CN106504605A - 面向空间站机械臂力反馈遥操作训练的仿真控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向空间站机械臂力反馈遥操作训练的仿真控制系统，包括：三维力反馈控制手柄、以及通过数据通信模块与其相连接的PC仿真系统，所述三维力反馈控制手柄包括三维力反馈手柄位置信息采集模块、三维力反馈手柄控制板和三维力反馈电机驱动模块，所述PC仿真系统包括数据显示模块、仿真训练环境设置模块、三维虚拟环境场景模块、碰撞检测模块、虚拟运动路径规划模块和力反馈计算模块。本发明在虚拟的三维仿真的基础上，能够通过串口通信对虚拟机械臂进行遥操作仿真训练，并能够设置仿真训练环境，实时显示虚拟机械臂的训练参数状态，避免发生突发重大事故。
Description
技术领域
本发明涉及一种航天技术领域的控制系统，尤其涉及一种面向空间站机械臂力反馈遥操作训练的仿真控制系统。
背景技术
目前，最具代表性的空间站舱外机械臂是由加拿大和NASA联合研制的舱外移动服务系统，该系统初始安装在国际空间站的美国舱段上。此外，还有欧洲机械臂、日本机械臂、德国机械臂，这些空间站机械臂都已在空间站舱外活动中成功投入使用。研究人员通过遥操作控制平台实现对空间站机械臂遥操作，使空间站机械臂完成空间站舱外任务：空间站段位转位与辅助对接，悬停飞行器捕获与辅助对接，舱外设备安装、更换或维修等。在国内，天宫一号和二号的成功发射，表明我国的空间站已得到初步建设，但是要在空间站上实现在轨组装、在轨维修、货物搬运与转移、辅助航天员出舱活动，空间站机械臂是一项必不可少的技术。因此在后期的研制开发中，空间站机械臂技术是一项至关重要的技术。空间站机械臂并不能像工业机械臂进行现场调试，若是直接应用于航天领域成本、安全性的风险性非常大，因此十分有必要开发一套仿真控制系统，对空间站机械臂力反馈遥操作训练进行模拟仿真训练以避免重大事故的出现。
经过对现有文献的检索发现，中国专利号CN101630146B，公开日为2011.04.13，专利名称为：面向月球车远程遥操作的仿真控制系统，公开了一种面向月球车的远程遥操作的仿真控制系统，从控制层面具体说明了对远程月球车所要进行的遥操作的控制过程实现，并解决了在线实时仿真显示问题。但是，该发明的使用环境针对性强，远程月球车的遥操作环境与空间站机械臂的工作环境相差较大，且在遥操作训练中并没有提供力反馈。该发明的相关仿真环境不能解决空间站机械臂的力反馈遥操作训练问题。
因此，亟待解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种可有效降低空间站机械臂投入使用时在成本、可靠性、安全性上的风险，对机械臂实现有效、安全控制，模拟空间站机械臂在空间站舱外的任务操作的面向空间站机械臂力反馈遥操作训练的仿真控制系统。
技术方案：为实现以上目的，本发明一种面向空间站机械臂力反馈遥操作训练的仿真控制系统，包括：三维力反馈控制手柄、以及通过数据通信模块与其相连接的PC仿真系统，所述三维力反馈控制手柄包括三维力反馈手柄位置信息采集模块、三维力反馈手柄控制板和三维力反馈电机驱动模块，所述PC仿真系统包括数据显示模块、仿真训练环境设置模块、三维虚拟环境场景模块、碰撞检测模块、虚拟运动路径规划模块和力反馈计算模块；其中，所述三维力反馈手柄位置信息采集模块采集的位置信息通过数据通信模块传输至PC仿真系统，并在数据显示模块上显示；仿真训练环境设置模块中的仿真训练环境设置信息通过数据通信模块传输至三维力反馈电机驱动模块，同时，所述三维虚拟环境场景模块中实时显示虚拟机械臂和虚拟操作环境，其虚拟机械臂的遥操作位置信息则在数据显示模块中显示，所述碰撞检测模块为三维虚拟环境场景模块中的虚拟机械臂提供碰撞检测服务并显示碰撞提示，所述虚拟运动路径规划模块为虚拟机械臂提供运动学规划路径并使虚拟机械臂在虚拟操作环境中按照规定路径运动，所述力反馈计算模块实时计算反馈力大小并通过数据通信模块传输到三维力反馈手柄控制板，该三维力反馈手柄控制板驱动三维力反馈电机驱动模块，提供实时力反馈。
其中，所述三维力反馈手柄位置信息采集模块通过增量式光电编码器采集三维力反馈手柄运动角度位置信息，并将其位置信息通过数据通信模块传输至PC仿真系统，并在数据显示模块上显示。
优选的，所述三维力反馈电机驱动模块根据PC仿真系统中设置的仿真环境模式，由上位机PC发出指令，通过数据传输模块传输到三维力反馈手柄控制板，控制板输出不同占空比的PWM波形进行驱动。
再者，所述数据显示模块中显示内容包括三维力反馈手柄相对在运动初始位置时的X、Y和Z三个方向上的角度信息、三维力反馈手柄的反馈力大小、当前的仿真环境设置模式参数。
优选的，所述仿真训练环境设置模块根据空间站机械臂实现动作模拟设置机械臂力反馈遥操作训练仿真训练环境，仿真训练环境包括模拟机械臂抓取操作、机械臂人机工效实验环境、反馈力大小的预设置、机械臂运动速度设置。
再者，所述三维虚拟环境场景模块包括虚拟机械臂和虚拟操作环境，其中采用OpenGL图形库构建三维模型场景，根据三维力反馈手柄运动角度信息，由虚拟运动路径规划模块对虚拟机械臂进行运动解算，实时计算虚拟机械臂运动路径，并实时显示。
进一步，所述力反馈计算模块根据虚拟机械臂运动位置信息、碰撞信息，实时计算三维力反馈手柄的反馈力大小，并由PC仿真系统通过数据通信模块将其反馈力值传输到三维力反馈手柄控制板，驱动力反馈电机驱动模块输出。
优选的，所述数据通信模块将三维力反馈手柄控制板与PC仿真系统通过串口通信协议实现数据间的通信，串口端口参数由PC仿真系统配置。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：首先本发明在虚拟的三维仿真的基础上，能够通过串口通信对虚拟机械臂进行遥操作仿真训练，并能够设置仿真训练环境，实时显示虚拟机械臂的训练参数状态，避免发生突发重大事故；其次，本发明在进行机械臂遥操作训练提供实时力反馈信息，有效实现人机交互，增强临场感；再者，本发明对虚拟机械臂运动学解算，进行虚拟路径规划，能最大限度模拟真实机械臂，提供一种机械臂运动的最佳路径。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明一种面向空间站机械臂力反馈遥操作训练的仿真控制系统，包括：三维力反馈控制手柄、以及通过数据通信模块与其相连接的PC仿真系统。其中，三维力反馈控制手柄包括三维力反馈手柄位置信息采集模块、三维力反馈手柄控制板和三维力反馈电机驱动模块。PC仿真系统包括数据显示模块、仿真训练环境设置模块、三维虚拟环境场景模块、碰撞检测模块、虚拟运动路径规划模块和力反馈计算模块。
其中，所述三维力反馈手柄位置信息采集模块采集的位置信息通过数据通信模块传输至PC仿真系统，并在数据显示模块上显示；仿真训练环境设置模块中的仿真训练环境设置信息通过数据通信模块传输至三维力反馈电机驱动模块，同时，所述三维虚拟环境场景模块中实时显示虚拟机械臂和虚拟操作环境，其虚拟机械臂的遥操作位置信息则在数据显示模块中显示，所述碰撞检测模块为三维虚拟环境场景模块中的虚拟机械臂提供碰撞检测服务并显示碰撞提示，所述虚拟运动路径规划模块为虚拟机械臂提供运动学规划路径并使虚拟机械臂在虚拟操作环境中按照规定路径运动，所述力反馈计算模块实时计算反馈力大小并通过数据通信模块传输到三维力反馈手柄控制板，该三维力反馈手柄控制板驱动三维力反馈电机驱动模块，提供实时力反馈。
上述三维力反馈手柄位置信息采集模块通过增量式光电编码器采集三维力反馈手柄运动角度位置信息，并将其位置信息通过数据通信模块传输至PC仿真系统，并在数据显示模块上显示。具体的三维力反馈手柄控制板采用的是由意法半导体生产的基于ARMCortex-M3内核的STM32F103微控制器作为微处理器，通过芯片内部集成的正交编码计数模块对三个方向X、Y和Z上的编码器计数，采集三维力反馈手柄的三维角度位置信息，并通过串口通信将采集到的编码器计数值发送到PC。
本发明三维力反馈电机驱动模块根据PC仿真系统中设置的仿真环境模式，由上位机PC发出指令，通过数据传输模块传输到三维力反馈手柄控制板，控制板输出不同占空比的PWM波形进行驱动。具体的，三维力反馈电机驱动模块在X、Y和Z三个方向上使用的是均为Maxon空心杯有刷直流电机，电机型号均为RE30，并集成了相应的减速器。用于力反馈的电机驱动器选用的是与Maxon电机配套的ESCON 50/5直流伺服驱动器。电机的驱动电流由ESCON 50/5驱动器提供，驱动器的控制信号由STM32F103微控制器直接控制。该驱动器的控制信号包括：由STM32F103微控制器产生的PWM信号和由GPIO产生的控制电机转动方向的两个数字信号。
本发明中三维力反馈手柄位置信息采集模块，其中位置传感器采用的是与三维力反馈电机驱动模块中选用的Maxon电机配套的分辨率为500线的增量式光电编码器，该编码器输出为用于零点复位计数的差分信号以及正交的两相编码计数差分信号、控制电路对编码器输出信号进行预处理后，微控制器STM32F103通过系统设置正交编码计数模式对AB两相脉冲计数得到当前的三维力反馈手柄相对原始位置运动的角度，并将其存储及通过串口发送至PC仿真系统终端。
本发明的仿真训练环境设置模块根据空间站机械臂实现动作模拟设置机械臂力反馈遥操作训练仿真训练环境，仿真训练环境包括模拟机械臂抓取操作、机械臂人机工效实验环境、反馈力大小的预设置、机械臂运动速度设置。通过设置不同的机械臂仿真训练环境，更加真实模拟空间站机械臂力反馈遥操作训练场景，训练者通过对不同环境下的反馈力、移动速度的训练，期望达到最佳的训练状态。
本发明中虚拟运动路径规划模块，是指PC仿真系统在接收到三维力反馈手柄三维角度位置信息后，该模块对虚拟机械臂进行运动学正向解运算，即由三维力反馈手柄的三个自由度的角度位置信息，解算出虚拟机械臂的末端位置，并实时更新虚拟机械臂的空间位置。
本发明中三维虚拟环境场景模块包括虚拟机械臂和虚拟操作环境，其中采用OpenGL图形库构建三维模型场景，根据三维力反馈手柄运动角度信息，由虚拟运动路径规划模块对虚拟机械臂进行运动解算，实时计算虚拟机械臂运动路径，并实时显示。具体的，根据虚拟运动路径规划模块对虚拟机械臂的空间运动规划轨迹，在Visual Studio C++平台上结合OpenGL图形库，将由3DMax建立的三维场景模型，如虚拟机械臂导入，构建初始化的虚拟机械臂力反馈遥操作训练场景。当三维虚拟场景中的虚拟机械臂的运动碰到场景中障碍物时，碰撞检测模块将会对虚拟场景中的物体进行碰撞检测并给出提示，三维虚拟环境场景模块将根据碰撞检测提示实时对虚拟机械臂的末端碰撞表面进行碰撞变形处理，对虚拟机械臂的运动路径规划作出相应调整，实时改变虚拟场景中的物体的相对位置。同时，当碰撞检测模块检测到虚拟机械臂与障碍物之间发生碰撞时，力反馈计算模块将实时计算反馈力大小，并将其反馈力值由PC通过数据通信模块将其传输到三维力反馈手柄控制板，控制板对三维力反馈电机驱动参数做出调整，实现对力反馈手柄的反馈力大小调整，满足训练者对力反馈遥操作的最佳状态要求。
本发明的数据显示模块中显示内容包括三维力反馈手柄的三个方向上的运动角度位置信息，由于位置传感器使用的是增量式编码器，记录的角度位置信息是相对初始原点位置的相对运动角度，记录显示单位为度；该数据显示模块显示的内容还包括虚拟机械臂的当前位置坐标，抓取目标的当前位置坐标，以及三维力反馈手柄的反馈力大小值。显示模块中显示的三维力反馈手柄的三维角度位置、虚拟机械臂的当前位置坐标值以及三维力反馈手柄的反馈力值，实时为训练者提供最及时的反馈信息，方便三维力反馈手柄操作者更加简单有效地对虚拟机械臂进行遥操作训练，力反馈信息的提供增加了训练的真实感。具体的数据通信模块，采用的通信协议为RS232串口通信协议，实现该通信采用Prolific公司设计研发的用于RS232/USB双向转换器的处理芯片PL2303HX。三维力反馈手柄控制板与PC仿真系统之间的交换数据为：三维力反馈手柄控制板传输到PC仿真系统的三维力反馈手柄的三维运动角度位置信息，同时接收来自PC仿真系统的指令：设置有无反馈力指令、反馈力值。其中力反馈计算模块根据虚拟机械臂运动位置信息、碰撞信息，实时计算三维力反馈手柄的反馈力大小，并由PC仿真系统通过数据通信模块将其反馈力值传输到三维力反馈手柄控制板，驱动力反馈电机驱动模块输出。
工作过程：本发明三维力反馈控制手柄和PC仿真系统之间的数据交换采用串口通信的方式。当整个系统上电之后，三维力反馈手柄控制板以及三维力反馈电机驱动模块均初始化，初始化结束之后将处在待机状态，由PC上位机建立与三维力反馈手柄控制板之间的串口通信。通信建立成功，三维力反馈手柄控制板将按照的一定的波特率实时发送采集到的三维力反馈手柄运动的三维角度位置信息到上位机PC，同时，上位机PC将预设置的反馈力大小设置参数发送到三维力手柄控制板，仿真环境的参数设置以及三维力反馈手柄三维角度信息在数据显示模块中实时显示。在PC仿真系统中，虚拟运动路径规划模块根据接收到的三维力反馈手柄的三维角度位置信息实时对虚拟环境下的机械臂进行空间运动路径的规划，同时，由于虚拟环境中存在障碍物和目标物体，利用碰撞检测模块提供的碰撞检测信息，实时对虚拟三维力反馈手柄做出碰撞检测提示，并合理规划运动路径，最后在三维虚拟环境场景模块中实时显示。同时，力反馈计算模块根据虚拟机械臂的运动碰撞信息实时计算机械臂反馈力大小，并由PC上位机通过数据通信模块传输至三维力反馈手柄控制板，以驱动三维力反馈电机驱动模块实现力反馈输出。
Claims (8)
1.一种面向空间站机械臂力反馈遥操作训练的仿真控制系统，其特征在于，包括：三维力反馈控制手柄、以及通过数据通信模块与其相连接的PC仿真系统，所述三维力反馈控制手柄包括三维力反馈手柄位置信息采集模块、三维力反馈手柄控制板和三维力反馈电机驱动模块，所述PC仿真系统包括数据显示模块、仿真训练环境设置模块、三维虚拟环境场景模块、碰撞检测模块、虚拟运动路径规划模块和力反馈计算模块；其中，所述三维力反馈手柄位置信息采集模块采集的位置信息通过数据通信模块传输至PC仿真系统，并在数据显示模块上显示；仿真训练环境设置模块中的仿真训练环境设置信息通过数据通信模块传输至三维力反馈电机驱动模块，同时，所述三维虚拟环境场景模块中实时显示虚拟机械臂和虚拟操作环境，其中虚拟机械臂的遥操作位置信息则在数据显示模块中显示；所述碰撞检测模块为三维虚拟环境场景模块中的虚拟机械臂提供碰撞检测服务并显示碰撞提示；所述虚拟运动路径规划模块为虚拟机械臂提供运动学规划路径并使虚拟机械臂在虚拟操作环境中按照规定路径运动；所述力反馈计算模块实时计算反馈力大小并通过数据通信模块传输到三维力反馈手柄控制板，该三维力反馈手柄控制板驱动三维力反馈电机驱动模块，提供实时力反馈。
2.根据权利要求1所述的面向空间站机械臂力反馈遥操作训练的仿真控制系统，其特征在于：所述三维力反馈手柄位置信息采集模块通过增量式光电编码器采集三维力反馈手柄运动角度位置信息，并将其位置信息通过数据通信模块传输至PC仿真系统，并在数据显示模块上显示。
3.根据权利要求1所述的面向空间站机械臂力反馈遥操作训练的仿真控制系统，其特征在于：所述三维力反馈电机驱动模块根据PC仿真系统中设置的仿真环境模式，由上位机PC发出指令，通过数据传输模块传输到三维力反馈手柄控制板，控制板输出不同占空比的PWM波形进行驱动。
4.根据权利要求1所述的面向空间站机械臂力反馈遥操作训练的仿真控制系统，其特征在于：所述数据显示模块中显示内容包括三维力反馈手柄相对在运动初始位置时的X、Y和Z三个方向上的角度信息、三维力反馈手柄的反馈力大小、当前的仿真环境设置模式参数。
5.根据权利要求1所述的面向空间站机械臂力反馈遥操作训练的仿真控制系统，其特征在于：所述仿真训练环境设置模块根据空间站机械臂实现动作模拟设置机械臂力反馈遥操作训练仿真训练环境，仿真训练环境包括模拟机械臂抓取操作、机械臂人机工效实验环境、反馈力大小的预设置、机械臂运动速度设置。
6.根据权利要求1所述的面向空间站机械臂力反馈遥操作训练的仿真控制系统，其特征在于：所述三维虚拟环境场景模块包括虚拟机械臂和虚拟操作环境，其中采用OpenGL图形库构建三维模型场景，根据三维力反馈手柄运动角度信息，由虚拟运动路径规划模块对虚拟机械臂进行运动解算，实时计算虚拟机械臂运动路径，并实时显示。
7.根据权利要求1所述的面向空间站机械臂力反馈遥操作训练的仿真控制系统，其特征在于：所述力反馈计算模块根据虚拟机械臂运动位置信息、碰撞信息，实时计算三维力反馈手柄的反馈力大小，并由PC仿真系统通过数据通信模块将其反馈力值传输到三维力反馈手柄控制板，驱动力反馈电机驱动模块输出。
8.根据权利要求1所述的面向空间站机械臂力反馈遥操作训练的仿真控制系统，其特征在于：所述数据通信模块将三维力反馈手柄控制板与PC仿真系统通过串口通信协议实现数据间的通信，串口端口参数由PC仿真系统配置。
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