CN108214445B - 一种基于ros的主从异构遥操作控制系统 - Google Patents

一种基于ros的主从异构遥操作控制系统 Download PDF

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Abstract

一种基于ROS的主从异构遥操作控制系统，属于机器人主从遥操作技术领域。本发明解决主从异构控制中主从空间不一致的映射问题，并将ROS引入到控制系统中，为控制系统提供丰富的机器人工具包和便捷的通信系统。主端操作手通过主端控制器与示教盒串行通信，从端控制器通过网线与示教盒连接建立局域网，实现从端控制器和示教盒的数据交互，多个从端模块通过从端控制器实现运动控制；每个从端模块包括PMAC运动控制器、电机驱动器和从端机械臂；PMAC运动控制器与从端控制器通过网线连接，PMAC运动控制器通过电机驱动器驱动从端机械臂。本发明实现主端操作手控制从端机械臂进行精细化操作。还可仿真模拟主端操作手对从端机械臂的控制。

Description

一种基于ROS的主从异构遥操作控制系统
技术领域
本发明涉及一种基于ROS的主从异构遥操作控制系统，属于机器人主从遥操作技术领域。
技术背景
随着国家深海、深空战略的进一步实施，中国人正一步步向着人类自身不可抵达的空间迈进，人们也迫切需要机器人代替人类到达这些危险的环境，从事一些需要人类完成的事情。在此背景下，遥操作机器人、空间遥操作机械臂等成为研究的热点。遥操作技术是一种主从机械控制技术，人类通过控制主手的运动来达到控制从手的目的。
目前应用比较广泛，技术比较成熟的遥操作主从控制方法有两种，一种是通过旋转控制面板上的旋钮控制对应机械臂关节的控制方法，另一种是主端和从端结构相同的主从同构型遥操作机器人系统控制方法。这两种控制方法都属于关节空间控制方法，虽然技术实现简单，但前者用户的沉浸式体验较差，后者限制了从手设备类型的选择。主从异构的控制方法，同一种主手可以控制多种类型的从手设备，大大扩展了主从设备的可选范围，扩大了遥操作机器人的应用范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于ROS的主从异构遥操作控制系统，解决主从异构控制中主从空间不一致的映射问题，并将ROS引入到控制系统中，为控制系统提供丰富的机器人工具包和便捷的通信系统。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种基于ROS的主从异构遥操作控制系统，所述系统包括主端操作手、主端控制器、示教盒、从端控制器和多个从端模块，主端操作手通过主端控制器与示教盒串行通信，从端控制器通过网线与示教盒连接建立局域网，实现从端控制器和示教盒的数据交互，多个从端模块通过从端控制器实现运动控制；每个从端模块包括PMAC运动控制器、电机驱动器和从端机械臂；PMAC运动控制器与从端控制器通过网线连接，PMAC运动控制器通过电机驱动器驱动从端机械臂；
主端操作手用于实现空间六自由度运动，在关节处对应装有用于测量关节角度值的编码器；
主端控制器用于采集主端操作手的各个关节角度信息，通过运动学正解获得主端操作手末端相对于主端操作手的固定基座的位姿0Tm；
0Tm＝0A1·1A2…iAi+1…m-1Am (1)
式中：iAi+1为主端操作手上第i个关节的前后相邻杆件的位姿关系，m为主端操作手的关节总数；
主端控制器通过ESP32开发板中有三个通用异步收发传输(UART)控制器，利用串口将主端操作手的关节角度、末端位姿信息传输到所述示教盒；
示教盒用于按照预设的通信协议对主端控制器传来的数据(关节角度、末端位姿信息)进行解析，示教盒将解析到的主端操作手末端位姿关系按下面的格式再次打包成从端控制器能够识别的命令；利用ROS将所述的命令以消息的形式发送到从端控制器供其处理；
示教盒还用于与用户进行交互，在示教盒的显示屏上显示主端操作手各关节的当前角度值，能够将主端操作手的3D模型、主端操作手控制下的从端机械臂的3D模型动态显示在所述显示屏上；
从端控制器用于接收所述示教盒发来的命令，计算出从端机械臂每个关节需要运动的角度；
主端操作手笛卡尔空间下的位姿到从端机械臂笛卡尔空间下的位姿转换需要经过主从映射；所述主从映射为常比例和变比例控制方法相结合的混合空间映射；转换过程如下：
选择主从映射比例系数K1和K2，
对当前从端机械臂位置与目标点位置的距离d和主端操作手空间运动范围M做出判断，当d>M时，主端操作手末端相对于主端操作手固定基座的位姿0Tm和从端机械臂末端相对从端机械臂固定基座的位姿关系0Ts的映射关系为0Ts＝K1·0Tm，使从端机械臂迅速靠近目标点；
当d≤M，主端操作手末端相对于主端操作手固定基座的位姿0Tm和从端机械臂末端相对从端机械臂固定基座的位姿关系0Ts的映射关系(主从映射关系)为0Ts＝K2·0Tm，使从端机械臂进行精细的操作，准确到达目标点位置；
求出从端机械臂末端相对固定基座的位姿关系0Ts之后，通过运动学逆解，从笛卡尔空间再次转化到关节空间，去除不合适的解后求出从端机械臂各关节的运动角度，从端控制器将从端机械臂各关节的运动角度信息下发到PMAC运动控制器，进而通过电机驱动器驱动从端机械臂运动。
本发明具有以下有益效果：
本发明为一种主从异构遥操作技术的控制方案，它解决了遥操作领域主从异构控制的运动学、主从空间映射以及主从通信的问题，具体技术效果主要有以下三点：
1、本项目解决主从异构的方法是：先利用运动学正解将主端操作手的关节空间坐标转换成笛卡尔空间坐标，求得主端操作手末端相对于主端操作手固定基座的位姿；经过中间转换(1)得到从端机械臂末端相对于从端机械臂固定基座的位姿，再利用运动学逆解将笛卡尔空间坐标转换成从端机械臂的关节空间坐标，求得从端机械臂各关节需要动的角度。
0Ts＝K·0Tm (1)
0Ts表示从端操作手相对从端操作手固定基座的笛卡尔空间坐标；
0Tm表示主端操作手相对主端操作手固定基座的笛卡尔空间坐标；
K表示主从两端的某种空间映射关系；
2、通常情况下，主从异构控制存在主从设备工作空间不同的问题，需要特定的主从空间映射。本控制系统采用常比例和变比例控制方法相结合的混合空间映射方法。示教盒上设有两个档位，分别对应不同的K值(K1，K2)。当从端机械臂当前位置距目标点的距离大于主端操作手的工作空间时，取K＝K1，放大主端操作手的工作空间；等到接近目标点时再切换K＝K2，主端操作手控制从端机械臂进行精细化操作。
3、ROS全称为Robot Operating System，可应用于各种机器人系统，为其提供包含硬件抽象描述、公用功能的执行、底层驱动程序管理、程序发行包管理、程序间的消息传递等功能。本发明控制系统利用ROS方便的通信功能，将ROS运行于一台主机作为ROS系统服务器，从端机械臂由工控机控制，将从端控制器、ROS系统服务器及示教盒置于同一局域网内，通过示教盒向从端控制器发送命令，实现主从控制器的“握手”。利用ROS丰富的工具包，还可以在示教盒上进行从端机械臂运动的RVIZ显示，仿真模拟主端操作手对从端机械臂的控制。
附图说明
图1为本发明提及的主端操作手(被动主手)的结构简图，图1中标示出了七个笛卡尔坐标系；
图2为本发明提及的从端机械臂的结构原理图，图2中标示出了五个笛卡尔坐标系；
图3为本发明提及的另一种从端机械臂的结构原理图(可以是SCARA机器臂)，图3中标示出了五个笛卡尔坐标系；
图4为本发明的控制系统的结构框图；
图5为主从空间映射方案的流程图；
图6为基于ROS实现示教盒与从端控制器的交互通信原理图。
具体实施方式
如图1至图6所示，本实施方式所述的一种基于ROS的主从异构遥操作控制系统包括主端操作手(简称主手)、主端控制器、示教盒、从端控制器和多个从端模块，主端操作手通过主端控制器与示教盒串行通信，从端控制器通过网线与示教盒连接建立局域网，实现从端控制器和示教盒的数据交互，多个从端模块通过从端控制器实现运动控制；每个从端模块包括PMAC运动控制器、电机驱动器和从端机械臂(简称从手)；PMAC运动控制器与从端控制器通过网线连接，PMAC运动控制器通过电机驱动器驱动从端机械臂；
主端操作手用于实现空间六自由度运动，在关节处对应装有用于测量关节角度值的编码器；
主端控制器使用ESP32开发板为作开发平台，主端操作手关节处的多个编码器分别连接在ESP32开发板引脚上，通过配置ESP32开发板上的多组计数器单元，每组计数器单元对应记录主端操作手的一个关节角度值；
主端控制器用于采集主端操作手的各个关节角度信息，通过运动学正解获得主端操作手末端相对于主端操作手的固定基座的位姿0Tm；
0Tm＝0A1·1A2…iAi+1…m-1Am (1)
式中：iAi+1为主端操作手上第i个关节的前后相邻杆件的位姿关系，m为主端操作手的关节总数；
主端控制器通过ESP32开发板中有三个通用异步收发传输(UART)控制器，利用串口将主端操作手的关节角度、末端位姿信息传输到所述示教盒；
示教盒用于按照预设的通信协议对主端控制器传来的数据(关节角度、末端位姿信息)进行解析，示教盒将解析到的主端操作手末端位姿关系按下面的格式再次打包成从端控制器能够识别的命令；利用ROS将所述的命令以消息的形式发送到从端控制器供其处理；
示教盒还用于与用户进行交互，在示教盒的显示屏上显示主端操作手各关节的当前角度值，能够将主端操作手的3D模型、主端操作手控制下的从端机械臂的3D模型动态显示在所述显示屏上；
从端控制器用于接收所述示教盒发来的命令，计算出从端机械臂每个关节需要运动的角度；
主端操作手笛卡尔空间下的位姿到从端机械臂笛卡尔空间下的位姿转换需要经过主从映射；所述主从映射为常比例和变比例控制方法相结合的混合空间映射；转换过程如下：
选择主从映射比例系数K1和K2，
对当前从端机械臂位置与目标点位置的距离d和主端操作手空间运动范围M做出判断，当d>M时，主端操作手末端相对于主端操作手固定基座的位姿0Tm和从端机械臂末端相对从端机械臂固定基座的位姿关系0Ts的映射关系为0Ts＝K1·0Tm，使从端机械臂迅速靠近目标点；
K1目的是将主手的空间运动范围扩大，以适合从手的运动范围，达到迅速靠近目标点的目的；
当d≤M，主端操作手末端相对于主端操作手固定基座的位姿0Tm和从端机械臂末端相对从端机械臂固定基座的位姿关系0Ts的映射关系(主从映射关系)为0Ts＝K2·0Tm，使从端机械臂进行精细的操作，准确到达目标点位置；
求出从端机械臂末端相对固定基座的位姿关系0Ts之后，通过运动学逆解，从笛卡尔空间再次转化到关节空间，去除不合适的解后求出从端机械臂各关节的运动角度，从端控制器将从端机械臂各关节的运动角度信息下发到PMAC运动控制器，进而通过电机驱动器驱动从端机械臂运动。
从端控制器和示教盒的数据交互的过程为：
示教盒和从手控制器的通信基于ROS实现的，同时基于ROS在示教盒实时动态仿真显示从端机械臂3D模型；
所述示教盒和从端控制器分别创建：节点1和节点2；节点1将包含有主端位姿关系0Tm的命令以消息的形式发布到局域网上的话题1，节点2则订阅所述话题1实现示教盒与从端控制器的通信；
从端控制器在通过运动学逆解求得从端机械臂各关节运动角度后一方面发送到PMAC运动控制器，另一方面发布消息到局域网上的另一话题2由节点1订阅，示教盒在得到从端机械臂各关节的运动角度后利用ROS的RVIZ模块在屏幕上仿真显示从端机械臂的运动状态。
示教盒将解析到的主端操作手末端位姿关系按下面的格式再次打包成从端控制器能够识别的命令为：“ID号+COMMAND+TARGET+DATA+UNIT”，ID号为从端模块的标志号，COMMAND表示从端控制器获悉处理示教盒发送数据的方式，TARGET表示目标点位置，DATA表示示教盒发送的数据内容，UNIT表示数据单位。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.一种基于ROS的主从异构遥操作控制系统，其特征在于，所述系统包括主端操作手、主端控制器、示教盒、从端控制器和多个从端模块，主端操作手通过主端控制器与示教盒串行通信，从端控制器通过网线与示教盒连接建立局域网，实现从端控制器和示教盒的数据交互，多个从端模块通过从端控制器实现运动控制；每个从端模块包括PMAC运动控制器、电机驱动器和从端机械臂；PMAC运动控制器与从端控制器通过网线连接，PMAC运动控制器通过电机驱动器驱动从端机械臂；
主端操作手用于实现空间六自由度运动，在关节处对应装有用于测量关节角度值的编码器；
主端控制器用于采集主端操作手的各个关节角度信息，通过运动学正解获得主端操作手末端相对于主端操作手的固定基座的位姿0Tm；
0Tm＝0A1·1A2…iAi+1…m-1Am (1)
式中：iAi+1为主端操作手上第i个关节的前后相邻杆件的位姿关系，m为主端操作手的关节总数；
主端控制器通过ESP32开发板中有三个通用异步收发传输控制器，利用串口将主端操作手的关节角度、末端位姿信息传输到所述示教盒；
示教盒用于按照预设的通信协议对主端控制器传来的数据进行解析，示教盒将解析到的主端操作手末端位姿关系按下面的格式再次打包成从端控制器能够识别的命令；利用ROS将所述的命令以消息的形式发送到从端控制器供其处理；
所述示教盒将解析到的主端操作手末端位姿关系按下面的格式再次打包成从端控制器能够识别的命令为：“ID号+COMMAND+TARGET+DATA+UNIT”，ID号为从端模块的标志号，COMMAND表示从端控制器获悉处理示教盒发送数据的方式，TARGET表示目标点位置，DATA表示示教盒发送的数据内容，UNIT表示数据单位；
示教盒还用于与用户进行交互，在示教盒的显示屏上显示主端操作手各关节的当前角度值，能够将主端操作手的3D模型、主端操作手控制下的从端机械臂的3D模型动态显示在所述显示屏上；
从端控制器用于接收所述示教盒发来的命令，计算出从端机械臂每个关节需要运动的角度；
主端操作手笛卡尔空间下的位姿到从端机械臂笛卡尔空间下的位姿转换需要经过主从映射；所述主从映射为常比例和变比例控制方法相结合的混合空间映射；转换过程如下：
选择主从映射比例系数K1和K2，
对当前从端机械臂位置与目标点位置的距离d和主端操作手空间运动范围M做出判断，当d＞M时，主端操作手末端相对于主端操作手固定基座的位姿0Tm和从端机械臂末端相对从端机械臂固定基座的位姿关系0Ts的映射关系为0Ts＝K1·0Tm，使从端机械臂迅速靠近目标点；
当d≤M，主端操作手末端相对于主端操作手固定基座的位姿0Tm和从端机械臂末端相对从端机械臂固定基座的位姿关系0Ts的映射关系为0Ts＝K2·0Tm，使从端机械臂进行精细的操作，准确到达目标点位置；
求出从端机械臂末端相对固定基座的位姿关系0Ts之后，通过运动学逆解，从笛卡尔空间再次转化到关节空间，去除不合适的解后求出从端机械臂各关节的运动角度，从端控制器将从端机械臂各关节的运动角度信息下发到PMAC运动控制器，进而通过电机驱动器驱动从端机械臂运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于ROS的主从异构遥操作控制系统，其特征在于，从端控制器和示教盒的数据交互的过程为：
示教盒和从手控制器的通信基于ROS实现的，同时基于ROS在示教盒实时动态仿真显示从端机械臂3D模型；
所述示教盒和从端控制器分别创建：节点1和节点2；节点1将包含有主端位姿关系0Tm的命令以消息的形式发布到局域网上的话题1，节点2则订阅所述话题1实现示教盒与从端控制器的通信；
从端控制器在通过运动学逆解求得从端机械臂各关节运动角度后一方面发送到PMAC运动控制器，另一方面发布消息到局域网上的另一话题2由节点1订阅，示教盒在得到从端机械臂各关节的运动角度后利用ROS的RVIZ模块在屏幕上仿真显示从端机械臂的运动状态。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于ROS的主从异构遥操作控制系统，其特征在于，所述主端控制器使用ESP32开发板为作开发平台，主端操作手关节处的多个编码器分别连接在ESP32开发板引脚上，通过配置ESP32开发板上的多组计数器单元，每组计数器单元对应记录主端操作手的一个关节角度值。
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