 發(fā)送到空間機器人執(zhí)行，否則向內(nèi)部所有子系統(tǒng)發(fā)送緊急處理指令，其中包含緊急
處理原因，若驗證失敗原因為發(fā)生碰撞，則在內(nèi)部子系統(tǒng)發(fā)送緊急處理指令的同時向空間機器人發(fā)送緊急停止指令，停止機器人運動；
[0023]步驟6、以主手為力反饋設備，從手為遠端空間機器人，采用雙邊控制算法生成手控器反饋力:
[0024]1、步驟5所發(fā)出的遙操作指令^經(jīng)過通信時延T1發(fā)送到從手，經(jīng)歷時延后從手接收到的指令表示為Qsd;
[0025]2、從手的H)控制器獲得輸入指令Θ Sd后，生成關節(jié)控制力矩Ts，控制從手的運動，其中Fe為環(huán)境作用力；
[0026]3、從手將自身的關節(jié)角Θ s傳遞空間遙操作系統(tǒng)，經(jīng)過數(shù)據(jù)調(diào)度中心轉(zhuǎn)發(fā)給主手，期間的時延為T2，經(jīng)歷時延后主手接收到的關節(jié)角表示為Θ md ；
[0027]4、主手的ro控制器獲得θ md后，經(jīng)過運動學正解，得到真實的空間機器人末端位置P#與步驟2相反將Pm對應為手控器位置Pmd，即Pmd = Prd/a,與當前手控器的位置Pm做差，生成主端反饋力Fmd，通過手控器施加給操作人員。
[0028]有益效果
[0029]本發(fā)明提出的一種空間機器人遙操作方法，采用三維圖形仿真驗證、執(zhí)行能力驗證雙驗證方法保證空間遙操作指令安全性；采用預測仿真驅(qū)動三維模型為操作者提供實時視覺信息，采用雙邊控制技術為操作人員提供力覺信息，從而提升操作者臨場感。具體的思路為:空間遙操作指令發(fā)出端生成指令后，通過信息調(diào)度中心，將指令發(fā)送到三維圖形仿真驗證和計算能力驗證兩個驗證端進行指令驗證，若兩個驗證端的指令驗證結(jié)果均為通過，則通過信息調(diào)度中心將遙操作指令發(fā)送到遠端操作對象，若有任意驗證端驗證不通過，則空間遙操作系統(tǒng)采取內(nèi)部緊急處理，該條指令不會發(fā)送到空間機器人；其中的三維圖形仿真驗證不僅作為空間遙操作系統(tǒng)的驗證端，同時也為操作人員提供必要的視覺信息；另外在遙操作指令的生成環(huán)節(jié)，利用雙邊控制算法將空間機器人的運動狀態(tài)和當前預測仿真模型的運動狀態(tài)之差生成反饋力，施加給操作者，使操作者能夠通過力感受判斷空間機器人運動狀態(tài)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1:空間遙操作系統(tǒng)示意圖
[0031]圖2:遙操作指令生成流程
[0032]圖3:單條遙操作指令安全性驗證流程
[0033]圖4:指令執(zhí)行能力驗證流程
【具體實施方式】
[0034]現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述:
[0035]具體的實現(xiàn)方式如下:
[0036]步驟1:構(gòu)建空間遙操作驗證端
[0037]本步驟的目的在于構(gòu)建空間遙操作的三維仿真驗證端和執(zhí)行能力驗證端，用于后續(xù)步驟指令安全性驗證。
[0038]1、建立三維仿真驗證端，根據(jù)空間機器人幾何尺寸建立三維模型，根據(jù)空間機器人的質(zhì)量、慣量、質(zhì)心位置、連桿長度等動力學參數(shù)和控制器參數(shù)建立其動力學仿真數(shù)學模型，建立方法為本領域公知技術，在此不再贅述；
[0039]2、建立執(zhí)行能力驗證端，在空間遙操作系統(tǒng)構(gòu)架與遠端空間機器人控制器相同的控制設備，并監(jiān)測其輸入和輸出。
[0040]步驟2:利用手控器產(chǎn)生空間遙操作指令
[0041]本步驟的目的在于生成遙操作指令，采用具有力反饋功能的手控器設備作為主手。
[0042]操作前，應建立空間機器人與空間遙操作的通信，使空間遙操作系統(tǒng)能夠獲取空間機器人的關節(jié)角狀態(tài)。操作人員給主手施加Fh，在操作人員操作過程中，以T。的時間間隔進行以下步驟:
[0043]1、獲取主手自身的位置Pm ；
[0044]2、將應為空間機器人末端的位置Py對應關系為Pr = aPm，其中a為操作系數(shù)，a越大操作越靈敏；
[0045]3、利用已進行空間機器人運動學逆解運算，得到空間機器人的機械臂關節(jié)角Θ m，由于所得的逆解不唯一，選取與空間遙操作系統(tǒng)接收到的遙測關節(jié)角最接近的一組
[0046]4、將冗作為空間遙操作指令，發(fā)送到數(shù)據(jù)調(diào)度中心。
[0047]通過以上4步，可以生成以T。為時間間隔的遙操作指令序列，數(shù)據(jù)調(diào)度中心將指令轉(zhuǎn)發(fā)到三維仿真驗證端和執(zhí)行能力驗證端。
[0048]步驟3:遙操作指令三維仿真驗證
[0049]本步驟在接收到數(shù)據(jù)調(diào)度中心轉(zhuǎn)發(fā)的指令后在三維仿真驗證端進行。本步驟的目的在于對空間遙操作指令的安全性進行驗證，對指令的關節(jié)角度、角速度限制，笛卡爾空間位置、速度限制進行檢測，并對可能發(fā)生的碰撞進行檢測。具體實施方法為:
[0050]1、在三維仿真驗證端接收到遙操作指令后，將時間間隔T。的指令序列進行插值，插值結(jié)果為時間間隔Td (Td〈T。)的仿真輸入序列，作為動力學仿真數(shù)學模型的期望輸入，進行動力學仿真計算，得到機器人的仿真輸出關節(jié)角序列；
[0051]2、判斷上步得到的機器人仿真輸出關節(jié)角序列是否存在關節(jié)角度、角速度超限的情況，若有則發(fā)送驗證結(jié)果信息，用相應的錯誤類別標志碼Me表示驗證失敗類別；若無則將仿真輸出關節(jié)角序列進行運動學正解，得到笛卡爾空間運動序列，判斷其笛卡爾空間運動是否存在位置、速度超限的情況，若有則發(fā)送驗證結(jié)果信息，用相應錯誤類別標志碼凡表示驗證失敗類型；若上述超限情況均沒有，則視遙操作指令超限檢測安全；
[0052]3、利用第I步所得到的仿真輸出關節(jié)角運動序列，空間機器人的三維模型，利用OBB法進行碰撞檢測，若存在碰撞情況，則發(fā)送驗證結(jié)果信息，用相應的錯誤類別標志碼Me表示驗證失敗類別，若無碰撞則視遙操作指令碰撞檢測安全；
[0053]4、若第3?4步的遙操作指令的超限檢測和碰撞檢測均安全，則視為三維仿真驗證成功，發(fā)送遙操作指令驗證結(jié)果信息。
[0054]步驟4:空間機器人指令執(zhí)行能力驗證
[0055]本步驟的目的在于對所發(fā)出的遙操作指令是否在空間機器人的執(zhí)行能力范圍，包括執(zhí)行時間、關節(jié)力矩輸出是否可達等進行檢測。具體實施方法為:
[0056]將遙操作指令發(fā)發(fā)送給步驟I所構(gòu)建的本地控制器，檢測控制器的輸出和計算時間，若控制器的輸出超過機器人實際執(zhí)行能力，或計算時間超過指令間隔，則視為執(zhí)行能力驗證失敗，發(fā)送驗證失敗信息，用相應的錯誤類別標志碼Me表示驗證失敗類別；反之，則發(fā)送遙操作指令執(zhí)行能力驗證成功信息。
[0057]步驟5:遙操作指令的處理
[0058]本步驟根據(jù)步驟3和步驟4的檢測結(jié)果進行遙操作指令的處理，若步驟3和步驟4
的檢測結(jié)果均為成功，則將遙操作指令€發(fā)送到空間機器人執(zhí)行，否則向內(nèi)部所有子系統(tǒng)
發(fā)送緊急處理指令，其中包含緊急處理原因，若驗證失敗原因為發(fā)生碰撞，則在內(nèi)部子系統(tǒng)發(fā)送緊急處理指令的同時向空間機器人發(fā)送緊急停止指令，停止機器人運動。[0059]步驟6:采用雙邊控制算法生成手控器反饋力
[0060]采用雙邊控制算法，為操作人員提供力信息。具體實施方法為:
[0061]采用雙邊H)控制，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中的主手為力反饋設備，從手為遠端空間機器人，具體步驟如下:
[0062]1、步驟5所發(fā)出的遙操作指令經(jīng)過通信時延T1發(fā)送到從手，經(jīng)歷時延后從手接收到的指令表示為Qsd;
[0063]2、從手的H)控制器獲得輸入指令0sd后，生成關節(jié)控制力矩Ts，控制從手的運動，其中Fe為環(huán)境作用力；
[0064]3、從手將自身的關節(jié)角Θ s傳遞空間遙操作系統(tǒng)，經(jīng)過數(shù)據(jù)調(diào)度中心轉(zhuǎn)發(fā)給主手，期間的時延為T2，經(jīng)歷時延后主手接收到的關節(jié)角表示為Θ md ；
[0065]4、主手的ro控制器獲得θ md后，經(jīng)過運動學正解，得到真實的空間機器人末端位置P#與步驟2相反將Pm對應為手控器位置Pmd，即Pmd = Prd/a,與當前手控器的位置Pm做差，生成主端反饋力Fmd，通過手控器施加給操作人員。
[0066]具體實施例:
[0067]步驟1:建立空間遙操作驗證端
[0068]采用Open Scene Graph建立空間機器人的三維模型；根據(jù)機器人動力學參數(shù),采用拉格朗日法建立動力學數(shù)學模型，根據(jù)空間機器人的實際控制參數(shù)，建立仿真模型，建立方法為本領域公知技術；
[0069]在空間遙操作系統(tǒng)構(gòu)架與空間機器人控制器相同的控制設備，控制設備的輸入和輸出接口與空間機器人保持一致。
[0070]步驟2:利用手控器生成遙操作指令
[0071]選用力反饋設備Force Dimension Delta3作為主手,采用的雙邊控制算法為雙邊ro控制。操作者操作主手運動，通過該設備可以獲取到設備末端三維位置信息Pm= [xffl Yfflzm]，將已=[xr Yr zr]對應為機器人末端的位置，二者之間的對應關系為:
[0072]Pr = aPm
[0073]其中a為操作系數(shù)，a值越大，操作越靈敏，反之操作越細膩。本例中需要操作細膩程度較高，其值取0.2。
[0074]通過機器人運動學反解em = finv(pj可以得到對應的關節(jié)角，其中finv為機器人運動學反解方程，其解為8組，選取與當前機械臂關節(jié)角最接近的一組為


°
[0075]生成的遙操作指令發(fā)送給數(shù)據(jù)調(diào)度中心，指令格式如下所示:
【權利要求】
1.一種空間機器人遙操作方法，其特征在于步驟如下: 步驟1、構(gòu)建空間遙操作驗證端: (1)建立三維仿真驗證端:根據(jù)空間機器人幾何尺寸建立三維模型，根據(jù)空間機器人的質(zhì)量、慣量、質(zhì)心位置、連桿長度等動力學參數(shù)和控制器參數(shù)建立其動力學仿真數(shù)學模型； (2)建立執(zhí)行能力驗證端:在空間遙操作系統(tǒng)構(gòu)架與遠端空間機器人控制器相同的控制設備，并監(jiān)測其輸入和輸出； 步驟2、采用具有力反饋功能的手控器設備作為主手，產(chǎn)生空間遙操作指令:操作前，先建立空間機器人與空間遙操作的通信，使空間遙操作系統(tǒng)能夠獲取空間機器人的關節(jié)角狀態(tài)；當主手被施加Fh，然后以T。的時間間隔進行以下步驟: (1)將主手自身的位置應為空間機器人末端的位置Pr，對應關系為已=aPm，其中a為操作系數(shù)，a越大操作越靈敏； (2)利用已進行空間機器人運動學逆解運算，得到空間機器人的機械臂關節(jié)角θπ，由于所得的逆解不唯一，選取與空間遙操作系統(tǒng)接收到的遙測關節(jié)角最接近的一組< ; (3)將作為空間遙操作指令，發(fā)送到數(shù)據(jù)調(diào)度中心； 通過以上3步，生成以Τ。為時間間隔的遙操作指令序列，數(shù)據(jù)調(diào)度中心將指令轉(zhuǎn)發(fā)到三維仿真驗證端和執(zhí)行能力驗證端； 步驟3、三維仿真驗證端在接收到數(shù)據(jù)調(diào)度中心轉(zhuǎn)發(fā)的指令后進行遙操作指令三維仿真驗證: (1)在三維仿真驗證端接收到遙操作指令后，將時間間隔Τ。的指令序列進行插值，插值結(jié)果為時間間隔Td的仿真輸入序列，作為動力學仿真數(shù)學模型的期望輸入，進行動力學仿真計算，得到機器人的仿真輸出關節(jié)角序列；所述Td〈T。； (2)當關節(jié)角序列存在關節(jié)角度、角速度超限時，則發(fā)送驗證結(jié)果信息，用相應的錯誤類別標志碼Me表示驗證失敗類別；若無則將仿真輸出關節(jié)角序列進行運動學正解，得到笛卡爾空間運動序列；當?shù)芽柨臻g運動存在位置、速度超限時，則發(fā)送驗證結(jié)果信息，用相應錯誤類別標志碼Me表示驗證失敗類型；若上述超限情況均沒有，則視遙操作指令超限檢測安全； (3)利用第I步所得到的仿真輸出關節(jié)角運動序列，空間機器人的三維模型，采用OBB法進行碰撞檢測，若存在碰撞情況，則發(fā)送驗證結(jié)果信息，用相應的錯誤類別標志碼Me表示驗證失敗類別，若無碰撞則視遙操作指令碰撞檢測安全； (4)若第3~4步的遙操作指令的超限檢測和碰撞檢測均安全，則視為三維仿真驗證成功，發(fā)送遙操作指令驗證結(jié)果信息； 步驟4、空間機器人指令執(zhí)行能力驗證:將遙操作指令發(fā)送給步驟I所構(gòu)建的本地控制設備，若控制器的輸出超過機器人實際執(zhí)行能力，或計算時間超過指令間隔，則視為執(zhí)行能力驗證失敗，發(fā)送驗證失敗信息，用相應的錯誤類別標志碼Me表示驗證失敗類別；反之，則發(fā)送遙操作指令執(zhí)行能力驗證成功信息； 步驟5、遙操作指令的處理:若步驟3和步驟4的檢測結(jié)果均為成功，則將遙操作指令<發(fā)送到空間機器人執(zhí)行，否則向內(nèi)部所有子系統(tǒng)發(fā)送緊急處理指令，其中包含緊急處理原因，若驗證失敗原因為發(fā)生碰撞，則在內(nèi)部子系統(tǒng)發(fā)送緊急處理指令的同時向空間機器人發(fā)送緊急停止指令，停止機器人運動； 步驟6、以主手為力反饋設備，從手為遠端空間機器人，采用雙邊控制算法生成手控器反饋力:(1)步驟5所發(fā)出的遙操作指令經(jīng)過通信時延T1發(fā)送到從手，經(jīng)歷時延后從手接收到的指令表示為Qsd; (2)從手的ro控制器獲得輸入指令0sd后，生成關節(jié)控制力矩Ts，控制從手的運動，其中^為環(huán)境作用力； (3)從手將自身的關節(jié)角0s傳遞空間遙操作系統(tǒng)，經(jīng)過數(shù)據(jù)調(diào)度中心轉(zhuǎn)發(fā)給主手，期間的時延為T2，經(jīng)歷時延后主手接收到的關節(jié)角表示為θ md ； (4)主手的ro控制器獲得0md后，經(jīng)過運動學正解，得到真實的空間機器人末端位置Prd,與步驟2相反將Pri對應為手控器位置Pmd，即Pmd = L/a，與當前手控器的位置Pm做差，生成主端反 饋力Fmd，通過手控器施加給操作人員。
【文檔編號】B25J3/00GK103722554SQ201410016585
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月15日 優(yōu)先權日:2014年1月15日
【發(fā)明者】黃攀峰, 常海濤, 劉正雄, 孟中杰 申請人:西北工業(yè)大學