CN107199566B - 一种基于虚拟手臂的面向空间站机器人的遥操作系统 - Google Patents

一种基于虚拟手臂的面向空间站机器人的遥操作系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟手臂的面向空间站机器人的遥操作系统，包括手臂关节运动测量模块、数据采集模块、数据传输模块和主运算处理模块，主运算处理模块包括数据滤波模块、手臂运动解算模块、机器人运动逆解算模块和虚拟场景渲染模块。本发明通过操作者的手臂动作直接控制遥操作机器人，大幅降低了对操作者操作技巧的要求，有效提高系统的人机功效。

Description

一种基于虚拟手臂的面向空间站机器人的遥操作系统
技术领域
本发明属于航空航天技术领域，特别涉及了一种面向空间站机器人的遥操作系统。
背景技术
随着科技的不断进步，人类的太空活动逐渐频繁，大量的工作和恶劣的太空环境给宇航员的操作带来了巨大的困难，但是目前研制的智能机器人，由于受到太空条件、传感控制技术等限制，让它们在未知或者复杂的环境下全自主式工作还是有风险的。因此，利用基于人机交互设备的空间站遥操作机器人来完成大量的太空任务，是长期而且有效的手段。空间站遥操作机器人已被广泛运用于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、更换或维修等空间站舱外任务。目前，欧美各国已相继研制出一系列空间站遥操作机器人，并在国际空间站舱外活动中成功投入使用。在国内，天宫一号和二号的成功发射，表明我国空间站的建设正在有序进行，遥操作机器人技术将被广泛应用。
人机交互设备是空间遥操作机器人系统中的重要组成部分，操作者可以通过它输入控制信息，也可以通过它获得空间机器人和环境的信息。输入的控制信息是通过测量操作者的运动和姿态得到的。目前，最具代表性的空间遥操作机器人的人机交互设备是多自由度力反馈手控器，如PHANTOM七自由度力反馈手控器。但这些设备对操作者的操作水平要求较高，人机功效较差，难以满足日益增长的空间站建设的需求。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种基于虚拟手臂的面向空间站机器人的遥操作系统，降低系统的操作复杂度，提高系统的人机交互能力。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种基于虚拟手臂的面向空间站机器人的遥操作系统，包括手臂关节运动测量模块、数据采集模块、数据传输模块和主运算处理模块，所述主运算处理模块包括数据滤波模块、手臂运动解算模块、机器人运动逆解算模块和虚拟场景渲染模块；手臂关节运动测量模块设置在操作者的手臂上，实时采集操作者手臂各关节的四元数，数据采集模块读取该四元数数据并转换为欧拉角，同时通过数据传输模块将欧拉角传输给数据滤波模块，数据滤波模块将接收到的欧拉角数据进行滤波后传送给手臂运动解算模块，手臂运动解算模块根据滤波后的欧拉角和虚拟手臂的尺寸，解算出虚拟手臂的手掌末端在三维空间坐标系中的运动轨迹，机器人运动逆解算模块将虚拟手臂的手掌末端在三维空间坐标系中的运动轨迹映射到空间站遥操作机器人的运动坐标系中，并计算出遥操作机器人的各部位关节角，用于控制空间站遥操作机器人的运动，虚拟场景渲染模块构建虚拟手臂和虚拟遥操作机器人的三维模型场景，并根据手臂运动解算模块、机器人运动逆解算模块输出的数据实施渲染虚拟手臂和虚拟遥操作机器的运动状态。
基于上述技术方案的优选方案，所述手臂关节运动测量模块包括3组MEMS传感器，分别设置在操作者手臂的肩关节、肘关节和腕关节处，实时采集这3个关节处的四元数。
基于上述技术方案的优选方案，所述数据滤波模块的滤波方法如下：
设Ui(n)＝[x(n),y(n),z(n)]T为输入数据滤波模块的欧拉角，其中x(n),y(n),z(n)分别为Ui(n)的肩关节、肘关节和腕关节的分量，上标T表示转置，则数据滤波模块输出的欧拉角Uo(n)＝[x′(n),y′(n),z′(n)]T：
上式中，x′(n),y′(n),z′(n)分别为Uo(n)的肩关节、肘关节和腕关节的输出分量，ai、bi、ci分别为滤波器系数，n表示当前时刻数据，N表示采样点数。
基于上述技术方案的优选方案，所述数据传输模块包括2组蓝牙通信接口模块，2组蓝牙通信接口模块建立无线连接，其中1组蓝牙通信接口模块与数据采集模块相连，另1组蓝牙通信接口模块与数据滤波模块相连，从而将欧拉角数据发送给数据滤波模块。
基于上述技术方案的优选方案，所述虚拟场景渲染模块采用OpenGL图形库构建虚拟手臂和虚拟遥操作机器人的三维模型场景。
基于上述技术方案的优选方案，所述主运算处理模块还包括数据显示模块，用于显示数据滤波模块输出的操作者手臂的欧拉角数据和机器人运动逆解算模块输出的遥操作机器人的各部位关节角数据。
采用上述技术方案带来的有益效果：
(1)本发明通过操作者的手臂动作直接控制遥操作机器人，大幅降低了对操作者操作技巧的要求，有效提高系统的人机功效；
(2)虚拟手臂的引入解决了因操不同作者手臂尺寸不同引起的解算误差，有效提高操作精度；
(3)数据滤波模块可有效消除由于操作者手臂抖动或MEMS传感器零漂带来的数据抖动，使解算数据更加稳定有利于遥操作机器人的控制；
(4)虚拟场景渲染模块显示的遥操作机器人运动状态是根据机器人运动逆解算模块的计算结果实时渲染得到的，与操作者的动作之间基本无时延，可有效辅助操作者快速调整动作，使遥操作机器人的控制过程更加直观，有利于在大时延环境下的遥操作机器人控制。
附图说明
图1是本发明的系统组成示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
一种基于虚拟手臂的面向空间站机器人的遥操作系统，如图1所示，包括手臂关节运动测量模块、数据采集模块、数据传输模块和主运算处理模块，所述主运算处理模块包括数据滤波模块、数据显示模块、手臂运动解算模块、机器人运动逆解算模块和虚拟场景渲染模块。
手臂关节运动测量模块包括3组MEMS传感器，分别设置在操作者手臂的肩关节、肘关节和腕关节处，实时采集这3个关节处的四元数。数据采集模块由微处理器最小系统构成，用于读取和转换手臂关节运动测量模块采集的数据。MEMS传感器采用MPU6050整合性6轴运动处理组件。数据采集模块采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103C8T6微控制器，通过I2C通信控制传感器工作并收集传感器采集的数据，然后将三个关节角的四元数转换为更为直观的欧拉角。
数据传输模块采用HC-05主从机一体蓝牙串口通信模块，将主、从机通过RS232串口与主运算处理模块和数据采集模块相连，将数据采集模块输出的欧拉角数据通过蓝牙发送至主运算处理模块。
数据滤波模块将接收到的欧拉角数据进行滤波，消除数据抖动，滤波方法如下：
设Ui(n)＝[x(n),y(n),z(n)]T为输入数据滤波模块的欧拉角，其中x(n),y(n),z(n)分别为Ui(n)的肩关节、肘关节和腕关节的分量，上标T表示转置，则数据滤波模块输出的欧拉角Uo(n)＝[x′(n),y′(n),z′(n)]T：
上式中，x′(n),y′(n),z′(n)分别为Uo(n)的肩关节、肘关节和腕关节的输出分量，ai、bi、ci分别为滤波器系数，n表示当前时刻数据，N表示采样点数。
手臂运动解算模块将滤波后的欧拉角数据映射到虚拟手臂的肩、肘、腕三个关节上，根据欧拉角和虚拟手臂的大臂、小臂和手掌的尺寸解算出虚拟手臂的手掌的末端在三维空间坐标系中的运动轨迹。其中，虚拟手臂各部位尺寸为预先设定，采用虚拟手臂解算运动轨迹可以避免不同操作者们手臂尺寸的差异造成运动轨迹解算的误差。
机器人运动逆解算模块将虚拟手臂的手掌末端三维空间坐标系中的运动轨迹映射到空间站遥操作机器人的运动坐标系中，通过逆解算计算出机器人的关节角，将其用于遥操作机器人控制。在逆解算实现方面，本发明利用目前已被开发的基于C++语言的KDL矩阵计算库函数，结合实际使用过程中的机器人各关节的连接关系构建对应了数学模型，完成逆解算过程.
虚拟场景渲染模块采用OpenGL图形库构建虚拟手臂和遥操作机器人的三维模型场景，根据操作者手臂的运动角度信息和逆解算模块计算出的机器人的关节角，实时渲染虚拟手臂和遥操作机器人的运动状态。具体的，虚拟手臂和遥操作机器人模型由3DMax建立，然后在Visual Studio C++平台上结合OpenGL图形库将这些模型导入并组装，构建初始虚拟场景。当PC终端接收到操作者手臂运动的数据且完成所有解算时，虚拟手臂和虚拟机器人各个关节将根据解算结果做出相应旋转动作，整个场景随后被重新渲染，保证了虚拟场景中的模型与操作者动作的一致性。
数据显示模块用于显示数据滤波模块输出的操作者手臂的欧拉角数据和机器人运动逆解算模块输出的遥操作机器人的各部位关节角数据等关键数据。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于虚拟手臂的面向空间站机器人的遥操作系统，其特征在于：包括手臂关节运动测量模块、数据采集模块、数据传输模块和主运算处理模块，所述主运算处理模块包括数据滤波模块、手臂运动解算模块、机器人运动逆解算模块和虚拟场景渲染模块；手臂关节运动测量模块设置在操作者的手臂上，实时采集操作者手臂各关节的四元数，数据采集模块读取该四元数数据并转换为欧拉角，同时通过数据传输模块将欧拉角传输给数据滤波模块，数据滤波模块将接收到的欧拉角数据进行滤波后传送给手臂运动解算模块，手臂运动解算模块根据滤波后的欧拉角和虚拟手臂的尺寸，解算出虚拟手臂的手掌末端在三维空间坐标系中的运动轨迹，机器人运动逆解算模块将虚拟手臂的手掌末端在三维空间坐标系中的运动轨迹映射到空间站遥操作机器人的运动坐标系中，并计算出遥操作机器人的各部位关节角，用于控制空间站遥操作机器人的运动，虚拟场景渲染模块构建虚拟手臂和虚拟遥操作机器人的三维模型场景，并根据手臂运动解算模块、机器人运动逆解算模块输出的数据实施渲染虚拟手臂和虚拟遥操作机器人的运动状态；
所述手臂关节运动测量模块包括3组MEMS传感器，分别设置在操作者手臂的肩关节、肘关节和腕关节处，实时采集这3个关节处的四元数；
手臂运动解算模块将滤波后的欧拉角数据映射到虚拟手臂的肩、肘、腕三个关节上，根据欧拉角和虚拟手臂的大臂、小臂和手掌的尺寸解算出虚拟手臂的手掌的末端在三维空间坐标系中的运动轨迹；其中，虚拟手臂各部位尺寸为预先设定，采用虚拟手臂解算运动轨迹可以避免不同操作者们手臂尺寸的差异造成运动轨迹解算的误差。
2.根据权利要求1所述基于虚拟手臂的面向空间站机器人的遥操作系统，其特征在于：所述数据滤波模块的滤波方法如下：
设Ui(n)＝[x(n),y(n),z(n)]T为输入数据滤波模块的欧拉角，其中x(n)，y(n)，z(n)分别为Ui(n)的肩关节、肘关节和腕关节的分量，上标T表示转置，则数据滤波模块输出的欧拉角U0(n)＝[x'(n),y'(n),z'(n)]T：
上式中，x'(n)，y'(n)，z'(n)分别为U0(n)的肩关节、肘关节和腕关节的输出分量，ai、bi、ci分别为滤波器系数，n表示当前时刻数据，N表示采样点数。
3.根据权利要求1所述基于虚拟手臂的面向空间站机器人的遥操作系统，其特征在于：所述数据传输模块包括2组蓝牙通信接口模块，2组蓝牙通信接口模块建立无线连接，其中1组蓝牙通信接口模块与数据采集模块相连，另1组蓝牙通信接口模块与数据滤波模块相连，从而将欧拉角数据发送给数据滤波模块。
4.根据权利要求1所述基于虚拟手臂的面向空间站机器人的遥操作系统，其特征在于：所述虚拟场景渲染模块采用OpenGL图形库构建虚拟手臂和虚拟遥操作机器人的三维模型场景。
5.根据权利要求1所述基于虚拟手臂的面向空间站机器人的遥操作系统，其特征在于：所述主运算处理模块还包括数据显示模块，用于显示数据滤波模块输出的操作者手臂的欧拉角数据和机器人运动逆解算模块输出的遥操作机器人的各部位关节角数据。
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