CN103722554B - 一种空间遥操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空间机器人遥操作方法，采用三维图形仿真验证、执行能力验证双验证方法保证空间遥操作指令安全性；采用预测仿真驱动三维模型为操作者提供实时视觉信息，采用双边控制技术为操作人员提供力觉信息而提升操作者临场感。具体思路为：空间遥操作指令发出端生成指令后，通过信息调度中心，将指令发送到三维图形仿真验证和计算能力验证两个验证端进行指令验证，其中三维图形仿真验证不仅作为空间遥操作系统的验证端，同时也为操作人员提供必要的视觉信息；另外在遥操作指令的生成环节，利用双边控制算法将空间机器人的运动状态和当前预测仿真模型的运动状态之差生成反馈力，施加给操作者，使操作者能够通过力感受判断空间机器人运动状态。

Description

一种空间遥操作方法
技术领域
本发明涉及一种空间遥操作方法，尤指一种空间机器人遥操作方法，可应用于空间机器人或地面机器人遥操作领域。
背景技术
随着人类空间活动的不断发展，航天飞机、宇宙飞船和空间站的建立，空间机器人技术越来越受到重视。在未来的空间活动中，将有大量的空间生产、空间加工、空间装配、空间维护和修理工作进行。这样大量的工作不可能仅仅依靠宇航员完成，必须充分利用空间机器人。因此，发展空间机器人技术可以大大减小宇航员从事危险工作的代价和成本。由于受到目前的机器人技术水平和人工智能水平的限制，实现在空间环境中完全自主工作的机器人仍然有很大困难，因此，必须由操作人员来远程控制机器人在未知空间环境中完成特定任务。这就需要一个高可靠的空间遥操作系统来协调远程机器人和操作人员的之间的工作，以保证远程机器人可以按人们的意志来完成任务。
通过空间遥操作系统，可以监视和控制远端的空间机器人，使得我们可以用空间机器人代替人类在空间环境执行任务。由于操作对象在远端，操作人员无法直接感知操作对象的状态，另外由于数据的传输和处理带来的时延会进一步影响操作者的临场感。因此空间遥操作技术最重要的问题就是克服时延，提升操作者的临场感。为此，空间遥操作系统需要为操作人员提供视觉信息、力信息、声音信息等，提升操作人员的临场感，使得操作人员能够更准确的感知远端操作对象的状态。
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，本发明提出一种空间机器人遥操作方法，用于解决空间机器人遥操作过程中克服时延和提升临场感的问题。保证空间遥操作安全性，同时为执行空间遥操作任务的操作人员提供视觉、力觉信息等，提升操作人员的临场感。
技术方案
一种空间机器人遥操作方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、构建空间遥操作验证端：
1、建立三维仿真验证端：根据空间机器人几何尺寸建立三维模型，根据空间机器人的质量、惯量、质心位置、连杆长度等动力学参数和控制器参数建立其动力学仿真数学模型；
2、建立执行能力验证端：在空间遥操作系统构架与远端空间机器人控制器相同的控制设备，并监测其输入和输出；
步骤2、采用具有力反馈功能的手控器设备作为主手，产生空间遥操作指令：操作前，先建立空间机器人与空间遥操作的通信，使空间遥操作系统能够获取空间机器人的关节角状态；当主手被施加Fh，然后以Tc的时间间隔进行以下步骤：
1、将主手自身的位置Pm对应为空间机器人末端的位置Pr，对应关系为Pr＝aPm，其中a为操作系数，a越大操作越灵敏；
2、利用Pr进行空间机器人运动学逆解运算，得到空间机器人的机械臂关节角θm，由于所得的逆解不唯一，选取与空间遥操作系统接收到的遥测关节角最接近的一组
3、将作为空间遥操作指令，发送到数据调度中心；
通过以上3步，生成以Tc为时间间隔的遥操作指令序列，数据调度中心将指令转发到三维仿真验证端和执行能力验证端；
步骤3、三维仿真验证端在接收到数据调度中心转发的指令后进行遥操作指令三维仿真验证：
1、在三维仿真验证端接收到遥操作指令后，将时间间隔Tc的指令序列进行插值，插值结果为时间间隔Td的仿真输入序列，作为动力学仿真数学模型的期望输入，进行动力学仿真计算，得到机器人的仿真输出关节角序列；所述Td<Tc；
2、当关节角序列存在关节角度、角速度超限时，则发送验证结果信息，用相应的错误类别标志码Me表示验证失败类别；若无则将仿真输出关节角序列进行运动学正解，得到笛卡尔空间运动序列；当笛卡尔空间运动存在位置、速度超限时，则发送验证结果信息，用相应错误类别标志码Me表示验证失败类型；若上述超限情况均没有，则视遥操作指令超限检测安全；
3、利用第1步所得到的仿真输出关节角运动序列，空间机器人的三维模型，采用OBB法进行碰撞检测，若存在碰撞情况，则发送验证结果信息，用相应的错误类别标志码Me表示验证失败类别，若无碰撞则视遥操作指令碰撞检测安全；
4、若第3～4步的遥操作指令的超限检测和碰撞检测均安全，则视为三维仿真验证成功，发送遥操作指令验证结果信息；
步骤4、空间机器人指令执行能力验证：将遥操作指令发送给步骤1所构建的本地控制设备，若控制器的输出超过机器人实际执行能力，或计算时间超过指令间隔，则视为执行能力验证失败，发送验证失败信息，用相应的错误类别标志码Me表示验证失败类别；反之，则发送遥操作指令执行能力验证成功信息；
步骤5、遥操作指令的处理：若步骤3和步骤4的检测结果均为成功，则将遥操作指令发送到空间机器人执行，否则向内部所有子系统发送紧急处理指令，其中包含紧急处理原因，若验证失败原因为发生碰撞，则在内部子系统发送紧急处理指令的同时向空间机器人发送紧急停止指令，停止机器人运动；
步骤6、以主手为力反馈设备，从手为远端空间机器人，采用双边控制算法生成手控器反馈力：
1、步骤5所发出的遥操作指令经过通信时延T1发送到从手，经历时延后从手接收到的指令表示为θsd；
2、从手的PD控制器获得输入指令θsd后，生成关节控制力矩τs，控制从手的运动，其中Fe为环境作用力；
3、从手将自身的关节角θs传递空间遥操作系统，经过数据调度中心转发给主手，期间的时延为T2，经历时延后主手接收到的关节角表示为θmd；
4、主手的PD控制器获得θmd后，经过运动学正解，得到真实的空间机器人末端位置Prd，与步骤2相反将Prd对应为手控器位置Pmd，即Pmd＝Prd/a，与当前手控器的位置Pm做差，生成主端反馈力Fmd，通过手控器施加给操作人员。
有益效果
本发明提出的一种空间机器人遥操作方法，采用三维图形仿真验证、执行能力验证双验证方法保证空间遥操作指令安全性；采用预测仿真驱动三维模型为操作者提供实时视觉信息，采用双边控制技术为操作人员提供力觉信息，从而提升操作者临场感。具体的思路为：空间遥操作指令发出端生成指令后，通过信息调度中心，将指令发送到三维图形仿真验证和计算能力验证两个验证端进行指令验证，若两个验证端的指令验证结果均为通过，则通过信息调度中心将遥操作指令发送到远端操作对象，若有任意验证端验证不通过，则空间遥操作系统采取内部紧急处理，该条指令不会发送到空间机器人；其中的三维图形仿真验证不仅作为空间遥操作系统的验证端，同时也为操作人员提供必要的视觉信息；另外在遥操作指令的生成环节，利用双边控制算法将空间机器人的运动状态和当前预测仿真模型的运动状态之差生成反馈力，施加给操作者，使操作者能够通过力感受判断空间机器人运动状态。
附图说明
图1：空间遥操作系统示意图
图2：遥操作指令生成流程
图3：单条遥操作指令安全性验证流程
图4：指令执行能力验证流程
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
具体的实现方式如下：
步骤1：构建空间遥操作验证端
本步骤的目的在于构建空间遥操作的三维仿真验证端和执行能力验证端，用于后续步骤指令安全性验证。
1、建立三维仿真验证端，根据空间机器人几何尺寸建立三维模型，根据空间机器人的质量、惯量、质心位置、连杆长度等动力学参数和控制器参数建立其动力学仿真数学模型，建立方法为本领域公知技术，在此不再赘述；
2、建立执行能力验证端，在空间遥操作系统构架与远端空间机器人控制器相同的控制设备，并监测其输入和输出。
步骤2：利用手控器产生空间遥操作指令
本步骤的目的在于生成遥操作指令，采用具有力反馈功能的手控器设备作为主手。
操作前，应建立空间机器人与空间遥操作的通信，使空间遥操作系统能够获取空间机器人的关节角状态。操作人员给主手施加Fh，在操作人员操作过程中，以Tc的时间间隔进行以下步骤：
1、获取主手自身的位置Pm；
2、将Pm对应为空间机器人末端的位置Pr，对应关系为Pr＝aPm，其中a为操作系数，a越大操作越灵敏；
3、利用Pr进行空间机器人运动学逆解运算，得到空间机器人的机械臂关节角θm，由于所得的逆解不唯一，选取与空间遥操作系统接收到的遥测关节角最接近的一组
4、将作为空间遥操作指令，发送到数据调度中心。
通过以上4步，可以生成以Tc为时间间隔的遥操作指令序列，数据调度中心将指令转发到三维仿真验证端和执行能力验证端。
步骤3：遥操作指令三维仿真验证
本步骤在接收到数据调度中心转发的指令后在三维仿真验证端进行。本步骤的目的在于对空间遥操作指令的安全性进行验证，对指令的关节角度、角速度限制，笛卡尔空间位置、速度限制进行检测，并对可能发生的碰撞进行检测。具体实施方法为：
1、在三维仿真验证端接收到遥操作指令后，将时间间隔Tc的指令序列进行插值，插值结果为时间间隔Td（Td<Tc）的仿真输入序列，作为动力学仿真数学模型的期望输入，进行动力学仿真计算，得到机器人的仿真输出关节角序列；
2、判断上步得到的机器人仿真输出关节角序列是否存在关节角度、角速度超限的情况，若有则发送验证结果信息，用相应的错误类别标志码Me表示验证失败类别；若无则将仿真输出关节角序列进行运动学正解，得到笛卡尔空间运动序列，判断其笛卡尔空间运动是否存在位置、速度超限的情况，若有则发送验证结果信息，用相应错误类别标志码Me表示验证失败类型；若上述超限情况均没有，则视遥操作指令超限检测安全；
3、利用第1步所得到的仿真输出关节角运动序列，空间机器人的三维模型，利用OBB法进行碰撞检测，若存在碰撞情况，则发送验证结果信息，用相应的错误类别标志码Me表示验证失败类别，若无碰撞则视遥操作指令碰撞检测安全；
4、若第3～4步的遥操作指令的超限检测和碰撞检测均安全，则视为三维仿真验证成功，发送遥操作指令验证结果信息。
步骤4：空间机器人指令执行能力验证
本步骤的目的在于对所发出的遥操作指令是否在空间机器人的执行能力范围，包括执行时间、关节力矩输出是否可达等进行检测。具体实施方法为：
将遥操作指令发发送给步骤1所构建的本地控制器，检测控制器的输出和计算时间，若控制器的输出超过机器人实际执行能力，或计算时间超过指令间隔，则视为执行能力验证失败，发送验证失败信息，用相应的错误类别标志码Me表示验证失败类别；反之，则发送遥操作指令执行能力验证成功信息。
步骤5：遥操作指令的处理
本步骤根据步骤3和步骤4的检测结果进行遥操作指令的处理，若步骤3和步骤4的检测结果均为成功，则将遥操作指令发送到空间机器人执行，否则向内部所有子系统发送紧急处理指令，其中包含紧急处理原因，若验证失败原因为发生碰撞，则在内部子系统发送紧急处理指令的同时向空间机器人发送紧急停止指令，停止机器人运动。
步骤6：采用双边控制算法生成手控器反馈力
采用双边控制算法，为操作人员提供力信息。具体实施方法为：
采用双边PD控制，具体结构如图2所示，其中的主手为力反馈设备，从手为远端空间机器人，具体步骤如下：
1、步骤5所发出的遥操作指令经过通信时延T1发送到从手，经历时延后从手接收到的指令表示为θsd；
2、从手的PD控制器获得输入指令θsd后，生成关节控制力矩τs，控制从手的运动，其中Fe为环境作用力；
3、从手将自身的关节角θs传递空间遥操作系统，经过数据调度中心转发给主手，期间的时延为T2，经历时延后主手接收到的关节角表示为θmd；
4、主手的PD控制器获得θmd后，经过运动学正解，得到真实的空间机器人末端位置Prd，与步骤2相反将Prd对应为手控器位置Pmd，即Pmd＝Prd/a，与当前手控器的位置Pm做差，生成主端反馈力Fmd，通过手控器施加给操作人员。
具体实施例：
步骤1：建立空间遥操作验证端
采用OpenSceneGraph建立空间机器人的三维模型；根据机器人动力学参数，采用拉格朗日法建立动力学数学模型，根据空间机器人的实际控制参数，建立仿真模型，建立方法为本领域公知技术；
在空间遥操作系统构架与空间机器人控制器相同的控制设备，控制设备的输入和输出接口与空间机器人保持一致。
步骤2：利用手控器生成遥操作指令
选用力反馈设备ForceDimensionDelta3作为主手，采用的双边控制算法为双边PD控制。操作者操作主手运动，通过该设备可以获取到设备末端三维位置信息Pm＝[XmYmZm]，将Pr＝[XrYrZr]对应为机器人末端的位置，二者之间的对应关系为：
Pr＝aPm
其中a为操作系数，a值越大，操作越灵敏，反之操作越细腻。本例中需要操作细腻程度较高，其值取0.2。
通过机器人运动学反解θm＝finv(Pr)可以得到对应的关节角，其中finv为机器人运动学反解方程，其解为8组，选取与当前机械臂关节角最接近的一组为 &theta; m * = &theta; 1 &theta; 2 &theta; 3 &theta; 4 &theta; 5 &theta; 6 .
生成的遥操作指令发送给数据调度中心，指令格式如下所示：
帧标记为0xA0，θ1～θ6为关节角，double类型。
上述过程每250ms生成1帧遥操作指令，发送到数据调度中心。
步骤3：遥操作指令三维仿真验证
遥操作指令经数据调度中心转发给三维仿真验证端，执行下列操作：
1、在三维仿真验证端接收到遥操作指令后，进行5次多项式插值，将250ms一帧的遥操作指令插值为25ms一帧的动力学仿真输入，插值结果作为动力学数学模型的控制期望输入，经仿真得到机器人的关节角运动序列；
2、判断上步得到的机器人关节角运动序列是否存在关节角度、角速度超限的情况，若有则发送验证结果信息，用相应的错误类别标志码表示错误类别，若无则将关节角运动序列进行运动学正解，得到笛卡尔空间运动序列，判断其笛卡尔空间运动是否存在位置、速度超限的情况，若有则发送验证结果信息，用相应错误类别标志码表示错误类别，若无则视遥操作指令超限检测安全，验证结果信息和错误类别标识码见如下：
帧标记 验证端 验证结果 错误类别标志码
byte byte byte byte
帧标记：1字节表示，三维仿真验证端为0xB0,执行能力验证端为0xB1；
验证端：1字节表示，同帧标记；
验证结果：1字节表示，验证通过为0x00，验证不通过为0xFF；
错误类别标志码：1字节表示，内容如下所示
0x00 验证通过
0x01 关节角度超限
0x02 关节角速度超限
0x04 末端位置超限
0x08 末端速度超限
0x10 发生碰撞
0x20 验证超时
3、利用动力学计算所得到的机器人关节角运动序列，驱动操作对象机器人的三维模型，利用OBB法进行碰撞检测，若存在碰撞情况，则发送验证失败信息，用相应的错误类别标志码表示错误类别，若无则视遥操作指令碰撞检测安全；
4、若第3～4步的遥操作指令的超限检测和碰撞检测均安全，则发送遥操作指令三维仿真验证成功信息。
步骤4：空间机器人指令执行能力验证
遥操作指令经数据调度中心转发到执行能力验证端，在本步进行下列操作：
将遥操作指令输入给本地控制器，检测控制器的输出和计算时间，若控制器的输出超过机器人实际执行能力，或计算时间超过指令间隔，则视为执行能力验证失败，发送验证结果信息，用相应的错误类别标志码表示失败类别；反之，则视执行能力验证成功，发送遥操作指令执行能力验证结果信息。
验证结果信息结构同步骤3，但其中错误类别标志码编码与上步不同，内容如下所示：
0x00 验证通过
0x40 控制输出超限
0x80 验证超时
步骤5：遥操作指令的处理
本步骤根据步骤3和步骤4的检测结果进行遥操作指令的处理，若步骤3和步骤4的检测结果均为成功，则将遥操作指令发送到空间机器人执行，否则向内部所有子系统发送紧急处理指令，其中包含紧急处理原因，若验证失败原因为发生碰撞，则在内部子系统发送紧急处理指令的同时向空间机器人发送紧急停止指令，停止机器人运动。
其中，紧急处理指令格式如下
帧标记：1字节表示，为0xC0；
发送方：1字节表示，数据调度中心则为0x00,系统监控端则为0xFF；
紧急处理原因：1字节表示，验证通过为0x00，验证不通过为0xFF；
0x00 三维仿真验证失败
0x01 执行能力验证失败
0x02 其他紧急事件
步骤6：采用双边控制算法生成手控器反馈力
1、步骤5所发出的遥操作指令经过通信时延T1发送到从手，经历时延后从手接收到的指令表示为θsd；
2、从手的PD控制器获得输入指令θsd后，生成关节控制力矩τs，控制从手的运动，其中Fe为环境作用力；
3、从手将自身的关节角θs传递空间遥操作系统，经过数据调度中心转发给主手，期间的时延为T2，经历时延后主手接收到的关节角表示为θmd；
主手的PD控制器获得θmd后，经过运动学正解，得到真实的空间机器人末端位置Prd，与步骤2相反将Prd对应为手控器位置Pmd，即Pmd＝Prd/a，与当前手控器的位置Pm做差，生成主端反馈力Fmd，通过手控器施加给操作人员。

Claims (1)

1.一种空间机器人遥操作方法，其特征在于步骤如下：
步骤一、构建空间遥操作验证端：
(1)建立三维仿真验证端：根据空间机器人几何尺寸建立三维模型，根据空间机器人的质量、惯量、质心位置、连杆长度等动力学参数和控制器参数建立其动力学仿真数学模型；
(2)建立执行能力验证端：在空间遥操作系统构架与远端空间机器人控制器相同的控制设备，并监测其输入和输出；
步骤二、采用具有力反馈功能的手控器设备作为主手，产生空间遥操作指令：操作前，先建立空间机器人与空间遥操作的通信，使空间遥操作系统能够获取空间机器人的关节角状态；当主手被施加Fh，然后以Tc的时间间隔进行以下步骤：
(1)将主手自身的位置Pm对应为空间机器人末端的位置Pr，对应关系为Pr＝aPm，其中a为操作系数，a越大操作越灵敏；
(2)利用Pr进行空间机器人运动学逆解运算，得到空间机器人的机械臂关节角θm，由于所得的逆解不唯一，选取与空间遥操作系统接收到的遥测关节角最接近的一组
(3)将作为空间遥操作指令，发送到数据调度中心；
通过步骤二中以上3步，生成以Tc为时间间隔的遥操作指令序列，数据调度中心将指令转发到三维仿真验证端和执行能力验证端；
步骤三、三维仿真验证端在接收到数据调度中心转发的指令后进行遥操作指令三维仿真验证：
(1)在三维仿真验证端接收到遥操作指令后，将时间间隔Tc的指令序列进行插值，插值结果为时间间隔Td的仿真输入序列，作为动力学仿真数学模型的期望输入，进行动力学仿真计算，得到机器人的仿真输出关节角序列；所述Td<Tc；
(2)当关节角序列存在关节角度、角速度超限时，则发送验证结果信息，用相应的错误类别标志码Me表示验证失败类别；若无则将仿真输出关节角序列进行运动学正解，得到笛卡尔空间运动序列；当笛卡尔空间运动存在位置、速度超限时，则发送验证结果信息，用相应错误类别标志码Me表示验证失败类型；若上述超限情况均没有，则视遥操作指令超限检测安全；
(3)利用步骤三中的第1步所得到的仿真输出关节角运动序列，空间机器人的三维模型，采用OBB法进行碰撞检测，若存在碰撞情况，则发送验证结果信息，用相应的错误类别标志码Me表示验证失败类别，若无碰撞则视遥操作指令碰撞检测安全；
(4)若步骤三中的第3～4步的遥操作指令的超限检测和碰撞检测均安全，则视为三维仿真验证成功，发送遥操作指令验证结果信息；
步骤四、空间机器人指令执行能力验证：将遥操作指令发送给步骤一所构建的本地控制设备，若控制器的输出超过机器人实际执行能力，或计算时间超过指令间隔，则视为执行能力验证失败，发送验证失败信息，用相应的错误类别标志码Me表示验证失败类别；反之，则发送遥操作指令执行能力验证成功信息；
步骤五、遥操作指令的处理：若步骤三和步骤四的检测结果均为成功，则将遥操作指令发送到空间机器人执行，否则向内部所有子系统发送紧急处理指令，其中包含紧急处理原因，若验证失败原因为发生碰撞，则在内部子系统发送紧急处理指令的同时向空间机器人发送紧急停止指令，停止机器人运动；
步骤六、以主手为力反馈设备，从手为远端空间机器人，采用双边控制算法生成手控器反馈力：
(1)步骤五所发出的遥操作指令经过通信时延T1发送到从手，经历时延后从手接收到的指令表示为θsd；
(2)从手的PD控制器获得输入指令θsd后，生成关节控制力矩τs，控制从手的运动，其中Fe为环境作用力；
(3)从手将自身的关节角θs传递空间遥操作系统，经过数据调度中心转发给主手，期间的时延为T2，经历时延后主手接收到的关节角表示为θmd；
(4)主手的PD控制器获得θmd后，经过运动学正解，得到真实的空间机器人末端位置Prd，与步骤二相反将Prd对应为手控器位置Pmd，即Pmd＝Prd/a，与当前手控器的位置Pm做差，生成主端反馈力Fmd，通过手控器施加给操作人员。
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