CN108161940B - 利用空间机械手操作系统实现人机协同拧松螺钉操作方法 - Google Patents

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Abstract

利用空间机械手操作系统实现人机协同拧松螺钉操作方法，属于空间机械手操作技术领域。以解决现有机器人无法对准和插入螺钉、难以完成拧螺钉操作的难题。本发明的方法包括两个工作环节，第一环节是航天员抓握手电钻示教拧被操作螺钉位置，第二个环节是机械手自主抓握手电钻拧被操作螺钉。航天员离线示教拧被操作螺钉的操作位置，航天员抓握手电钻放置在被操作螺钉位置，全局相机测量手电钻位置。机械手自主抓握手电钻拧螺钉，全局相机测量手电钻位姿、视觉实时伺服机械手运动，手电钻插入螺钉过程中机械手柔顺控制。本发明解决了对电动工具的抓握位姿控制、对被操作螺钉的精确对准、操作过程机械手的柔顺控制等难题。

Description

利用空间机械手操作系统实现人机协同拧松螺钉操作方法
技术领域
本发明涉及一种人机协同空间机械手拧松螺钉的方法，属于空间机械手操作技术领域。
背景技术
在过去三十几年里，随着空间实验室、空间站、探月以及深空探测与开发等领域的空间活动、空间设施的不断增加，空间机器人得到了迅速的发展，起到越来越重要的作用。针对空间站应用的大型机械手，如加拿大航天飞机机械手和国际空间站机械手、日本空间站机械手等，利用空间机器人完成大型设备的在轨搬运和装配等，极大地提高了空间设施的建造和运营效率。为了保障空间设施的可靠运行、延长在轨寿命，通过空间机器人对空间设施的捕获、维修维护、释放、回收等操作，是修复故障卫星、燃料补加、设备设计等的重要手段。
通过空间机械手与人类航天员协同完成大量危险、繁重、简单重复的空间操作，实现两者的互补，充分发挥实现人类航天员的智力、经验优势与机器人的环境适应性优势，将极大地提高空间操作的安全性和操作效率，空间机械手与人类航天员的协同作业是未来空间作业的重要方式。
空间操作的操作对象很多，但典型的作业动作包括抓握、对准、拔插、旋拧等，逐步实现每一个典型动作是实现空间维修作业的基础。其中机械手抓握电动工具拧松螺钉是一项重要的在轨维修作业任务。现有的空间机器人缺乏力感知和局部自主控制能力，难以实现对电动工具位姿可控的抓握、对螺钉的精确对准、操作工程机械手的柔顺控制等，无法完成拧松螺钉操作。
发明内容
本发明目的在于提出一种利用空间机械手操作系统实现人机协同拧松螺钉操作方法，以解决现有空间机器人难以实现对电动工具的抓握位姿控制、对螺钉的精确对准、操作过程机械手的柔顺控制等难题。
人类航天员示教电动工具的拧螺钉位姿，空间机械手基于视觉、力觉等自主完成拧松螺钉操作。该项发明验证了人类航天员与空间机械手协同开展空间在轨维修维护的可行性，应用领域包括空间站、月球基地、深空探测等。
实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
利用空间机械手操作系统实现人机协同拧松螺钉操作方法，所述的空间机械手操作系统包括支架、机械手、维修操作平台组件及全局相机，所述的机械手包括机械臂、灵巧手和连接法兰盘，所述的连接法兰盘、机械臂及灵巧手依次连接，所述的维修操作平台组件包括电动工具固定筒、被操作螺钉及维修操作平台，所述的电动工具固定筒固定在维修操作平台上，所述的被操作螺钉拧固在维修操作平台上，所述的维修操作平台与支架固定连接；所述的连接法兰盘与支架固定连接，机械手位于维修操作平台组件的上方，所述的全局相机固定在支架上并位于维修操作平台组件的侧上方；所述的方法包括如下步骤：
步骤一：航天员示教拧被操作螺钉工作位置；
电动工具插装在维修操作平台组件的电动工具固定筒内，位置点定义为A1，航天员抓握电动工具，并将电动工具从电动工具固定筒内提出，将对准工装放在电动工具的刀头前端，之后，放置在被操作螺钉上，借助对准工装保证电动工具的刀头与被操作螺钉对准，电动工具的刀头与被操作螺钉之间的间距为20mm，此时，电动工具的刀头位置定义为A4；
步骤二：全局相机识别航天员示教后的电动工具位姿；
航天员借助对准工装实现电动工具的刀头与被操作螺钉的对准、固定间距后，全局相机根据电动工具上的视觉靶标识别电动工具相对机械手的位姿，并将电动工具的该位姿传给机械手，用于机械手的运动；航天员完成示教后，将电动工具重新置于维修操作平台组件的电动工具固定筒内；
步骤三：机械手自主拧松被操作螺钉；
(a)在下达旋拧被操作螺钉任务指令后，机械臂、灵巧手上电，机械臂为位置控制模式、灵巧手为阻抗控制模式，机械臂由初始位置运动到抓握电动工具的位置A1后，灵巧手完成抓握电动工具操作；
(b)灵巧手在A1位置抓握电动工具固定筒内电动工具后，机械臂沿垂直方向上提150mm，定义为A2位置；
(c)机械臂运动到被操作螺钉正上方100mm的A3位置；
(d)到达A3位置后，全局相机测量电动工具的刀头相对灵巧手的位姿，机械臂运动到被操作螺钉正上方20mm的A4位置；
(e)机械臂由位置控制模式转换为阻抗控制模式，并由位置A4垂直向下运动20mm，到达被操作螺钉位置A5后，电动工具的刀头插入被操作螺钉；
(f)灵巧手扣动电动工具的扳机，实现拧松被操作螺钉操作；
(g)灵巧手完成拧松被操作螺钉操作后，机械臂垂直向上运动100mm，至位置点A3；
(h)灵巧手由阻抗控制切换至位置控制模式，机械臂运动到电动工具固定筒正上方150mm的A2位置；
(i)机械臂垂直向下运动150mm，至A1位置；
(j)灵巧手松开电动工具、电动工具进入电动工具固定筒内，机械臂垂直向上运动150mm；
(k)机械臂完成拧松被操作螺钉操作，回复至初始位置，任务完成。
本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明的利用空间机械手操作系统实现人机协同拧松螺钉操作方法，克服了灵巧手对电动工具抓握的重复性差和位姿不可控、电动工具末端难以对准被操作螺钉等难题，航天员离线示教操作位置、机械手基于多种传感反馈自主完成拧松螺钉操作，降低了航天员示教的工作强度，提高了操作成功率。
附图说明
图1是本发明的空间机械手操作系统装配图；
图2是本发明的机械手组成图；
图3是本发明的维修操作平台组件的组成图；
图4是本发明的电动工具组成图；
图5是示教示意图，电动工具的刀头放置在对准工装前端；
图6是示教示意图，电动工具的刀头插入在对准工装内；
图7是本发明的操作流程图；
图8是图1的A处局部放大图；
图9是图2的B处局部放大图；
图10是图3的C处局部放大图。
图中部件名称及标号如下：
支架1、机械手2、机械臂2-1、灵巧手2-2、连接法兰盘2-3、维修操作平台组件3、电动工具固定筒3-1、被操作螺钉3-2、维修操作平台3-3、全局相机4、电动工具5、抓握手柄5-1、扳机5-2、视觉靶标5-3、刀头5-4、电动工具机体5-5、对准工装6。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1-图10所示，本实施方式披露了一种利用空间机械手操作系统实现人机协同拧松螺钉操作方法，所述的空间机械手操作系统包括支架1、机械手2、维修操作平台组件3及全局相机4，所述的机械手2包括机械臂2-1(能够实现大范围操作)、灵巧手2-2(能够完成末端抓握)和连接法兰盘2-3，所述的连接法兰盘2-3、机械臂2-1及灵巧手2-2依次连接，所述的维修操作平台组件3包括电动工具固定筒3-1、被操作螺钉3-2及维修操作平台3-3，所述的电动工具固定筒3-1固定在维修操作平台3-3上，所述的被操作螺钉3-2拧固在维修操作平台3-3上，所述的维修操作平台3-3与支架1固定连接；所述的连接法兰盘2-3与支架1固定连接，机械手2位于维修操作平台组件3的上方，所述的全局相机4固定在支架1上并位于维修操作平台组件3的侧上方；所述的方法包括如下步骤：
步骤一：航天员示教拧被操作螺钉3-2工作位置；
电动工具5(手电钻)插装在维修操作平台组件3的电动工具固定筒3-1内，位置点定义为A1，航天员抓握电动工具5，并将电动工具5从电动工具固定筒3-1内提出，将对准工装6放在电动工具5的刀头5-4前端，之后，放置在被操作螺钉3-2上，借助对准工装6保证电动工具5的刀头5-4与被操作螺钉3-2对准，电动工具5的刀头5-4与被操作螺钉3-2之间的间距为20mm，此时，电动工具5的刀头5-4位置定义为A4；
步骤二：全局相机4识别航天员示教后的电动工具5位姿；
航天员借助对准工装6实现电动工具5的刀头5-4与被操作螺钉3-2的对准、固定间距后，全局相机4根据电动工具5上的视觉靶标5-3识别电动工具5相对机械手2的位姿，并将电动工具5的该位姿传给机械手2，用于机械手2的运动；航天员完成示教后，将电动工具5重新置于维修操作平台组件3的电动工具固定筒3-1内；
步骤三：机械手2自主拧松被操作螺钉3-2；
(a)在下达旋拧被操作螺钉3-2任务指令后，机械臂2-1、灵巧手2-2上电，机械臂2-1为位置控制模式、灵巧手2-2为阻抗控制模式，机械臂2-1由初始位置运动到抓握电动工具5的位置A1后，灵巧手2-2完成抓握电动工具5操作；
(b)灵巧手2-2在A1位置抓握电动工具固定筒3-1内电动工具5后，机械臂2-1沿垂直方向上提150mm，定义为A2位置；
(c)机械臂2-1运动到被操作螺钉3-2正上方100mm的A3位置；
(d)到达A3位置后，全局相机4测量电动工具5的刀头5-4相对灵巧手2-2的位姿，机械臂2-1运动到被操作螺钉3-2正上方20mm的A4位置；
(e)机械臂2-1由位置控制模式转换为阻抗控制模式，并由位置A4垂直向下运动20mm，到达被操作螺钉3-2位置A5后，电动工具5的刀头5-4插入被操作螺钉3-2；
(f)灵巧手2-2扣动电动工具5的扳机5-2，实现拧松被操作螺钉3-2操作；
(g)灵巧手2-2完成拧松被操作螺钉3-2操作后，机械臂2-1垂直向上运动100mm，至位置点A3；
(h)灵巧手2-2由阻抗控制切换至位置控制模式，机械臂2-1运动到电动工具固定筒3-1正上方150mm的A2位置；
(i)机械臂2-1垂直向下运动150mm，至A1位置；
(j)灵巧手2-2松开电动工具5、电动工具5进入电动工具固定筒3-1内，机械臂2-1垂直向上运动150mm；
(k)机械臂2-1完成拧松被操作螺钉3-2操作，回复至初始位置，任务完成。
本实施方式中，所述的拧松螺钉操作方法，实质上包括两个工作环节，第一环节是航天员抓握手电钻示教拧被操作螺钉3-2位置，第二个环节是机械手2自主抓握手电钻拧被操作螺钉3-2。
航天员示教过程，为离线示教、机械手2不运动，航天员抓握手电钻置于被操作螺钉3-2正上方，视觉靶标5-3布置在手电钻上，全局相机4测量并记录该位置；
电动工具5包括抓握手柄5-1、扳机5-2、刀头5-4、电动工具机体5-5及多个视觉靶标5-3，抓握手柄5-1设置在电动工具机体5-5尾部，电动工具机体5-5上设置有扳机5-2，电动工具机体5-5的前端设置有刀头5-4，所述的多个视觉靶标5-3分别布置在电动工具机体5-5上，全局相机4基于视觉靶标5-3测量可实现电动工具5的刀头5-4位姿测量。

Claims (1)

1.一种利用空间机械手操作系统实现人机协同拧松螺钉操作方法，所述的空间机械手操作系统包括支架(1)、机械手(2)、维修操作平台组件(3)及全局相机(4)，所述的机械手(2)包括机械臂(2-1)、灵巧手(2-2)和连接法兰盘(2-3)，所述的连接法兰盘(2-3)、机械臂(2-1)及灵巧手(2-2)依次连接，所述的维修操作平台组件(3)包括电动工具固定筒(3-1)、被操作螺钉(3-2)及维修操作平台(3-3)，所述的电动工具固定筒(3-1)固定在维修操作平台(3-3)上，所述的被操作螺钉(3-2)拧固在维修操作平台(3-3)上，所述的维修操作平台(3-3)与支架(1)固定连接；所述的连接法兰盘(2-3)与支架(1)固定连接，机械手(2)位于维修操作平台组件(3)的上方，所述的全局相机(4)固定在支架(1)上并位于维修操作平台组件(3)的侧上方；其特征在于：所述的方法包括如下步骤：
步骤一：航天员示教拧被操作螺钉(3-2)工作位置；
电动工具(5)插装在维修操作平台组件(3)的电动工具固定筒(3-1)内，位置点定义为A1，航天员抓握电动工具(5)，并将电动工具(5)从电动工具固定筒(3-1)内提出，将对准工装(6)放在电动工具(5)的刀头(5-4)前端，之后，放置在被操作螺钉(3-2)上，借助对准工装(6)保证电动工具(5)的刀头(5-4)与被操作螺钉(3-2)对准，电动工具(5)的刀头(5-4)与被操作螺钉(3-2)之间的间距为20mm，此时，电动工具(5)的刀头(5-4)位置定义为A4；
步骤二：全局相机(4)识别航天员示教后的电动工具(5)位姿；
航天员借助对准工装(6)实现电动工具(5)的刀头(5-4)与被操作螺钉(3-2)的对准、固定间距后，全局相机(4)根据电动工具(5)上的视觉靶标(5-3)识别电动工具(5)相对机械手(2)的位姿，并将电动工具(5)的该位姿传给机械手(2)，用于机械手(2)的运动；航天员完成示教后，将电动工具(5)重新置于维修操作平台组件(3)的电动工具固定筒(3-1)内；
步骤三：机械手(2)自主拧松被操作螺钉(3-2)；
(a)在下达旋拧被操作螺钉(3-2)任务指令后，机械臂(2-1)、灵巧手(2-2)上电，机械臂(2-1)为位置控制模式、灵巧手(2-2)为阻抗控制模式，机械臂(2-1)由初始位置运动到抓握电动工具(5)的位置A1后，灵巧手(2-2)完成抓握电动工具(5)操作；
(b)灵巧手(2-2)在A1位置抓握电动工具固定筒(3-1)内电动工具(5)后，机械臂(2-1)沿垂直方向上提150mm，定义为A2位置；
(c)机械臂(2-1)运动到被操作螺钉(3-2)正上方100mm的A3位置；
(d)到达A3位置后，全局相机(4)测量电动工具(5)的刀头(5-4)相对灵巧手(2-2)的位姿，机械臂(2-1)运动到被操作螺钉(3-2)正上方20mm的A4位置；
(e)机械臂(2-1)由位置控制模式转换为阻抗控制模式，并由位置A4垂直向下运动20mm，到达被操作螺钉(3-2)位置A5后，电动工具(5)的刀头(5-4)插入被操作螺钉(3-2)；
(f)灵巧手(2-2)扣动电动工具(5)的扳机(5-2)，实现拧松被操作螺钉(3-2)操作；
(g)灵巧手(2-2)完成拧松被操作螺钉(3-2)操作后，机械臂(2-1)垂直向上运动100mm，至位置点A3；
(h)灵巧手(2-2)由阻抗控制切换至位置控制模式，机械臂(2-1)运动到电动工具固定筒(3-1)正上方150mm的A2位置；
(i)机械臂(2-1)垂直向下运动150mm，至A1位置；
(j)灵巧手(2-2)松开电动工具(5)、电动工具(5)进入电动工具固定筒(3-1)内，机械臂(2-1)垂直向上运动150mm；
(k)机械臂(2-1)完成拧松被操作螺钉(3-2)操作，回复至初始位置，任务完成。
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