CN112589817B - 一种空间机械臂的操作控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间机械臂的操作控制方法，采用一个三自由度的平动手柄、一个三自由度的转动手柄及一个显控模块来完成对空间机械臂的位置、姿态、路径、速度的控制，其中，平动手柄实现对空间机械臂末端的空间位置与速度进行平移的控制；转动手柄实现对空间机械臂末端的俯仰、偏航、翻滚的姿态与速度的控制，同时还具备对空间机械臂每个关节转动位置与速度的控制；显控模块实现空间机械臂的工作模式选择、速度档位模式选择、状态显示、快捷操作及突发状况的紧急处理；本发明能够满足航天员独自一人方便灵活的通过多模块协同对空间机械臂进行操作控制。

Description

一种空间机械臂的操作控制方法
技术领域
本发明属于空间机械臂技术领域，具体涉及一种空间机械臂的操作控制方法。
背景技术
空间机械臂在轨操作系统用于支持航天员舱内控制机械臂的运动，是执行机械臂任务的发起端与状态监测端。
目前，研制成功并投入使用的空间机械臂有加拿大臂SSRMS(Space StationRemote Manipulator)、欧洲臂ERA(European Robotic Arm)、以及日本的实验舱臂JEMRMS(Japanese Experiment Module Remote Manipulator System)。其操作控制终端为一对安装在舱内的三自由度手柄，分立式的设计可满足航天员对机械臂的操作，但其协调性不足。特别是通过手柄执行复杂任务时，一人难以协调两个手柄并兼顾机械臂的状态信息来操控机械臂，操作过程较繁琐，执行任务的能力和效率受到限制。
因此，很有必要设计一种新的空间机械臂操作控制方法，用于克服现有技术中所存在的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种空间机械臂的操作控制方法，能够满足航天员独自一人方便灵活的通过多模块协同对空间机械臂进行操作控制。
实现本发明的技术方案如下：
一种空间机械臂的操作控制方法，采用一个三自由度的平动手柄、一个三自由度的转动手柄及一个显控模块来完成对空间机械臂的位置、姿态、路径、速度(线速度、角速度)的控制，其中，平动手柄实现对空间机械臂末端的空间位置与速度进行平移(空间x、y、z三个方向)的控制；转动手柄实现对空间机械臂末端的俯仰、偏航、翻滚的姿态与速度的控制，同时还具备对空间机械臂每个关节转动位置与速度的控制；显控模块实现空间机械臂的工作模式选择、速度档位模式选择、状态显示、快捷操作及突发状况的紧急处理。
进一步地，平动手柄对空间机械臂末端的控制与平动手柄的末端位置相关，平动手柄末端可移动的空间为：以零点(平动手柄上电后的初始位置)为中心的正方体，当推动平动手柄向正方体的某个面运动时，空间机械臂的末端也对应向该方向运动；同时，空间机械臂末端在该方向上运动的速度与平动手柄末端偏离零点的位置成线性关系，偏离位置越大线速度越大。
进一步地，转动手柄对空间机械臂末端的控制与转动手柄的末端位置相关，转动手柄末端可移动的空间为：以转动手柄操纵杆为半径的球面，当转动手柄向上、下、左、右推动或顺时针、逆时针转动时，空间机械臂的末端对应进行仰、俯、左偏航、右偏航、顺时针转动、逆时针转动；同时，空间机械臂末端在上述方向上运动的速度与转动手柄末端偏离零点(转动手柄上电后的初始位置)的位置(或转动角度的多少)成线性关系，偏离位置(转动角度)越大角速度越大。
进一步地，转动手柄对空间机械臂关节的控制与转动手柄的末端位置相关；当顺时针转动手柄时，机械臂被操作的关节顺时针运动，反之则逆时针运动；其运动角速度与手柄转动的角度成线性关系，转动角度越大角速度越大。
进一步地，平动手柄与转动手柄的末端都有一个使能按键，当使能按键按下操作手柄才有效；同时在平动手柄与转动手柄的零点附近设置一个死区，在死区内操作手柄(包括按下使能键)无有效数据输出，减少手柄误操作的风险。
进一步地，显控模块通过界面的形式提供给用户空间机械臂操作模式的选择，包括末端手柄控制、单关节手柄控制、单关节位置控制、多关节联动控制、直线规划控制；其中末端手柄控制、单关节手柄控制在界面中选择模式后，由手柄完成操作；而单关节位置控制、多关节联动控制、直线规划控制无需手柄参与，通过用户在显控模块界面自主选择速度档位、操作对象(多个关节时)及填写运动目标参数后实现。
进一步地，所述空间机械臂的操作控制方法还包括紧急处理与便捷操作措施；在显控模块上设置快捷按键，用以处理机械臂的紧急事务、突发状况与常用操作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)操作灵活。本发明平动手柄的操作可实现对空间机械臂空间位置的调节，转动手柄的操作可实现对空间机械臂关节、末端的姿态调节；在一定的空间范围内，平动手柄与转动手柄协调配合，平动手柄可用于机械臂空间位置的大范围调节，转动手柄可用于位置的微调。同时，也可利用显控模块中单关节位置控制、多关节联动控制、直线规划控制完成空间机械臂位置姿态的调节。
(2)模式多样。本发明利用末端手柄控制、单关节手柄控制、单关节位置控制、多关节联动控制、直线规划控制等都可实现空间机械臂的操作控制；同时，通过对整臂的工作状态(待机制动、伺服待机、自由随动、零力控制)设定，进一步提高其操作控制的可靠性。
(3)可完成复杂与精细化操作。本发明操作控制的多模式配合及手柄的力学感知，可满足空间机械臂的复杂任务与精细化操作。
(4)操作简单可靠。本发明的平动手柄与转动手柄的操作移动与空间机械臂的位置、姿态调节直接映射，简单直观。快捷按键的设置让空间机械臂的操作简单化，减轻了航天员的操作负担。
附图说明
图1为本发明的空间机械臂操作控制系统框图。
图2为本发明的控制方法操作者与设备的空间位置关系图。
图3为本发明的控制方法空间方向定义图。
图4为本发明的控制方法的快捷按键说明图。
图中：1-平动手柄、2-显控模块、3-转动手柄。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明的一种空间机械臂的操作控制方法的执行设备包括三自由度的平动手柄1、三自由度的转动手柄3和显控模块2。
执行空间机械臂操作时，设备上电后，平动手柄和转动手柄在回复力的作用下恢复到零位状态(图1中手柄末端位置)。
平动手柄、转动手柄与显控模块的操作适合操作员站位或坐姿下进行操作，其位置高度可根据平台高度调节。操作员与平动手柄、转动手柄、显控模块的空间位置关系如图2所示。其中，平动手柄、转动手柄水平放置，操作者面向手柄末端；显控模块位于中间，显示屏与水平位置呈一定角度。
手柄的方向定义如图3所示，沿手柄长轴方向为X轴，上下方向为Z轴，左右方向为Y轴。平动手柄的前后位移控制机械臂前后(沿X轴)运动，向前操作表示机械臂产生前向速度(+X)，向后操作表示机械臂产生向后速度(－X)；向上(沿Z轴正方向)推平动手柄，表示控制机械臂产生向上速度(+Z)；向下(沿Z轴负方向)推平动手柄，表示机械臂产生向下速度(－Z)；向左(沿Y轴正方向)推平动手柄，表示控制机械臂产生向左速度(+Y)；向右(沿Y轴负方向)推平动手柄，表示控制机械臂产生向右速度(－Y)。转动手柄沿手柄长轴方向扭转为Rx轴(绕X轴转动)，上下方向转动为Ry轴(绕Y轴转动)，左右方向转动为Rz轴(绕Z轴转动)。绕X轴顺时针转动，表示机械臂顺时针方向滚动(+Rx)；绕X轴逆时针转动，表示机械臂逆时针方向滚动(－Rx)；绕Z轴向右转动手柄，表示机械臂向左偏航(+Rz)；绕Z轴向左转动手柄，表示机械臂向右偏航(－Rz)；绕Y轴向上转动手柄，表示机械臂下俯(+Ry)；绕Y轴向下转动手柄，表示机械臂上仰(－Ry)。
通过显控模块，可以切换空间机械臂的控制模式，其控制模式共包括末端手柄控制、单关节手柄控制、单关节位置控制、多关节联动控制、直线规划控制五种。
其中，末端手柄控制是控制空间机械臂最直接的一种操作方式，手柄操作需要操作者在回路，凭借自身视觉、手柄反馈力判断，完成操作任务。在进行末端手柄操作前，需通过显控模块的界面完成负载选择和速度选择，其中负载选择包括“重载”、“中载”、“轻载”，三种负载模式下分别包括“高速”、“中速”、“低速”三种速度。然后发送指令启动末端手柄控制模式。之后按下手柄的使能键并推动手柄，先通过平动手柄调节空间机械臂末端的位置，然后通过转动手柄调节空间机械臂末端的姿态。
单关节手柄控制可以实现对空间机械臂某个关节位置的调节。其控制方式通过显控模块与手柄配合完成。显控模块需指定操作对象(某个关节)后，选择负载和速度，然后发送指令告知机械臂启动单关节手柄控制，之后通过操作转动手柄来进行对关节位置的调节。当关节需要正传时，按下转动手柄使能键并向上推动手柄；当关节需要反转时，按下转动手柄使能键并向下推动手柄。当关节接近目标位置时，减小手柄偏离零位的幅度(减小角速度)进行细调，到达位置后释放使能按键并松开手柄，手柄在回复力作用下回到零点。
单关节位置控制可以实现对关节位置的精准调节。其控制方式只需显控模块参与。单关节位置控制需先指定被控关节、关节期望位置(角度)、负载、速度。启动该模式后，可控制指定关节运行到指定位置。该控制方式可作为单关节手柄控制的备份；同时，也可与单关节手柄控制组合使用，作为其的补充，进一步实现单关节位置的精确调节。
多关节联动控制可同时指定机械臂各个关节的位置，其控制方式只需显控模块参与。多关节联动控制需先指定机械臂各个关节(或部分需要调节位置的关节)期望位置(角度)、负载、速度。启动该模式后，可控制各关节运行到指定位置。
直线规划控制可实现机械臂末端位置与姿态的精确调节。其控制方式只需显控模块参与。直线规划控制需先指定末端位置(X、Y、Z)与姿态(Rz、Ry、Rx)、负载、速度。启动该模式后，可控制机械臂末端运动到指定位置。该控制方式可作为末端手柄控制的备份；同时，也可与末端手柄控制组合使用，作为其的补充，进一步实现末端位置与姿态的精确调节。
不同控制模式下的速度均进行极值保护，对超限参数进行限幅和提示，以实现机械臂刚度与关节电机驱动能力匹配。
显控模块中共设置了9个按键，如图4所示。其中，左起第一个按键为整机电源按键，采用按下自锁下沉处理，再次按下设备断电按键弹起，防止设备上电后误碰引起的设备异常断电。第二个按键为安全模式，该按键可以一键完成整臂除相机外所有设备上电。第三个按键为整臂断电，完成整臂的一键断电。第四个按键为整臂的状态模式，可完成整臂状态模式的切换，其模式包括待机制动、伺服待机、自由随动、零力控制。整臂上电后，系统默认状态为待机制动，在待机制动模式下，仅坐标系设置、相机可操作，零力控制无效；转入伺服待机后，运动操作菜单有效，零力控制有效；自由随动模式下，末端、相机操作有效，零力控制无效；零力控制模式下，末端、相机操作有效，待机制动、自由随动无效。第五个与第六个按键用于对末端与关节的控制切换。第七个按键为停止运动，用于快速停止整臂的运动，并停止当前操作指令的发出。第八个按键为紧急返回，用于支持航天员出舱活动时，提供航天员紧急返回功能，将航天员从起始点转移到入舱口。第九个按键为紧急停车，用于处理突发状况下的整臂停止运动及设备断电。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种空间机械臂的操作控制方法，其特征在于，采用一个三自由度的平动手柄、一个三自由度的转动手柄及一个显控模块来完成对空间机械臂的位置、姿态、路径、速度的控制，其中，平动手柄实现对空间机械臂末端的空间位置与速度进行平移的控制；转动手柄实现对空间机械臂末端的俯仰、偏航、翻滚的姿态与速度的控制，同时还具备对空间机械臂每个关节转动位置与速度的控制；显控模块实现空间机械臂的工作模式选择、速度档位模式选择、状态显示、快捷操作及突发状况的紧急处理；
其中，平动手柄对空间机械臂末端的控制与平动手柄的末端位置相关，平动手柄末端可移动的空间为：以零点为中心的正方体，当推动平动手柄向正方体的某个面运动时，空间机械臂的末端也对应向该方向运动；同时，空间机械臂末端在该方向上运动的速度与平动手柄末端偏离零点的位置成线性关系，偏离位置越大线速度越大；
转动手柄对空间机械臂末端的控制与转动手柄的末端位置相关，转动手柄末端可移动的空间为：以转动手柄操纵杆为半径的球面，当转动手柄向上、下、左、右推动或顺时针、逆时针转动时，空间机械臂的末端对应进行仰、俯、左偏航、右偏航、顺时针转动、逆时针转动；同时，空间机械臂末端在上述方向上运动的速度与转动手柄末端偏离零点的位置成线性关系，偏离位置越大角速度越大；
显控模块通过界面的形式提供给用户空间机械臂操作模式的选择，包括末端手柄控制、单关节手柄控制、单关节位置控制、多关节联动控制、直线规划控制；其中末端手柄控制、单关节手柄控制在界面中选择模式后，由手柄完成操作；而单关节位置控制、多关节联动控制、直线规划控制无需手柄参与，通过用户在显控模块界面自主选择速度档位、操作对象及填写运动目标参数后实现；
末端手柄控制是控制空间机械臂最直接的一种操作方式，手柄操作需要操作者在回路，凭借自身视觉、手柄反馈力判断，完成操作任务；
单关节手柄控制可实现对空间机械臂某个关节位置的调节；其控制方式通过显控模块与手柄配合完成；显控模块需指定操作对象后，选择负载和速度，然后发送指令告知机械臂启动单关节手柄控制，之后通过操作转动手柄来进行对关节位置的调节；
单关节位置控制可实现对关节位置的精准调节；其控制方式只需显控模块参与；单关节位置控制需先指定被控关节、关节期望位置、负载、速度；
多关节联动控制可同时指定机械臂各个关节的位置，其控制方式只需显控模块参与；多关节联动控制需先指定机械臂各个关节期望位置、负载、速度；
直线规划控制可实现机械臂末端位置与姿态的精确调节；其控制方式只需显控模块参与；直线规划控制需先指定末端位置与姿态、负载、速度；启动该模式后，可控制机械臂末端运动到指定位置。
2.如权利要求1所述的一种空间机械臂的操作控制方法，其特征在于，转动手柄对空间机械臂关节的控制与转动手柄的末端位置相关；当顺时针转动手柄时，机械臂被操作的关节顺时针运动，反之则逆时针运动；其运动角速度与手柄转动的角度成线性关系，转动角度越大角速度越大。
3.如权利要求1所述的一种空间机械臂的操作控制方法，其特征在于，平动手柄与转动手柄的末端都有一个使能按键，当使能按键按下操作手柄才有效；同时在平动手柄与转动手柄的零点附近设置一个死区，在死区内操作手柄无有效数据输出，减少手柄误操作的风险。
4.如权利要求1所述的一种空间机械臂的操作控制方法，其特征在于，所述显控模块上设置有快捷按键，用以处理机械臂的紧急事务、突发状况与常用操作。
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