CN112148000B - 模拟空间维修机器人操作场景的舱内仿真平台及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟空间维修机器人操作场景的舱内仿真平台。主要包括通讯接口单元、显示控制单元、备用显示单元。本发明通过实时设备和非实时设备的互联、软件算法的应用，实现对舱外机器人的预置路径规划、预先仿真、场景演示、舱外实时监控、故障预案处理等功能。显示控制单元实现与通讯接口单元、下层机器人的数据交互、与航天员的人机交互、内置算法的实现等功能。备用显示单元由若干备用显示器组成，实现场景演示和实施监控的分屏显示。本发明同时公开了该舱内仿真平台的实现方法。本发明经济、高效地实现了空间维修机器人操作场景的舱内仿真模拟，实施容易，为有效保证和延长航天器的使用周期提供支撑。
Description
技术领域
本发明涉及空间机器人操作场景的动力学与场景仿真，具体是模拟空间维修机器人操作场景的舱内仿真平台及实现方法。
技术背景
随着空间科学技术的不断发展，在轨航天器系统(如卫星、空间站舱体、太阳帆板、天线等)的故障率、因需求变化而引起的废弃率都居高不下，如果航天器的设备和功能不能随着需求的改变而改变，航天器系统很可能在远没有达到寿命时就失去了实际效用。一般航天器的设计寿命往往在10年以上，但是当在轨航天器发生故障、需要更换、或者一次性可携带的消耗品消耗殆尽时，如果不能及时采取措施，航天器的使用周期也很可能就此终结。
因此，亟需开展在轨服务空间机器人的研究，以解决上述问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，针对空间维修机器人在轨操作场景，提供模拟空间维修机器人操作场景的舱内仿真平台及实现方法。
本发明的技术解决方案是：
一种模拟空间维修机器人操作场景的舱内仿真平台，包括：通讯接口单元、备用显示单元和显示控制单元；
通讯接口单元：接收舱内仿真平台上层节点或调试上位机发送的配置参数和任务指令，处理后发送给显示控制单元；将显示控制单元采集到的遥测数据，处理后回传给舱内仿真平台上层节点；
备用显示单元：与显示控制单元相连，对显示控制单元起到显示器扩展的功能；
显示控制单元：内部存储了机器人模型文件、环境模型文件、预先仿真动画软件、反馈仿真动画软件、视景仿真动画软件和实时舱外视频软件；接收下层机器人反馈的遥测数据，所述遥测数据包括下层机器人实际传感器的回传数据和舱外机器人手眼相机回传的视频流信息；
根据舱内仿真平台上层节点或调试上位机或航天员发送的任务指令，以预定轨迹和预设参数为输入，驱动预先仿真动画软件和视景仿真动画软件演示全局仿真动画和具有局部视角的视景仿真动画；
根据舱内仿真平台上层节点或调试上位机或航天员发送的任务指令，以下层机器人实际传感器的回传数据为输入，驱动反馈仿真动画软件和视景仿真动画软件演示全局仿真动画和具有局部视角的视景仿真动画；
以舱外机器人手眼相机回传的视频流信息为输入，驱动实时舱外视频软件显示舱外的实时视频；
航天员根据几组仿真动画演示结果、实时视频和遥测数据，判断任务是否正常执行，如果一切正常，则通过显示控制单元将预先规划好的指令数据发送给下层机器人机械臂；如果判断操作有误，则控制显示控制单元重新规划路径或直接进入手动末端操作模式，进行路径规划补救。
所述备用显示单元、显示控制单元均采用主备机形式，以提高可靠性。
航天员根据反馈仿真动画、视景仿真动画、实时舱外视频和遥测数据判断下层机器人运动遇障程度，若下层机器人与障碍物的碰撞点只有一个关节，则在当前点进入手动末端操作模式，航天员直接手动调节下层机器人的关节或末端，实现避障；若下层机器人与障碍物的碰撞点大于一个关节，则在当前点控制显示控制单元重新规划路径。
显示控制单元重新规划路径的方法如下：
步骤1：对下层机器人和环境的位形空间、障碍空间及工作空间进行描述；
位形是对机器人各个关节位置的一个完整描述，所有的位形组成的集合被称为位形空间，用Q表示，用关节变量q对Q进行参数化；
在当前点，与障碍物碰撞的所有机器人的位形空间组成的集合称为障碍空间，定义如下：
上式中，∪表示取并集，
表示与第i个空间障碍物碰撞的所有位形；
q∈Q表示每一个位形q都属于位形空间Q；
∩表示取交集，A(q)表示全部的机器人可调位形空间；
则工作空间表示为下面的差集：
上式中，Qfree表示自由空间或工作空间；
\表示取差集；
步骤2：基于人工势场法进行避障路径规划，把机器人的每个当前位形都定义为一个人工势场U(q)，它同时受到最终位形qf的吸引力，又受到来自障碍物位形
的排斥力，通过梯度下降法寻找U(q)的全局最小值，得到当前位形的关节角位置向量
步骤3：将当前位形的关节角位置向量存入无碰撞关节角序列，待航天员确认之后，显示控制单元将其发给下层机器人机械臂执行。
显示控制单元重新规划路径的方法如下：
以被测物体与障碍物的几何结构坐标为输入，进行基于层次包围盒碰撞检测的避障路径规划，得到是否有碰撞的输出响应Collision，
当各个关节都没有碰撞时，将该时刻的关节角位置存入无碰撞关节角序列，待航天员确认之后，显示控制单元将其发给下层机器人机械臂执行。
所述显示控制单元能够导入导出机器人模型文件、环境模型文件、动画程序文件和视频录像文件；为航天员提供任务选择、模式选择、规划算法选择、机械臂关键参数注入、零位标定、急停操作。
模拟空间维修机器人操作场景的舱内仿真平台实现方法，包括以下步骤：
步骤1：舱内仿真平台的显示控制单元初始化，之后加载所有预加载指令和预置参数；
步骤2：导入下层机器人模型文件、环境模型文件；
步骤3：航天员根据舱内仿真平台上层节点或调试上位机发送的任务指令，在显示控制单元中，进行任务选择、模式选择、规划算法选择、机械臂关键参数注入已经零位标定操作，完成后，进入步骤4；
步骤4：显示控制单元根据舱内仿真平台上层节点或调试上位机或航天员发送的任务指令，以预定轨迹和预设参数为输入，来驱动预先仿真动画软件和视景仿真动画软件演示全局仿真动画和具有局部视角的视景仿真动画；
步骤5：航天员判断预先仿真动画和视景仿真动画是否满足预期的运动轨迹且未与环境发生碰撞，若未达到预期，则返回到步骤2或步骤3，若达到预期，则发送给下层机器人进行执行；
步骤6：显示控制单元根据舱内仿真平台上层节点或调试上位机或航天员发送的任务指令，以下层机器人实际传感器的回传数据为输入，来驱动反馈仿真动画和视景仿真动画软件演示全局仿真动画和具有局部视角的视景仿真动画；
步骤7：显示控制单元以舱外机器人手眼相机回传的视频流信息为输入，来驱动实时舱外视频软件显示舱外的实时视频；
步骤8：显示控制单元对下层机器人回传的遥测信息进行关键遥测信息显示；
步骤9：航天员根据几组动画仿真演示结果、实时视频和遥测数据，判断任务是否正常执行；如果判断一切正常，则将规划好的指令数据发送给下层机器人的机械臂；如果判断操作有误，则及时中断发送指令，选择进入重新规划规划或手动末端操作模式，进行路径规划补救；
步骤10：航天员如果希望进行保存或绘图操作，显示控制单元能够根据航天员指令对动画、视频、遥测数据进行后处理操作。
本发明的优点在于：
本发明针对空间维修机器人在轨操作场景，提出了模拟空间维修机器人操作场景的舱内仿真平台及实现方法。通过预先仿真动画软件、反馈仿真动画软件、视景仿真动画软件和避障路径规划算法等，有效实现了不同操作任务和操作场景的空间维修机器人动画场景演示和任务交互，并且经济、实施容易，可以广泛应用于空间机器人的操作演示和任务交互等。可作为宇航员实现舱内外控制、监视和维修的中继平台，完成在轨服务机器人的控制、预演示、预显示功能，为有效保证和延长航天器的使用周期提供基础。
附图说明
图1为本发明模拟空间维修机器人操作场景的舱内仿真平台框图；
图2为本发明舱内仿真平台工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
为了展示空间维修机器人的舱外操作场景和建立舱内外的调度平台，本发明提出一种模拟空间维修机器人操作场景的舱内仿真平台。该仿真平台实现空间维修机器人的舱外操作场景演示和舱内外的调度。本发明舱内仿真平台由以下部分组成：通讯接口单元3、备用显示单元4、显示控制单元(主)5和显示控制单元(备)6。如图1所示。
通讯接口单元3：接收舱内仿真平台上层节点2或调试上位机发送的配置参数和任务指令，处理(协议处理、打包组帧)后发送给显示控制单元5；将显示控制单元5采集到的遥测数据，处理后回传给舱内仿真平台上层节点2。
备用显示单元4：由若干备用显示器组成，与显示控制单元(主)5和显示控制单元(备)6相连，对两个显示控制单元起到显示器扩展的功能，实现场景演示和实施监控的分屏显示。
显示控制单元(主)5：内部存储了机器人模型文件、环境模型文件、预先仿真动画软件、反馈仿真动画软件、视景仿真动画软件和实时舱外视频软件；接收下层机器人反馈的遥测数据，所述遥测数据包括下层机器人实际传感器的回传数据和舱外机器人手眼相机回传的视频流信息。
显示控制单元(主)5上运行桌面软件应用程序，包括主体界面框架软件、预先仿真动画软件、反馈仿真动画软件、视景仿真动画软件、实时舱外视频监控软件、通讯接口软件等。
显示控制单元(备)6与显示控制单元(主)5功能、硬件组成、接口形式和软件架构与显示控制单元(主)5完全一致，作为备份机使用。以提高可靠性。
根据舱内仿真平台上层节点2或调试上位机或航天员7发送的任务指令，以预定轨迹和预设参数为输入，驱动预先仿真动画软件和视景仿真动画软件演示全局仿真动画和具有局部视角的视景仿真动画。
根据舱内仿真平台上层节点2或调试上位机或航天员发送的任务指令，以下层机器人实际传感器的回传数据为输入，驱动反馈仿真动画软件和视景仿真动画软件演示全局仿真动画和具有局部视角的视景仿真动画。
以舱外机器人手眼相机回传的视频流信息为输入，驱动实时舱外视频软件显示舱外的实时视频。
航天员根据几组仿真动画演示结果、实时视频和遥测数据，判断任务是否正常执行，如果一切正常，则通过显示控制单元5将预先规划好的指令数据发送给下层机器人8；如果判断操作有误，则控制显示控制单元5重新规划路径或直接进入手动末端操作模式，进行路径规划补救。
航天员根据反馈仿真动画、视景仿真动画、实时舱外视频和遥测数据判断下层机器人运动遇障程度，若下层机器人与障碍物的碰撞点只有一个关节，则在当前点进入手动末端操作模式，航天员直接手动调节下层机器人的关节或末端，实现避障；若下层机器人与障碍物的碰撞点大于一个关节，则在当前点控制显示控制单元5重新规划路径。
显示控制单元5有两种重新规划路径的方法：
第一种，显示控制单元5重新规划路径的方法如下：
步骤1：对下层机器人和环境的位形空间、障碍空间及工作空间进行描述；
位形是对机器人各个关节位置的一个完整描述，所有的位形组成的集合被称为位形空间，用Q表示。可以用关节变量q对Q进行参数化，例如七自由度机器人使用q＝(θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6,θ7)可以表示一个位形。
在当前点，与障碍物碰撞的所有机器人的位形空间组成的集合称为障碍空间，定义如下：
上式中，∪表示取并集，
表示与第i个空间障碍物碰撞的所有位形，
表示与所有障碍物碰撞的所有位形空间；
q∈Q表示每一个位形q都属于位形空间Q；
∩表示取交集，A(q)表示全部的机器人可调位形空间；
则工作空间表示为下面的差集：
上式中，Qfree表示自由空间或工作空间；
\表示取差集；
步骤2：基于人工势场法的避障路径规划算法把机器人的每个当前位形都定义为一个人工势场U(q)，它同时受到最终位形qf的吸引力，又受到来自障碍物位形
的排斥力。它通过梯度下降法寻找势场U的全局最小值，可得当前位形的关节角位置向量
步骤3：将当前位形对应的关节角位置序列存入无碰撞关节角序列，待航天员确认之后，将其发给下层机器人执行。
第二种，显示控制单元5重新规划路径的方法如下：
显示控制单元5基于层次包围盒碰撞检测的避障路径规划算法对障碍物进行盒式包围来检测碰撞，通过构造简单包围体的树状层次结构，近似代替被测物体的几何模型，把对复杂被测物体的碰撞检测转化为对简单结构的包围体的检测。算法输入为被测物体与障碍物的几何结构坐标，能够给出是否有碰撞的输出响应Collision。
当各个关节都没有碰撞(Collision＝1)时，将该时刻的关节角位置存入无碰撞关节角序列，待航天员确认之后，将其发给下层机器人执行。
显示控制单元(主)5和显示控制单元(备)6能够导入导出机器人模型文件、环境模型文件、动画程序文件、视频录像文件；为航天员提供任务选择、模式选择、算法选择、机器人参数注入、零位标定、急停等操作。
在地面调试时，本发明还包括调试上位机1，用于模拟舱内仿真平台上层节点2和其他设备的功能，实现与通讯接口单元3进行通信，接收下层机器人8回传的数据信号，向通讯接口单元3发送舱内仿真平台上层节点2的任务指令。
如图2所示，模拟空间维修机器人操作场景的舱内仿真平台实现方法，包括以下步骤：
步骤1：舱内仿真平台显示控制单元5初始化，之后加载所有预加载指令和预置参数；
步骤2：导入下层机器人模型文件、环境模型文件，例如，可以导入ProE文件、Adams文件、OpenInventor文件等；
步骤3：航天员根据舱内仿真平台上层节点2或调试上位机发送的任务指令，在显示控制单元5中，进行任务选择、模式选择、规划算法选择、机械臂关键参数注入、零位标定等操作；
步骤4：显示控制单元5根据舱内仿真平台上层节点2或调试上位机或航天员发送的任务指令，以预定轨迹和预设参数为输入，来驱动预先仿真动画软件和视景仿真动画软件演示全局仿真动画和具有局部视角的视景仿真动画；
步骤5：航天员判断预先仿真动画和视景仿真动画是否满足预期的运动轨迹且未与环境发生碰撞，若未达到预期，则返回到步骤2或步骤3，重新导入文件或重新进行相关选择；若达到预期，则发送给下层机器人进行执行；
步骤6：显示控制单元5根据舱内仿真平台上层节点2或调试上位机或航天员发送的任务指令，以下层机器人实际传感器的回传数据为输入，实时驱动反馈仿真动画和视景仿真动画软件演示全局仿真动画和具有局部视角的视景仿真动画；
步骤7：显示控制单元5以舱外机器人手眼相机回传的视频流信息为输入，驱动实时舱外视频软件显示舱外的实时视频；
步骤8：显示控制单元5对下层机器人回传的遥测信息进行实时关键遥测信息显示；
步骤9：舱内航天员根据几组动画仿真演示结果、实时视频和遥测数据，实时判断任务是否正常执行；如果判断一切正常，则将规划好的指令数据发送给下层机械臂；如果判断操作有误，则及时中断发送指令，实现急停，然后判断是否需要重新进行路径规划，如果不需要，则进入手动末端操作模式，如果需要重新进行路径规划，则选择规划算法并注入参数，重新进行路径规划补救；
步骤10：航天员如果希望保存、绘图等操作，显示控制单元5还可以对动画、视频、遥测数据进行后处理操作。
本发明通过实时设备和非实时设备的互联、软件算法的应用，实现对舱外机器人的预置路径规划、预先仿真、场景演示、舱外实时监控、故障预案处理等功能。通讯接口单元由嵌入式设备组成，实现与上层节点、地面调试上位机、显示控制单元之间的数据交互。显示控制单元(主、备)由定制便携式电脑、输入输出设备组成，实现与通讯接口单元、下层单元的数据交互、与航天员的人机交互、内置算法的实现等功能。备用显示单元由若干备用显示器组成，实现场景演示和实施监控的分屏显示。
本发明可用于空间维修机器人操作场景仿真和任务交互，经济、高效地实现了空间维修工具包机器人操作场景的舱内仿真模拟，具有经济、实用度高的有益效果，可以广泛应用于空间机器人的操作演示和任务交互等。
本发明说明书中未详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (7)
1.一种模拟空间维修机器人操作场景的舱内仿真平台，其特征在于：包括：通讯接口单元(3)、备用显示单元(4)和显示控制单元(5)；
通讯接口单元(3)：接收舱内仿真平台上层节点(2)或调试上位机发送的配置参数和任务指令，处理后发送给显示控制单元(5)；将显示控制单元(5)采集到的遥测数据，处理后回传给舱内仿真平台上层节点(2)；
备用显示单元(4)：与显示控制单元(5)相连，对显示控制单元起到显示器扩展的功能；
显示控制单元(5)：内部存储了机器人模型文件、环境模型文件、预先仿真动画软件、反馈仿真动画软件、视景仿真动画软件和实时舱外视频软件；接收下层机器人反馈的遥测数据，所述遥测数据包括下层机器人实际传感器的回传数据和舱外机器人手眼相机回传的视频流信息；
根据舱内仿真平台上层节点(2)或调试上位机或航天员发送的任务指令，以预定轨迹和预设参数为输入，驱动预先仿真动画软件和视景仿真动画软件演示全局仿真动画和具有局部视角的视景仿真动画；
若预先仿真动画和视景仿真动画满足预期的运动轨迹且未与环境发生碰撞，则发送给下层机器人进行执行；
然后根据舱内仿真平台上层节点(2)或调试上位机或航天员发送的任务指令，以下层机器人实际传感器的回传数据为输入，驱动反馈仿真动画软件和视景仿真动画软件演示全局仿真动画和具有局部视角的视景仿真动画；
以舱外机器人手眼相机回传的视频流信息为输入，驱动实时舱外视频软件显示舱外的实时视频；
航天员根据几组仿真动画演示结果、实时视频和遥测数据，判断任务是否正常执行，如果一切正常，则通过显示控制单元(5)将预先规划好的指令数据发送给下层机器人机械臂；如果判断操作有误，则控制显示控制单元(5)重新规划路径或直接进入手动末端操作模式，进行路径规划补救。
2.根据权利要求1所述的一种模拟空间维修机器人操作场景的舱内仿真平台，其特征在于，所述备用显示单元(4)、显示控制单元(5)均采用主备机形式，以提高可靠性。
3.根据权利要求1所述的一种模拟空间维修机器人操作场景的舱内仿真平台，其特征在于，航天员根据反馈仿真动画、视景仿真动画、实时舱外视频和遥测数据判断下层机器人运动遇障程度，若下层机器人与障碍物的碰撞点只有一个关节，则在当前点进入手动末端操作模式，航天员直接手动调节下层机器人的关节或末端，实现避障；若下层机器人与障碍物的碰撞点大于一个关节，则在当前点控制显示控制单元(5)重新规划路径。
4.根据权利要求3所述的一种模拟空间维修机器人操作场景的舱内仿真平台，其特征在于，显示控制单元(5)重新规划路径的方法如下：
步骤1：对下层机器人和环境的位形空间、障碍空间及工作空间进行描述；
位形是对机器人各个关节位置的一个完整描述，所有的位形组成的集合被称为位形空间，用Q表示，用关节变量q对Q进行参数化；
在当前点，与障碍物碰撞的所有机器人的位形空间组成的集合称为障碍空间，定义如下：
上式中，∪表示取并集，θi表示与第i个空间障碍物碰撞的所有位形；
q∈Q表示每一个位形q都属于位形空间Q；
∩表示取交集，A(q)表示全部的机器人可调位形空间；
则工作空间表示为下面的差集：
Qfree＝A(q)\Q(∪θi)
上式中，Qfree表示自由空间或工作空间；
\表示取差集；
A(q)\Q(∪θi)表示A(q)与Q(∪θi)取差集，得到的所有集合；
步骤2：基于人工势场法进行避障路径规划，把机器人的每个当前位形都定义为一个人工势场U(q)，它同时受到最终位形qf的吸引力，又受到来自障碍物位形Q(∪θi)的排斥力，通过梯度下降法寻找U(q)的全局最小值，得到当前位形的关节角位置向量
步骤3：将当前位形的关节角位置向量存入无碰撞关节角序列，待航天员确认之后，显示控制单元(5)将其发给下层机器人机械臂执行。
5.根据权利要求3所述的一种模拟空间维修机器人操作场景的舱内仿真平台，其特征在于，显示控制单元(5)重新规划路径的方法如下：
以被测物体与障碍物的几何结构坐标为输入，进行基于层次包围盒碰撞检测的避障路径规划，得到是否有碰撞的输出响应Collision，
当各个关节都没有碰撞时，将该时刻的关节角位置存入无碰撞关节角序列，待航天员确认之后，显示控制单元(5)将其发给下层机器人机械臂执行。
6.根据权利要求1所述的一种模拟空间维修机器人操作场景的舱内仿真平台，其特征在于：所述显示控制单元(5)能够导入导出机器人模型文件、环境模型文件、动画程序文件和视频录像文件；为航天员提供任务选择、模式选择、规划算法选择、机械臂关键参数注入、零位标定、急停操作。
7.模拟空间维修机器人操作场景的舱内仿真平台实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：舱内仿真平台的显示控制单元(5)初始化，之后加载所有预加载指令和预置参数；
步骤2：导入下层机器人模型文件、环境模型文件；
步骤3：航天员根据舱内仿真平台上层节点(2)或调试上位机发送的任务指令，在显示控制单元(5)中，进行任务选择、模式选择、规划算法选择、机械臂关键参数注入已经零位标定操作，完成后，进入步骤4；
步骤4：显示控制单元(5)根据舱内仿真平台上层节点(2)或调试上位机或航天员发送的任务指令，以预定轨迹和预设参数为输入，来驱动预先仿真动画软件和视景仿真动画软件演示全局仿真动画和具有局部视角的视景仿真动画；
步骤5：航天员判断预先仿真动画和视景仿真动画是否满足预期的运动轨迹且未与环境发生碰撞，若未达到预期，则返回到步骤2或步骤3，若达到预期，则发送给下层机器人进行执行；
步骤6：显示控制单元(5)根据舱内仿真平台上层节点(2)或调试上位机或航天员发送的任务指令，以下层机器人实际传感器的回传数据为输入，来驱动反馈仿真动画和视景仿真动画软件演示全局仿真动画和具有局部视角的视景仿真动画；
步骤7：显示控制单元(5)以舱外机器人手眼相机回传的视频流信息为输入，来驱动实时舱外视频软件显示舱外的实时视频；
步骤8：显示控制单元(5)对下层机器人回传的遥测信息进行关键遥测信息显示；
步骤9：航天员根据几组动画仿真演示结果、实时视频和遥测数据，判断任务是否正常执行；如果判断一切正常，则将规划好的指令数据发送给下层机器人的机械臂；如果判断操作有误，则及时中断发送指令，选择进入重新规划规划或手动末端操作模式，进行路径规划补救；
步骤10：航天员如果希望进行保存或绘图操作，显示控制单元(5)能够根据航天员指令对动画、视频、遥测数据进行后处理操作。
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| CN112148000A (zh) | 2020-12-29 |
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