CN114800614A - 一种复杂环境下的刚柔耦合机器人状态测量与控制系统、装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂环境下的刚柔耦合机器人状态测量与控制系统、装置和方法。该系统设置有在可升降支架上设置上端设备安装结构和下端设备安装结构，用于放置多个传感器，通过多种测量设备实现了刚柔耦合机器人的位置及姿态信息测量，模拟了复杂干扰对刚柔耦合机器人运动状态的影响；装置依据刚柔耦合机器人的状态测量与控制的差异设计控制端，可验证刚柔耦合机器人的自主稳定及自主机动技术；本发明设计实验方法有利于任务数据的整理与分析，为进一步技术研究提供依据。本装置满足多种任务需求，具有很强的灵活性，可针对刚柔耦合机器人自主稳定控制、自主机动控制技术开展相应实施方案。

Description

一种复杂环境下的刚柔耦合机器人状态测量与控制系统、装 置和方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种复杂环境下的刚柔耦合机器人状态测量与控制装置。

背景技术

随着机器人领域技术的发展，刚柔耦合机器人被广泛应用于航天及航空相关领域。例如，空间在轨服务及作战中广泛应用的空间飞爪刚柔耦合机器人具有灵活、安全、燃料消耗低等特点，可以进行失效卫星救助、太空垃圾清理、辅助变轨、敌方航天器攻击等操作；用于无人机自主空中加油技术的软管-锥套刚柔耦合机器人具有一对多加油的能力及更大的灵活性，对提高未来无人机作战能力、作战航程、作战半径有着至关重要的作用。但由于任务执行过程中，刚柔耦合机器人多处于复杂环境，对内外干扰非常敏感。单纯的动力学建模及仿真研究无法真实反映任务过程中刚柔耦合机器人的运动状态。

因此建立一种复杂环境作用下的刚柔耦合机器人状态测量与控制装置，用以测量刚柔耦合机器人状态并验证控制技术，为进一步开展相关技术研究作基础是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种复杂环境下的刚柔耦合机器人状态测量与控制系统、装置和方法，以解决现有技术中刚柔耦合机器人缺少相对应的测量实验装置的问题，该系统能够模拟刚柔耦合机器人执行任务过程，反映任务过程中刚柔耦合机器人的运动状态，可验证具有自主稳定及自主机动等功能的刚柔耦合机器人技术，利于更好地研究刚柔耦合机器人相关应用技术。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种复杂环境下的刚柔耦合机器人状态测量与控制系统，包括可升降支架，可升降支架的上端设置有上端设备安装结构，上端设备安装结构中安装有张力传感器和摆角测量装置；可升降支架的下端设置有下端设备安装结构，下端设备安装结构中安装有单目相机、下位机和电源；

所述张力传感器和摆角测量装置同时连接有橡胶软管的一端，橡胶软管的另一端连接有机器人；所述机器人中设置有姿态传感器和电机；

所述下位机连接有上位机；

所述摆角测量装置通过下位机和上位机连接，所述张力传感器和上位机连接，所述单目相机和上位机连接。

本发明的进一步改进在于：

优选的，所述上端设备安装结构中设置有张力传感器固定板，张力传感器设置在张力传感器固定板中，张力传感器固定板设置在摆角测量装置前。

优选的，下端设备安装结构旁设置有云台安装插槽，云台安装插槽上设置有单目相机保护罩；云台安装插槽上安装有云台，单目相机安装在单目相机保护罩中。

优选的，所述张力传感器通过张力传感器变送器和上位机连接。

优选的，所述可升降支架包括支架部分，支架部分包括两个相对设置的竖向支架，两个竖向支架的上端共同连接有上安装板，两个竖向支架的下端共同连接有下安装板；

上端设备安装结构安装在上安装板上，下端设备安装结构安装在下安装板上；

机器人安装在上安装板的下方。

优选的，所述支架部分为能够上下伸缩的支架。

一种复杂环境下的刚柔耦合机器人状态测量与控制方法，包括以下步骤：

测量机器人的位置信息；

测量橡胶软管的张力；

测量机器人的姿态；

接收控制指令，将控制指令传递至驱动器，驱动器控制机器人中的电机。

优选的，所述位置信息通过摆角测量装置测量得到或通过单目相机测量获得，或将摆角测量装置结果与单目相机测量结果融合后获得。

一种复杂环境下的刚柔耦合机器人状态测量与控制装置，包括：

位置测量模块，用于测量机器人的位置信息；

张力测量模块，用于测量橡胶软管的张力；

姿态测量模块，用于测量机器人的姿态；

接收指令模块，用于接收控制指令，并将控制指令传递至驱动器，驱动器控制机器人中的电机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明设计一种复杂环境作用下的刚柔耦合机器人状态测量与控制系统、装置和方法，通过多种测量设备实现了刚柔耦合机器人的位置及姿态信息测量，模拟了复杂干扰对刚柔耦合机器人运动状态的影响；装置依据刚柔耦合机器人的状态测量与控制的差异设计控制端，可验证刚柔耦合机器人的自主稳定及自主机动技术；本发明设计实验方法有利于任务数据的整理与分析，为进一步技术研究提供依据。本装置满足多种任务需求，具有很强的灵活性，可针对刚柔耦合机器人自主稳定控制、自主机动控制技术开展相应实施方案。本装置对运行环境的要求低，不依赖空间、飞行及风洞环境，有效降低成本，提高可实施性，弥补刚柔耦合机器人状态测量与控制装置操作难、硬件条件要求高的缺点。同时装置操作简便，可多次重复执行，对发明实施所需的人力物力要求低，更具有经济性。

附图说明

图1为实验平台及软管机器人示意图。

图2为可升降支架示意图。

图3为上端设备安装结构示意图。

图4为下端设备安装结构示意图。

图5为装置通信方案框图。

其中，1-上端设备安装结构，2-可升降支架，3-下端设备安装结构，4-橡胶软管，5-机器人连接点，6-风场环境固定支架，7-上安装板，8-螺母顶丝，9-下安装板，10-张力传感器安装插孔，11-张力传感器固定板，12-摆角测量装置安装孔，13-电源安装板，14-隔板插槽，15-电源电线输出孔，16-张力传感器变送器安装板，17-下位机安装板，18-变压模块上安装板、19-变压模块下安装板，20-单目相机保护罩，21-云台安装插槽；22-支架部分；23-第一区域；24-第二区域。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明公开了一种复杂环境作用下的刚柔耦合机器人状态测量与控制系统。该系统主要由实验平台和测量设备构成，该系统连接有上位机作为控制端。装置运行过程中，刚柔耦合机器人悬挂于实验平台顶端中心位置，橡胶软管4模拟柔性软管实现刚柔耦合机器人与整个实验平台的连接。橡胶软管4的前端放置于张力传感器测量轴上，测量任务过程中橡胶软管4的张力变化，为任务过程中柔性软管收放、刚柔耦合机器人自主稳定、刚柔耦合机器人自主机动验证提供张力反馈数据。实验平台上安装有摆角测量装置和单目视觉测量装置，可配合刚柔耦合机器人内部传感器实现高精度的位姿信息测量。本控制系统还提供上位机，上位机和下位机和部分测量装置直接连接，结合设计的上位机、下位机方法，可实现控制算法验证、测量信息采集及数据记录等功能。

参见图1和图2，具体的，实验平台作为该装置的重要组成部分，承担着装置固定、测量设备及供电模块安装的功能。此实验平台的主体结构由可升降支架2、上端设备安装结构1和下端设备安装结构3三部分构成。

可升降支架2包括支架部分22、上安装板7和下安装板9，支架部分2为可升降支架2的主体结构，支架部分22包括两个相对设置的竖向支架，竖向支架的底端设置在横向支架上，两个竖向支架为双杆形固定支架，竖向支架上设置有滑轨和固定结构，使得竖向支架沿长度方向能够上下移动，到达设定位置通过固定结构，能够固定在设定位置，固定结构能够为销钉等其他固定结构。

进一步的，该竖向支架包括上、中和下三部分，下部分的两个竖向支架之间的距离大于中部分的两个竖向支架的距离，两个中部分的竖向支架的距离大于上部分的两个竖向支架的距离。因此支架部分2从下向上一个宽度逐渐减小的支架。下部分的竖向支架设置在风场环境固定支架6上，使得整个可升降支架2更为稳定。

最上部分支架的上端安装有上安装板7，横向支架上安装有下安装板9，上安装板7用于安装上端设备安装结构1，下安装板9用于安装下端设备安装结构3。该支架结构安装要求低，安装方式简便。同时可升降支架为测量设备安装结构提供安装接口。结合任务实际易于安装拆卸的需求，设计支架实现三段式升降功能，便于操作人员进行实验调试。

参见图3和图4，两个设备安装结构分别固定于可升降支架上端和下端，用以固定装置测量设备及相应供电模块。参见图3，由于张力传感器及摆角测量装置需直接连接橡胶软管4的前端，因此将其二者安装于可升降支架上端设备安装结构1中，又根据任务测量原理，张力传感器安装于摆角测量装置前方。上端设备安装结构1中设置有张力传感器固定板11，张力传感器固定板11上开设有张力传感器安装插孔10，张力传感器固定安装在张力传感器安装插孔10中。上端设备安装结构1的底板上开设有摆角测量装置安装孔12，摆角测量装置安装孔12在张力传感器固定板11的后方，摆角测量装置通过摆角测量装置安装孔12固定安装在上端设备安装结构1中。

参见图4，为减少可升降支架2的上端质量，将电源、变压模块、张力传感器变送器(将张力传感器测量的模拟信号转化为可以被上位机接收的数字信号)、下位机及云台固定于可升降支架下端设备安装结构2中，其中单目相机直接安装于云台上，云台用于保持单目相机拍摄画面稳定。具体的，下端设备安装结构2为框架结构，下端设备安装结构2的外侧壁上设置有云台安装插槽21，云台安装插槽21上设置有单目相机保护罩20。下端设备安装结构2中设置有张力传感器变送器安装板16，张力传感器变送器安装板16将整个下端设备安装结构2的内部分为两个区域，分别为第一区域23和第二区域24。张力传感器变送器安装板16上开设有电源电线输出孔15；第一区域23中安装有电源，第二区域24中安装有下位机和变压模块。具体的第一区域23的底板为电源安装板13，第一区域23的侧板及张力传感器变送器安装板16上均开设有隔板插槽14，两个隔板插槽14相对设置，能够安装隔板。第二区域24的内部从上至下依次设置有下位机安装板17和变压模块上安装板18，第二区域24的底板为变压模块下安装板19，变压模块下安装板19和电源安装板13一体连接。下位机安装板17上安装有下位机，变压模块上安装板18和变压模块下安装板19之间安装有变压模块。云台安装插槽21上安装有云台，单目相机保护罩20中安装有单目相机。

优选的，本发明中设备安装均采用螺丝螺母固定方式，具有良好的稳定性和装卸便利性。

基于上述系统，本发明还公开了一种装置，参见图5，具体的，该装置包括供电模块、位置测量模块、姿态测量模块、张力测量模块和接收指令模块。

供电模块包括电源和变压模块，电源经过变压模块处理后，能够为整个测量装置中的摆角角度测量装置、下位机、张力传感器、单目相机和机器人供电。

位置测量模块，用于测量机器人的位置信息，测量机器人位置信息的装置有两个，包括摆角测量装置和单目相机。实际使用过程中，工作人员能够根据实际情况选择位置测量模块中是使用摆角测量装置的位置信息还是单目相机测量位置的信息，或者是将二者的位置信息融合起来使用。

具体的摆角测量和机器人连接，摆角测量装置通过橡胶软管4和机器人连接，摆角测量采用半弧式角度测量装置。用来测量橡胶软管4与竖直面的夹角，以及橡胶软管4与水平面的夹角，通过橡胶软管4的长度，可以获得刚柔耦合机器人在三维空间相对于4前端的位置。摆角测量装置通过计算获得刚柔耦合机器人的位置坐标，摆角测量装置是通过下位机接收信息转化为上位机可接收的位置信息。

单目相机，单目相机由工业相机配合定焦镜头组成，此单目相机结合设计方法可实现对任务过程的实时录像及记录。刚柔耦合机器人执行任务过程中需要观测运动状态，单目相机作为单目视觉测量装置，可为试验提供视觉信息及视觉识别算法接口，通过单目配合算法实现刚柔耦合机器人的位置信息测量。单目相机的测试范围根据刚柔耦合机器人运动范围和内外部干扰对其运动的影响设定，同时考虑采集频率的要求。单目相机通过其拍摄的图像信息处理后的位置信息。

本发明的装置提供两种不同的位置信息测量方式，同时提供信息融合算法接口，可依据具体需求选择两种位置测量融合信息或者任意一种测量信息，使用上更具有通用性。可根据任务目的差异，结合刚柔耦合机器人内部姿态传感器共同构成刚柔耦合机器人位姿信息测量，实时反映刚柔耦合机器人运动状态。此方案具有下述效果：不会影响刚柔耦合机器人的运动轨迹；不会改变刚柔耦合机器人在复杂环境作用下的动力特性；采样频率足够高，确保采集信息的完整性和准确性；精度高于厘米级。

姿态测量模块(IMU)，用于实时测量机器人的姿态相关信息，IMU安装于刚柔耦合机器人中。IMU直接连接外接的上位机，将其测量的数据传递至上位机中的调试端。IMU通过无线向上位机传输信息，两种测量装置信息在上位机进行利用。

张力传感器，张力传感器和张力传感器变送器连接，张力传感变送器和上位机连通。张力传感器用于测量橡胶软管4的拉力。

下位机接收上位机中控制端的信号，下位机和控制端通过无线通信，具体的无线通信方式能够为蓝牙或无线网。下位机根据其接收信号，控制驱动器。本发明设计下位机，可输出控制信号驱动相应执行机构，以实现刚柔耦合机器人自主稳定和自主机动的控制。下位机能够为STM32、ARM等设备。

驱动器控制机器人中的电机驱动机器人的执行机构，完成刚柔耦合机器人自主稳定及自主机动状态控制。

机器人中至少设置有电机和姿态传感器，电机用于接受驱动器的信号，进一步的驱动及其人中其他结构。

上位机属于该试验装置的外接设备，上位机至少包括控制端和调试端，控制端和调试端的内部通过TCP通信，调试端中设置有数据记录软件，控制端中设置有控制调试软件。调试端用于接收单目相机和张力传感器信息，下位机传入的摆角角度测量信息先传到控制端，再由控制端传至调试端，控制端设置有控制算法和计算软件，调试端负责接收和提供视觉处理算法接口，控制端和下位机连接。上位机主要完成测量信息的接收与处理和实验过程的调试与结果记录功能；除此之外，还设计控制算法方法接口，可完成刚柔耦合机器人相关控制算法的性能验证。控制算法主要指刚柔耦合机器人的控制算法，例如PID、自抗扰等。是使用装置时根据需求设计的。这里设置接口，用户可以使用自己的算法完成其自己的刚柔耦合机器人控制。

本发明设计以上测量融合算法方法接口，对刚柔耦合机器人控制任务灵活制定测量方案。

本发明采用如下通信实现实验过程中数据的交互及传递功能。由于刚柔耦合机器人内部姿态传感器、下位机及张力传感器与上位机通信数据量小，故选择串口通信方式简化方法设计。而单目相机及上位机之间的数据传输量大，需要使用网络通信。此外，考虑各设备之间的安装位置，张力传感器、单目相机、摆角测量装置及上位机之间采用有线通信方式，下位机及刚柔耦合机器人内部姿态传感器与上位机的通信采取无线通信方式。

进一步的，本发明设计实现了一套用于刚柔耦合机器人自主控制任务的方法，具体包括控制调试软件、数据记录软件。其中，控制调试软件主要完成测量信息接收、刚柔耦合机器人执行机构调试及控制实现功能。此软件可将测量信息应用于刚柔耦合机器人控制算法，输出控制指令驱动刚柔耦合机器人执行机构，实现控制闭环回路。数据记录软件主要实现数据记录、实时绘图及单目相机测量和运行视频输出。测量与控制过程中，控制调试软件将接收测量设备的数据，并将其备份保存，以波形形式绘制实时更新显示；同时，软件获取单目相机图像并以视频形式实时输出，以便操作者了解任务过程及刚柔耦合机器人状态。

实施时将实验平台固定于风场环境中，并依据下述步骤正确安装装置：由于橡胶软管和机器人的气动稳定性对于干扰流场极为敏感，发明实施所采用的悬挂方式必须尽可能减小对橡胶软管和机器人附近流场的影响，因此机器人悬挂于实验平台顶端中心位置，即橡胶软管连接在实验平台上端中心处。橡胶软管将依次通过张力传感器、角度测量装置，最终连接机器人。设备安装结构分别安装在可升降支架上端和下端，张力传感器及摆角测量装置安装于上端设备安装结构中，张力传感器位于摆角测量装置前方，即张力传感器位于上端设备安装结构里侧，摆角测量装置位于上端设备安装结构外侧。电源、变压模块、张力传感器变送器、下位机及云台通过螺丝固定于下端设备安装结构中，其中单目相机直接固定于云台上。

装置安装成功后，本发明提供如下所述实施方法：首先将下位机、张力传感器、摆角测量装置及单目相机连接供电模块，开启上位机，装置开始运行。随后依次在上位机调试端运行数据记录软件，在控制端运行控制调试软件。数据记录软件将实时接收并显示张力传感器、摆角测量装置测量数据；如机器人内部配有姿态传感器，数据记录软件同时通过无线方式获取机器人姿态信息，结合摆角测量装置的位置信息可反映机器人位姿变化情况；同时数据记录软件将接收单目相机数据，实现实验全过程录像及视频存储功能。此外单目相机还作为视觉识别的传感器，在上位机调试端的数据记录软件提供图像处理及识别算法接口，识别信息通过有线网络传输至上位机控制端，控制调试软件提供图像信息与位置信息转换算法接口，由此可按需获取机器人位置信息。角度测量装置则通过将橡胶软管从两个半弧的开缝中先后穿过，当橡胶软管发生摆动时就会带动两个半圆弧绕两个相互垂直的平行于水平面的旋转轴转动，通过两个旋转轴安装的编码器解算获得橡胶软管在两个正交铅垂面的摆角，进而转化为位置信息。控制调试软件可接收摆角测量装置、单目相机图像信息处理后的位置信息及机器人姿态传感器信息。此外，本发明在上位机控制端控制调试软件设计信息融合算法方法接口，可根据状态测量与控制需求灵活制定测量数据融合方案，摆角测量装置、单目相机图像信息处理后的位置信息作为测量融合算法输入处理，获得高精度的机器人位姿信息。随后控制调试软件将处理获得的高精度结果应用于控制算法实现，控制算法为各个工作人员根据实际情况修改获得，并输出控制指令到下位机，通过下位机及驱动器驱动机器人的执行机构，完成刚柔耦合机器人自主稳定及自主机动状态测量与控制。

同时本发明还可配合软管卷盘装置控制橡胶软管释放与回收，依据上述描述提供以下实现方案：将步进电机与绕线盘以螺丝螺母固定方式安装在实验平台张力传感器前端，橡胶软管缠绕于软管卷盘装置上，并依次通过张力传感器、角度测量装置，连接机器人。实施过程中由张力传感器测量橡胶软管张力，配合软管卷盘装置可在上位机控制端控制调试软件应用于橡胶软管收放控制算法，控制橡胶软管收放速度，从而实现橡胶软管收放控制、机器人自主机动、甩鞭抑制等技术的验证。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (9)

1.一种复杂环境下的刚柔耦合机器人状态测量与控制系统，其特征在于，包括可升降支架(2)，可升降支架(2)的上端设置有上端设备安装结构(1)，上端设备安装结构(1)中安装有张力传感器和摆角测量装置；可升降支架(2)的下端设置有下端设备安装结构(3)，下端设备安装结构(3)中安装有单目相机、下位机和电源；

所述张力传感器和摆角测量装置同时连接有橡胶软管(4)的一端，橡胶软管(4)的另一端连接有机器人；所述机器人中设置有姿态传感器和电机；

所述下位机连接有上位机；

所述摆角测量装置通过下位机和上位机连接，所述张力传感器和上位机连接，所述单目相机和上位机连接。

2.根据权利要求1所述的一种复杂环境下的刚柔耦合机器人状态测量与控制系统，其特征在于，所述上端设备安装结构(1)中设置有张力传感器固定板(11)，张力传感器设置在张力传感器固定板(11)中，张力传感器固定板(11)设置在摆角测量装置前。

3.根据权利要求1所述的一种复杂环境下的刚柔耦合机器人状态测量与控制系统，其特征在于，下端设备安装结构(3)旁设置有云台安装插槽(21)，云台安装插槽(21)上设置有单目相机保护罩(20)；云台安装插槽(21)上安装有云台，单目相机安装在单目相机保护罩(20)中。

4.根据权利要求1所述的一种复杂环境下的刚柔耦合机器人状态测量与控制系统，其特征在于，所述张力传感器通过张力传感器变送器和上位机连接。

5.根据权利要求1所述的一种复杂环境下的刚柔耦合机器人状态测量与控制系统，其特征在于，所述可升降支架(2)包括支架部分(22)，支架部分(22)包括两个相对设置的竖向支架，两个竖向支架的上端共同连接有上安装板(7)，两个竖向支架的下端共同连接有下安装板(9)；

上端设备安装结构(1)安装在上安装板(7)上，下端设备安装结构(3)安装在下安装板(9)上；

机器人安装在上安装板(7)的下方。

6.根据权利要求5所述的一种复杂环境下的刚柔耦合机器人状态测量与控制系统，其特征在于，所述支架部分(22)为能够上下伸缩的支架。

7.一种复杂环境下的刚柔耦合机器人状态测量与控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

测量机器人的位置信息；

测量橡胶软管(4)的张力；

测量机器人的姿态；

接收控制指令，将控制指令传递至驱动器，驱动器控制机器人中的电机。

8.根据权利要求7所述的一种复杂环境下的刚柔耦合机器人状态测量与控制方法，其特征在于，所述位置信息通过摆角测量装置测量得到或通过单目相机测量获得，或将摆角测量装置结果与单目相机测量结果融合后获得。

9.一种复杂环境下的刚柔耦合机器人状态测量与控制装置，其特征在于，包括：

位置测量模块，用于测量机器人的位置信息；

张力测量模块，用于测量橡胶软管(4)的张力；

姿态测量模块，用于测量机器人的姿态；

接收指令模块，用于接收控制指令，并将控制指令传递至驱动器，驱动器控制机器人中的电机。

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