CN103207566A - 一种速度型虚拟力反馈动态辅助的空间遥操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种速度型虚拟力反馈动态辅助的空间遥操作方法，建立空间遥操作对象和空间环境的仿真模型，构造代表速度型虚拟力反馈的区域，根据遥操作对象末端的位置运动信息，动态地更改速度型虚拟力反馈区域形状的大小和位置，即力反馈区域随位置运动信息实时改变、质心实时依附于遥操作对象末端。根据速度型虚拟力反馈提供的视觉信息，利用图形碰撞检测方法和建立的虚拟力场为空间机器人提供虚拟力反馈信息，以降低因通信时延存在对遥操作的影响，组织遥操作对象的末端与空间环境发生不必要的碰撞，以达到快速、安全地完成空间遥操作任务的目的。

Description

一种速度型虚拟力反馈动态辅助的空间遥操作方法

技术领域

本发明属于空间机器人领域和远程操作领域，具体涉及一种速度型虚拟力反馈动态辅助的空间遥操作方法，将速度型虚拟力反馈所产生的反馈力应用于对空间机器人的遥操作中，动态地提供虚拟力反馈信息，以实现对空间机器人的远程操作辅助。 

背景技术

随着人类对空间探索的不断深入，使用空间机器人来完成各类空间任务是空间发展趋势。针对有人工智能参与的遥操作，操作者通过交互设备向遥操作对象发出控制命令，由于时延的存在，滞后的视觉、力觉等反馈信息无法为操作者提供实时的临场感，容易误导操作者的操作行为，进而影响遥操作任务的安全执行。采用虚拟力反馈的方法，可以增强操作临场感，提高遥操作的安全性。作为一种“虚拟的”约束，虚拟力反馈以一定的区域形式存在于空间遥操作对象的仿真环境中，用于产生额外虚拟的临场感信息（力觉信息、视觉信息等），以引导操作者的操作行为，减轻操作者的操作压力。 

当前已知的虚拟力反馈一般以特定的图形管道应用于预测仿真环境中，均为位置型虚拟力反馈。在仿真环境中，通过观察操作对象末端与虚拟力反馈区域的相对位置，为操作者提供视觉信息；此外，操作对象末端与虚拟力反馈区域之间发生接触，可按照特定的力场规则为操作者提供相应的力反馈信息，通过相关设备反馈给操作者，以引导、限制操作对象有效末端的运动。当前的虚拟力反馈完全独立于操作对象而存在，且图形特定，并没有充分利用操作对象末端的信息，只能依赖于事先构造好的虚拟力反馈区域产生相应辅助信息。尤其存在通信时延等不确定环境下，当前虚拟力反馈的方式辅助操作能力有限。 

发明内容

要解决的技术问题 

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种速度型虚拟力反馈动态辅助的空间遥操作方法，依赖于操作对象末端的当前位置和速度信息，虚拟力反馈区域时刻依附于操作对象的末端，并根据速度信息实时自动调节形状大小，实现对操作对象末端位置运动的预测，以适应通信时延存在的情况。 

技术方案 

一种速度型虚拟力反馈动态辅助的空间遥操作方法，其特征在于步骤如下： 

步骤1、构造空间机器人和空间操作环境作为仿真环境： 

根据表1中所示的D-H参数，基于C++利用三维图形接口软件OSG，构造一个6自由度空间机器人图形模型； 

基于C++利用三维图形接口软件OSG，构造一个边长为1000mm的正方形作为卫星本体、一对太阳能帆板，作为空间机器人的空间操作环境； 

表1 

i	αi-1	ai-1	di-1	θi
					1	0	0	177	90
2	-90	0	0	90
					3	0	985	0	0
4	90	0	0	90
					5	-90	0	-765	0
6	90	0	0	0
					7	0	0	382	0

表中，i由1到7分别表示空间机器人基座、连杆1到连杆6；α表示连杆的旋转角；a表示相邻两个关节轴的公垂线长度；d表示两个相邻的连杆公共关节轴线之间的距离；θ表示两个相邻连杆公共轴线旋转的夹角； 

步骤2：在空间机器人末端，构造一个速度型虚拟力反馈区域的球体，球体半径r＝r₀+||V_EE||·T_d，其中，T_d为天地间的单向时延；V_EE为操作对象末端的速度矢量；r₀为速度型虚拟力反馈区域的固定部分半径，包络操作对象末端； 

步骤3：将速度型虚拟力反馈添加到仿真环境中，使用基于触点代理的方向包围盒层次碰撞检测算法OBB进行碰撞检测，检测空间机器人末端的速度型虚拟力反馈区域，在（T+T_d）时刻操作对象末端运动状态是否与空间环境发生碰撞，并按照以下力场规则，实时生成碰撞力，应用到遥操作控制算法中，生成相应控制力信息； 

所述速度型虚拟力反馈产生的碰撞力为： 

${\mathrm{\ΔP}}_{-1}={\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_x}& \frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_y}& \frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_z}\end{array}\right]}^T$

式中，ΔP∈R^1×3表示当前碰撞点与虚拟力反馈球心的距离向量；k_v为碰撞力的速度系数；k_s为碰撞力的位置系数；V_{EE_r}表示遥操作对象末端与目标之间的相对速度；D_C为碰撞力方向的单位向量；D_v为当前时刻力反馈区域随操作末端运动方向的单位向量； 

步骤4：将产生的碰撞力应用于遥操作的双边位置速度PD控制算法中，计算公式为： 

F＝F_g+F_bc+F_fc

其中，F表示主手的期望刚度力信息，F_bc＝k_bc·ΔX+b_bc·ΔV，F_fc＝δ·(k_v·V_{EE_r}+k_s·ΔP_-1)，F_g为重力补偿，k_bc表示双边力F_bc的位置系数；b_bc表示双边力F_bc的速度阻尼系数；ΔX、ΔV分别为当前时刻主手和从手位置、速度之间的运动差异； 

有益效果 

本发明提出的一种速度型虚拟力反馈动态辅助的空间遥操作方法，建立空间遥操 作对象和空间环境的仿真模型，构造代表速度型虚拟力反馈的区域，根据遥操作对象末端的位置运动信息，动态地更改速度型虚拟力反馈区域形状的大小和位置，即力反馈区域随位置运动信息实时改变、质心实时依附于遥操作对象末端。根据速度型虚拟力反馈提供的视觉信息，利用图形碰撞检测方法和建立的虚拟力场为空间机器人提供虚拟力反馈信息，以降低因通信时延存在对遥操作的影响，组织遥操作对象的末端与空间环境发生不必要的碰撞，以达到快速、安全地完成空间遥操作任务的目的。 

本发明与现有技术相比，其突出特点在于：这项技术的应用对象是空间机器人；使用遥操作技术，将速度型虚拟力反馈动态产生的力信息作用于空间机器人，进行辅助遥操作；在对空间机器人进行遥操作过程中，利用OSG设定的虚拟曲面模拟真实物体，使用虚拟力反馈辅助，通过提供额外的视觉和力反馈信息，安全有效地控制空间机器人有效末端运动，快速、准确地完成空间遥操作任务；速度型虚拟力反馈相较于其他已知的虚拟力反馈，具有动态预测能力，时刻跟随操作对象的末端运动且大小随运动速度的快慢而变化，基于OBB图形碰撞检测方法检测速度型虚拟力反馈区域与空间环境的碰撞，产生的碰撞反馈力应用于遥操作控制中，实时为操作者提供额外的反馈阻力信息，以引导操作者降低操作速度，避免操作对象末端与空间环境发生真实碰撞。 

附图说明

图1速度型虚拟力反馈辅助空间机器人遥操作方法的流程图； 

图2速度型虚拟力反馈产生力反馈信息的流程图； 

图3速度型虚拟力反馈在仿真环境中的构型示意图； 

图4空间遥操作使用的控制算法结构图； 

其中图中，序号1表示空间机器人；序号2表示空间机器人的末端机构；序号3表示包络了空间机器人末端的虚拟力反馈区域的固定部分；序号4表示速度型虚拟力 反馈区域的整体。 

图5速度型虚拟力反馈的变化过程。 

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述： 

本发明实施例实现步骤如下： 

1.构造空间机器人和空间操作环境作为仿真环境：根据表1中所示的D-H参数，基于C++利用三维图形接口软件OSG，构造一个6自由度空间机器人图形模型；基于C++利用三维图形接口软件OSG，构造一个边长为1000mm的正方形作为卫星本体、一对太阳能帆板，作为空间机器人的操作环境。 

表1六自由度空间机器人D-H参数 

i	αi-1	ai-1	di-1	θi
					1	0	0	177	90
2	-90	0	0	90
					3	0	985	0	0
4	90	0	0	90
					5	-90	0	-765	0
6	90	0	0	0
					7	0	0	382	0

表中，i由1到7分别表示空间机器人基座、连杆1到连杆6；α表示连杆的旋转角；a表示相邻两个关节轴的公垂线长度；d表示两个相邻的连杆公共关节轴线之间的距离；θ表示两个相邻连杆公共轴线旋转的夹角。 

2.在空间机器人末端，构造一个速度型虚拟力反馈区域的球体，球体半径计算如下： 

r＝r₀+||V_EE||·T_d          (1) 

P_EE＝M_Rot·P_MC+M_Trans        (2) 

V_EE＝M_Rot·V_MC          (3) 

其中，r₀为速度型虚拟力反馈区域的固定部分半径，包络操作对象末端；M_Rot∈R^3×3表示空间的参考坐标系同设备的坐标系之间的旋转矩阵；M_Trans∈R^3×1表示参考坐标系 与设备的坐标系之间的平移矢量；遥操作对象末端在空间参考坐标系下的位置矢量为P_EE∈R^3×1，速度矢量为V_EE∈R^3×1，设备操作末端在设备的坐标系下输出位置记为P_MC∈R^3×1，速度记为V_MC∈R^3×1；天地间的前向时延和后向时延均表示为T_d。 

3.将速度型虚拟力反馈添加到仿真环境中，使用基于触点代理的方向包围盒层次碰撞检测算法（OBB）进行碰撞检测，检测包围着空间机器人末端的速度型虚拟力反馈区域，在（T+T_d）时刻操作对象末端运动状态是否与空间环境（卫星本体、太阳能帆板等）发生碰撞。按照一定的力场规则，实时生成碰撞力，应用到遥操作系统控制算法中，生成相应控制力信息，通过力反馈设备反馈给操作者，碰撞反馈力的计算如下： 

已知遥操作对象末端的位置信息P_EE和与目标之间的相对速度信息V_{EE_r}，记碰撞点的相对位置为P_C，D_C∈R^1×3为碰撞力方向的单位向量，则： 

$D_C=\frac{P_{\mathrm{EE}}-P_C}{\left|\right|P_{\mathrm{EE}}-P_C\left|\right|}---\left(4\right)$

记D_v∈R^1×3为当前时刻虚拟力反馈区域运动方向的单位向量，则： 

$D_v=\frac{V_{\mathrm{EE}\_r}}{\left|\right|V_{\mathrm{EE}\_r}\left|\right|}---\left(5\right)$

由速度型虚拟力反馈产生的碰撞力计算公式为： 

$V_{\mathrm{EE}\_r}=\left[\begin{array}{c}{v}_{x\_r}\\ v_{y\_r}\\ v_{z\_r}\end{array}\right],\mathrm{\ΔP}=P_C-P_{\mathrm{EE}}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{P}_x\\ \mathrm{\Δ}{P}_y\\ \mathrm{\Δ}{P}_z\end{array}\right]---\left(7\right)$

${\mathrm{\ΔP}}_{-1}={\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_x}& \frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_y}& \frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_z}\end{array}\right]}^T---\left(8\right)$

式中，ΔP∈R^1×3表示当前碰撞点与虚拟力反馈球心的距离向量；k_v为碰撞力的速 度系数；k_s为碰撞力的位置系数。其中： 

1）

时，速度型虚拟力反馈区域继续沿碰撞方向运动，此时产生碰撞阻力； 

2）

时，速度型虚拟力反馈区域沿碰撞相反方向运动，此时无碰撞阻力。 

不同位置可通过调整k_v和k_s的权重，来达到更好的碰撞阻力效果： 

1）当||ΔP||≥p₀时，一旦发生碰撞，是由于运动速度过快导致碰撞的发生。速度V_{EE_r}应在生成的碰撞阻力中应占较大权重，即提高|k_v|，降低|k_s|；其中，p₀为距离阈值； 

2）当||V_{EE_r}||＜v₀时，一旦发生碰撞，是由于速度型虚拟力反馈区域同空间物体距离太近导致碰撞的发生。中心点与碰撞点的距离应在生成的碰撞阻力中应占较大权重，即提高|k_s|，降低|k_v|；其中，v₀为速度阈值。 

4.当速度型虚拟力反馈区域与空间环境中的物体发生碰撞时，利用碰撞力算法，计算得到碰撞力且直接传递到主端。 

速度型虚拟力反馈辅助遥操作的双边位置速度PD控制算法计算公式中： 

F表示主手的期望刚度力信息，主手的内部控制使手控器能够为操作者提供期望刚度的感受力信息。 

F＝F_g+F_bc+F_fc          (9) 

其中，F_bc＝k_bc·ΔX+b_bc·ΔV，F_fc＝δ·(k_v·V_{EE_r}+k_s·ΔP_-1)； 

F_g为重力补偿；k_bc表示双边力F_bc的位置系数；b_bc表示双边力F_bc的速度阻尼系数；ΔX、ΔV分别为当前时刻主手和从手位置、速度之间的运动差异。 

本发明的一个具体实施例子是使用速度型虚拟力反馈，辅助空间机器人运动至目标星附近的停靠点位置，针对天地前向和后向通信时延均为T_d＝3s的情况。具体过程如下： 

1.构造虚拟场景： 

使用三维图形接口OSG对卫星本体、6自由度空间机器人和空间环境，进行建模仿真。其中，卫星本体包括正方形星体和一对长方形太阳能帆板，6自由度空间机器人的具体参数详见表1；空间环境用黑色背景代替。 

2.速度型虚拟力反馈的构造： 

1）使用OSG在空间环境中构造一个r₀＝80mm的固定球体部分，对操作对象末端进行包络，作为速度型虚拟力反馈区域的固定部分； 

2）根据公式(1)计算速度型虚拟力反馈在当前时刻的半径，并使用OSG时刻构造球体，其当前在空间坐标系下的位置与空间机器人末端一致。本实施方式中，设定操作对象末端相对于目标卫星平台的最大速度值||V_{EE_r}||_max＝50mm/s。 

速度型虚拟力反馈的固定球体部分可等效为遥操作对象末端，虚拟力反馈的球心坐标即为操作对象末端的坐标。一旦固定球体部分与空间环境发生碰撞，则为操作末端与环境发生真实的碰撞，区别于速度型虚拟力反馈为产生碰撞反馈力而与空间环境发生的碰撞。 

3.碰撞检测区域的设定： 

使用基于OBB图形碰撞检测方法，将速度型虚拟力反馈区域、空间环境等，设定为碰撞检测区域，其中将卫星本体设置为主要碰撞检测区域，具备独立的包围盒；太阳能帆板也具备各自的包围盒；将速度型虚拟力反馈进行三角片化处理，分化为30个三角片，与卫星平台进行实时的碰撞检测，能够保证足够的实时性和足够的检测精度。 

4.虚拟反馈力的生成： 

操作者通过力反馈设备，按照一定速度控制操作对象末端由初始点沿空间坐标系z轴负方向，运动至停靠点。其中，初始位置坐标P₀为(800.0,0.0,1500.0)，停靠点坐标 P_d为(800.0,0.0,750.0)，单位为mm。 

在操作过程中，一旦检测到碰撞的发生，则按照公式(4)～(8)产生相应的碰撞反馈力。 

实验中，对操作末端在x、y方向采用位置控制，z方向采用步骤7)中描述的控制方式。T_d＝3s；各方向的力计算公式如下： 

$F_h^x=-1.0\·\mathrm{\Δ}{X}_m^x-5.0\·\mathrm{\Δ}{V}_m^x---\left(10\right)$

$F_h^y=-1.0\·\mathrm{\Δ}{X}_m^y-5.0\·\mathrm{\Δ}{V}_m^y---\left(11\right)$

$F_h^z=F_g^z+0.005\·\mathrm{\Δ}{X}^z+0.02\·\mathrm{\Δ}{V}^z$

(12) 

$+\mathrm{\δ}\·(k_v{V}_{\mathrm{EE}}^z+k_s\mathrm{\Δ}{P}_{-1}^z)$

其中，当||ΔP||≥150mm时，k_v＝0.15，k_s＝0.05；当||V_EE||＜33mm/s时，k_v＝0.05k_s＝0.15；其他情况下，k_v＝0.1,k_s＝0.1；

5.近距离停靠实验： 

表示速度型虚拟力反馈区域的球星半径大小根据运动速度变化而变化，由于最高运动速度的限制，在初始运动时虚拟力反馈区域未与目标平台碰撞，无碰撞反馈力产生；当操作末端运动到一定位置时，虚拟力反馈区域与目标平台发生碰撞，产生碰撞反馈力。实验得到平均停靠时间为34.15s，平均停靠点坐标

为(800.0,0.0,749.15)。 

速度型虚拟力反馈的变化过程如图5所示：(a)表示运动初始时，由于没有运动速度，速度型虚拟力反馈区域仅表现为固定球体部分；(b)表示运动中，某一时刻速度型虚拟力反馈区域的状态；(c)表示速度型虚拟力反馈区域运动至与空间环境发生碰撞时的状态；(d)表示最终的停靠状态。 

Claims (1)

1.一种速度型虚拟力反馈动态辅助的空间遥操作方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、构造空间机器人和空间操作环境作为仿真环境：

根据表1中所示的D-H参数，基于C++利用三维图形接口软件OSG，构造一个6自由度空间机器人图形模型；

基于C++利用三维图形接口软件OSG，构造一个边长为1000mm的正方形作为卫星本体、一对太阳能帆板，作为空间机器人的空间操作环境；

表1

i α_i-1 a_i-1 d_i-1 θ_i 1 0 0 177 90 2 -90 0 0 90 3 0 985 0 0 4 90 0 0 90 5 -90 0 -765 0 6 90 0 0 0 7 0 0 382 0

表中，i由1到7分别表示空间机器人基座、连杆1到连杆6；α表示连杆的旋转角；a表示相邻两个关节轴的公垂线长度；d表示两个相邻的连杆公共关节轴线之间的距离；θ表示两个相邻连杆公共轴线旋转的夹角；

步骤2：在空间机器人末端，构造一个速度型虚拟力反馈区域的球体，球体半径r＝r₀+||V_EE||·T_d，其中，T_d为天地间的单向时延；V_EE为操作对象末端的速度矢量；r₀为速度型虚拟力反馈区域的固定部分半径，包络操作对象末端；

步骤3：将速度型虚拟力反馈添加到仿真环境中，使用基于触点代理的方向包围盒层次碰撞检测算法OBB进行碰撞检测，检测空间机器人末端的速度型虚拟力反馈区域，在（T+T_d）时刻操作对象末端运动状态是否与空间环境发生碰撞，并按照以下力场规则，实时生成碰撞力，应用到遥操作控制算法中，生成相应控制力信息；

所述速度型虚拟力反馈产生的碰撞力为：

${\mathrm{\ΔP}}_{-1}={\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_x}& \frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_y}& \frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_z}\end{array}\right]}^T$

式中，ΔP∈R^1×3表示当前碰撞点与虚拟力反馈球心的距离向量；k_v为碰撞力的速度系数；k_s为碰撞力的位置系数；V_{EE_r}表示遥操作对象末端与目标之间的相对速度；D_C为碰撞力方向的单位向量；D_v为当前时刻力反馈区域随操作末端运动方向的单位向量；

步骤4：将产生的碰撞力应用于遥操作的双边位置速度PD控制算法中，计算公式为：

F＝F_g+F_bc+F_fc

其中，F表示主手的期望刚度力信息，F_bc＝k_bc·ΔX+b_bc·ΔV，F_fc＝δ·(k_v·V_{EE_r}+k_s·ΔP_-1)，F_g为重力补偿，k_bc表示双边力F_bc的位置系数；b_bc表示双边力F_bc的速度阻尼系数；ΔX、ΔV分别为当前时刻主手和从手位置、速度之间的运动差异；

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