CN109531567A - 基于ros的遥操作欠驱动机械手控制系统 - Google Patents

基于ros的遥操作欠驱动机械手控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于ROS的遥操作欠驱动机械手控制系统，能够实现无人移动平台及采样机械手的远程操控作业，并提供视觉定位装置及语音装置，协作完成需要的抓取任务，其中上位机同时提供分布式操控界面，当上位机发出控制指令时，下位机能够完整的接受到指令并通过指令解析得到所需任务命令，并经过处理之后通过modbus总线通信将信号发送给运动控制卡，发送运动控制指令到驱动器，可靠完整的执行这一指令。在通信距离允许的范围内，上位机与下位机采用无线通信，下位机的不同进程之间采用socket进行数据传输，并与底层的驱动器之间采用modbus通信协议实现数据传输。

Description

基于ROS的遥操作欠驱动机械手控制系统
技术领域
本发明属于机械手控制系统技术领域，尤其涉及一种基于ROS的遥操作欠驱动机械手控制系统。
背景技术
无人移动平台由于无需人类直接参与，因此应用于危险、恶劣环境中的任务执行可以有效的降低人员伤亡。由于各种危险环境中采样的需求，地面无人平台得到了广泛的应用。
在无人平台上搭载机械手，能够实现特定的采样任务。但是无人移动采样平台工作环境复杂且距离操作人员的距离会很远，此时就需要对上位机和下位机功能的可靠性以及通信的稳定性提出较高的要求，要求上、下位机出现故障尤其是通信故障时能够自主修复或者通过操作人员在上位机手动修复。而在现有的机械手控制方法中，要实现这一目标，对硬件都会提出很高的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于ROS的遥操作欠驱动机械手控制系统，以解决目前远程操作机械手控制系统存在不够稳定、可靠，且出现故障时无法快速修复的技术问题。
为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明采用如下技术方案：
在一些可选的实施例中，提供一种基于ROS的遥操作欠驱动机械手控制系统，包括：
上位机，用于将工作模式及控制指令打包后下发至下位机，并获取所述下位机反馈的欠驱动机械手的状态信息；
下位机，用于对所述上位机下发的数据包进行解包并处理，将所述控制指令转换成驱动器能够识别的格式；
所述下位机包括：驱动器，用于根据所述控制指令驱动所述欠驱动机械手完成抓取操作。
在一些可选的实施例中，所述下位机还包括：视觉定位装置，用于检测所述欠驱动机械手的位置，以及获取待抓取目标的视频图像，并进行分析计算以获取目标抓取位置，并上传至所述上位机。
在一些可选的实施例中，所述下位机还包括：语音装置，用于向所述欠驱动机械手下发音频信息，以及获取所述欠驱动机械手反馈的音频信息。
在一些可选的实施例中，所述上位机包括：第一通信模块；所述第一通信模块包括：第一无线数传单元，用于与所述下位机采用无线通信方式进行数据传输；视频图像接收单元，用于接收所述视觉定位装置上传的待抓取目标的视频图像及目标抓取位置。
在一些可选的实施例中，所述下位机还包括：第二通信模块；所述第二通信模块包括：第二无线数传单元，用于与所述上位机采用无线通信方式进行数据传输；Modbus通信单元，用于与所述驱动器之间采用Modbus通信协议进行数据传输；所述下位机的不同进程之间采用socket进行数据传输。
在一些可选的实施例中，所述上位机还包括：控制界面及第一数据采集模块；所述控制界面，用于与操控人员进行交互；所述第一数据采集模块，用于采集上位机控制盒上的I/O开关及旋钮的状态；所述上位机根据所述控制界面及第一数据采集模块所采集的数据生成控制指令并下发至下位机。
在一些可选的实施例中，所述上位机还包括：配置模块，用于根据所述控制界面及第一数据采集模块所采集的数据，配置所述下位机的机械手抓取控制模式。
在一些可选的实施例中，所述下位机还包括：工控机及第二数据采集模块；工控机，用于采集所述下位机其他功能模块上传的数据，并发出执行命令；第二数据采集模块，用于检测所述下位机的工作数据以及所述欠驱动机械手的状态信息，并传输至所述工控机。
在一些可选的实施例中，所述上位机还包括：连接操控模块，用于当所述上位机接收开始指令时，令所述上位机与所述下位机通过无线连接，且当所述欠驱动机械手完成抓取操作且收回至初始位置时，断开所述上位机与所述下位机之间的无线连接。
在一些可选的实施例中，所述上位机还包括：修复模块，用于将所述上位机设置为客户端，所述下位机设置为服务器，对服务器进行访问，监测服务器的运行状态信息，并且在所述下位机出现故障时，查看所述下位机的出错信息并进行修复或关闭下位机部分功能或重启下位机。
本发明所带来的有益效果：不仅能够实现无人移动平台及采样机械手的远程操控作业，且控制系统及通信可靠、稳定；在保证整体可靠、稳定的同时，对硬件要求不高，降低成本；针对下位机控制出现故障需要修复的情况，通过远程操控，即可查错并进行快速修复，进一步保证控制系统的稳定性。
为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。
附图说明
图1是本发明基于ROS的遥操作欠驱动机械手控制系统的示意图；
图2是本发明基于ROS的遥操作欠驱动机械手控制系统的工作原理图；
图3是本发明上位机控制盒的示意图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。
如图1至3所示，在一些说明性的实施例中，提供一种基于ROS的遥操作欠驱动机械手控制系统，能够实现无人移动平台及采样机械手的远程操控作业，包括：上位机及下位机。
上位机，用于将工作模式及控制指令打包后下发至下位机，并获取下位机反馈的欠驱动机械手的状态信息。
下位机，用于对上位机下发的数据包进行解包并处理，将控制指令转换成驱动器能够识别的格式，驱动器根据控制指令驱动欠驱动机械手，从而实现抓取任务。
上位机包括：第一通信模块、控制界面、第一数据采集模块、电源、配置模块、连接操控模块及修复模块。
下位机包括：第二通信模块、工控机、第二数据采集模块、电源、驱动器、运动控制卡、视觉定位装置及语音装置。
第一通信模块包括：第一无线数传单元，用于与下位机的第二无线数传单元采用无线通信方式进行数据传输；视频图像接收单元，用于接收视觉定位装置上传的待抓取目标的视频图像及目标抓取位置。
第二通信模块包括：第二无线数传单元，用于与上位机的第一无线数传单元采用无线通信方式进行数据传输；Modbus通信单元，用于与驱动器之间采用Modbus通信协议进行数据传输；下位机的不同进程之间采用socket进行数据传输。
在通信距离允许的范围内，上位机与下位机采用无线通信。下位机的不同进程之间采用socket进行数据传输，并与底层的驱动器之间采用Modbus通信协议进行数据传输。通信方式更加可靠、稳定。
控制界面，用于与操控人员进行交互，通过Qt编写。第一数据采集模块，用于采集上位机控制盒上的I/O开关及旋钮的状态。上位机根据控制界面及第一数据采集模块所采集的数据生成控制指令并下发至下位机。
第二数据采集模块，用于检测下位机的工作数据以及欠驱动机械手的状态信息，并传输至工控机。驱动器，用于根据控制指令驱动欠驱动机械手完成抓取操作。工控机，用于采集下位机其他功能模块上传的数据，并发出执行命令，其他功能模块是指第二通信模块、第二数据采集模块、电源、驱动器、运动控制卡、视觉定位装置及语音装置。
当上位机，即上位机控制盒发出指令时，下位机能够完整的接受到指令并通过指令解析得到所需控制指令，并经过处理之后通过modbus总线通信将信号发送给运动控制卡，运动控制卡发送控制指令到驱动器，驱动器驱动欠驱动机械手可靠、完整的执行这一控制指令。
第一数据采集模块与第二数据采集模块均包括数据采集卡和传感器组。
视觉定位装置，用于检测所述欠驱动机械手的位置，以及获取待抓取目标的视频图像，并进行分析计算以获取目标抓取位置，并上传至所述上位机。视觉定位装置可选为CCD视觉定位装置或机器人视觉定位系统，视觉定位装置将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，并抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。
语音装置，用于向欠驱动机械手下发音频信息，以及获取欠驱动机械手反馈的音频信息。
视觉定位装置及语音装置协作完成需要的抓取任务。
本发明基于ROS的遥操作欠驱动机械手控制系统的工作流程如下：
首先，当上位机接收到开始指令时，将下位机和上位机通过无线连接，下位机通过视觉定位装置找到目标抓取位置，配置下位机上的欠驱动机械手抓取控制模式。上位机的配置模块，用于根据控制界面及第一数据采集模块所采集的数据，配置下位机的机械手抓取控制模式。
然后，启动机械手控制，驱动工控机控制欠驱动机械手实现遥操作。可通过上位机控制盒上的按钮向下位机发送调整命令。
然后，当检测到待抓取抓取目标时，上位机根据控制界面及第一数据采集模块所采集的数据生成控制指令下发到下位机，远程操作下位机至目标抓取位置，实时下发控制指令以调整欠驱动机械手姿态，调整抓取模式，开始抓取。
然后，当抓取任务结束后，将欠驱动机械手收回至初始位置，回到指定位置，同时将上位机与下位机之间的连接断开。上位机的连接操控模块，用于当上位机接收开始指令时，令上位机与下位机通过无线连接，且当欠驱动机械手完成抓取操作且收回至初始位置时，断开上位机与下位机之间的无线连接。使得系统更加可靠，且降低能耗。
具体操控时，操控人员首先通过控制界面设置完成与下位机的通信，然后使用控制界面或者上位机控制盒上的几组I/O开关选择不同的模式来对下位机进行初始配置，然后通过Qt界面或者旋钮对下位机输入运动指令。上位机根据数据传输协议将工作模式及控制指令打包成特定的格式后下发至下位机，下位机根据打包协议对传输进来的数据进行解包，经过对控制指令的判断处理，转换成驱动器能够接收的格式，通过Modbus通信协议将数据传输给驱动器，驱动前驱动机械手完成抓取任务。在抓取过程中，下位机会将机械手的状态信号通过无线数据传输协议反馈给上位机，上位机解包之后会实时读取欠驱动机械手状态信息。
针对下位机控制出现故障需要修复的情况，通过远程操作程序，上位机的修复模块将上位机设置为客户端，下位机设置为服务器，借助于无线连接，实现客户端对服务器的访问，监测服务器的运行状态信息，并且在下位机出现故障时，比如下位机某个控制程序模块出现严重错误，查看下位机的出错信息并进行修复或关闭下位机部分功能或重启下位机。上位机的修复模块对此案为进行针对性的修复，必要时可以控制下位机部分功能关闭或者整个系统的重启，使下位机恢复正常工作。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (10)

1.基于ROS的遥操作欠驱动机械手控制系统，其特征在于，包括：
上位机，用于将工作模式及控制指令打包后下发至下位机，并获取所述下位机反馈的欠驱动机械手的状态信息；
下位机，用于对所述上位机下发的数据包进行解包并处理，将所述控制指令转换成驱动器能够识别的格式；
所述下位机包括：驱动器，用于根据所述控制指令驱动所述欠驱动机械手完成抓取操作。
2.根据权利要求1所述的基于ROS的遥操作欠驱动机械手控制系统，其特征在于，所述下位机还包括：视觉定位装置，用于检测所述欠驱动机械手的位置，以及获取待抓取目标的视频图像，并进行分析计算以获取目标抓取位置，并上传至所述上位机。
3.根据权利要求2所述的基于ROS的遥操作欠驱动机械手控制系统，其特征在于，所述下位机还包括：语音装置，用于向所述欠驱动机械手下发音频信息，以及获取所述欠驱动机械手反馈的音频信息。
4.根据权利要求3所述的基于ROS的遥操作欠驱动机械手控制系统，其特征在于，所述上位机包括：第一通信模块；所述第一通信模块包括：
第一无线数传单元，用于与所述下位机采用无线通信方式进行数据传输；
视频图像接收单元，用于接收所述视觉定位装置上传的待抓取目标的视频图像及目标抓取位置。
5.根据权利要求4所述的基于ROS的遥操作欠驱动机械手控制系统，其特征在于，所述下位机还包括：第二通信模块；所述第二通信模块包括：
第二无线数传单元，用于与所述上位机采用无线通信方式进行数据传输；
Modbus通信单元，用于与所述驱动器之间采用Modbus通信协议进行数据传输；
所述下位机的不同进程之间采用socket进行数据传输。
6.根据权利要求4所述的基于ROS的遥操作欠驱动机械手控制系统，其特征在于，所述上位机还包括：控制界面及第一数据采集模块；
所述控制界面，用于与操控人员进行交互；
所述第一数据采集模块，用于采集上位机控制盒上的I/O开关及旋钮的状态；
所述上位机根据所述控制界面及第一数据采集模块所采集的数据生成控制指令并下发至下位机。
7.根据权利要求6所述的基于ROS的遥操作欠驱动机械手控制系统，其特征在于，所述上位机还包括：配置模块，用于根据所述控制界面及第一数据采集模块所采集的数据，配置所述下位机的机械手抓取控制模式。
8.根据权利要求7所述的基于ROS的遥操作欠驱动机械手控制系统，其特征在于，所述下位机还包括：工控机及第二数据采集模块；
工控机，用于采集所述下位机其他功能模块上传的数据，并发出执行命令；
第二数据采集模块，用于检测所述下位机的工作数据以及所述欠驱动机械手的状态信息，并传输至所述工控机。
9.根据权利要求8所述的基于ROS的遥操作欠驱动机械手控制系统，其特征在于，所述上位机还包括：连接操控模块，用于当所述上位机接收开始指令时，令所述上位机与所述下位机通过无线连接，且当所述欠驱动机械手完成抓取操作且收回至初始位置时，断开所述上位机与所述下位机之间的无线连接。
10.根据权利要求9所述的基于ROS的遥操作欠驱动机械手控制系统，其特征在于，所述上位机还包括：修复模块，用于将所述上位机设置为客户端，所述下位机设置为服务器，对服务器进行访问，监测服务器的运行状态信息，并且在所述下位机出现故障时，查看所述下位机的出错信息并进行修复或关闭下位机部分功能或重启下位机。
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