一种空间遥操作方法

摘要

本发明涉及一种空间机器人遥操作方法，采用三维图形仿真验证、执行能力验证双验证方法保证空间遥操作指令安全性；采用预测仿真驱动三维模型为操作者提供实时视觉信息，采用双边控制技术为操作人员提供力觉信息，从而提升操作者临场感。具体的思路为：空间遥操作指令发出端生成指令后，通过信息调度中心，将指令发送到三维图形仿真验证和计算能力验证两个验证端进行指令验证，其中的三维图形仿真验证不仅作为空间遥操作系统的验证端，同时也为操作人员提供必要的视觉信息；另外在遥操作指令的生成环节，利用双边控制算法将空间机器人的运动状态和当前预测仿真模型的运动状态之差生成反馈力，施加给操作者，使操作者能够通过力感受判断空间机器人运动状态。

主权项

1.一种空间机器人遥操作方法，其特征在于步骤如下： 步骤1、构建空间遥操作验证端： (1)建立三维仿真验证端：根据空间机器人几何尺寸建立三维模型，根据空间机器人的质量、惯量、质心位置、连杆长度等动力学参数和控制器参数建立其动力学仿真数学模型； (2)建立执行能力验证端：在空间遥操作系统构架与远端空间机器人控制器相同的控制设备，并监测其输入和输出； 步骤2、采用具有力反馈功能的手控器设备作为主手，产生空间遥操作指令：操作前，先建立空间机器人与空间遥操作的通信，使空间遥操作系统能够获取空间机器人的关节角状态；当主手被施加F_h，然后以T_c的时间间隔进行以下步骤： (1)将主手自身的位置P_m对应为空间机器人末端的位置P_r，对应关系为P_r＝aP_m，其中a为操作系数，a越大操作越灵敏； (2)利用P_r进行空间机器人运动学逆解运算，得到空间机器人的机械臂关节角θ_m，由于所得的逆解不唯一，选取与空间遥操作系统接收到的遥测关节角最接近的一组(3)将作为空间遥操作指令，发送到数据调度中心；通过以上3步，生成以T_c为时间间隔的遥操作指令序列，数据调度中心将指令转发到三维仿真验证端和执行能力验证端； 步骤3、三维仿真验证端在接收到数据调度中心转发的指令后进行遥操作指令三维仿真验证： (1)在三维仿真验证端接收到遥操作指令后，将时间间隔T_c的指令序列进行插值，插值结果为时间间隔T_d的仿真输入序列，作为动力学仿真数学模型的期望输入，进行动力学仿真计算，得到机器人的仿真输出关节角序列；所述T_d<T_c； (2)当关节角序列存在关节角度、角速度超限时，则发送验证结果信息，用相应的错误类别标志码M_e表示验证失败类别；若无则将仿真输出关节角序列进行运动学正解，得到笛卡尔空间运动序列；当笛卡尔空间运动存在位置、速度超限时，则发送验证结果信息，用相应错误类别标志码M_e表示验证失败类型；若上述超限情况均没有，则视遥操作指令超限检测安全； (3)利用第1步所得到的仿真输出关节角运动序列，空间机器人的三维模型，采用OBB法进行碰撞检测，若存在碰撞情况，则发送验证结果信息，用相应的错误类别标志码M_e表示验证失败类别，若无碰撞则视遥操作指令碰撞检测安全； (4)若第3～4步的遥操作指令的超限检测和碰撞检测均安全，则视为三维仿真验证成功，发送遥操作指令验证结果信息； 步骤4、空间机器人指令执行能力验证：将遥操作指令发送给步骤1所构建的本地控制设备，若控制器的输出超过机器人实际执行能力，或计算时间超过指令间隔，则视为执行能力验证失败，发送验证失败信息，用相应的错误类别标志码M_e表示验证失败类别；反之，则发送遥操作指令执行能力验证成功信息； 步骤5、遥操作指令的处理：若步骤3和步骤4的检测结果均为成功，则将遥操作指令发送到空间机器人执行，否则向内部所有子系统发送紧急处理指令，其中包含紧急处理原因，若验证失败原因为发生碰撞，则在内部子系统发送紧急处理指令的同时向空间机器人发送紧急停止指令，停止机器人运动；步骤6、以主手为力反馈设备，从手为远端空间机器人，采用双边控制算法生成手控器反馈力： (1)步骤5所发出的遥操作指令经过通信时延T₁发送到从手，经历时延后从手接收到的指令表示为θ_sd；(2)从手的PD控制器获得输入指令θ_sd后，生成关节控制力矩τ_s，控制从手的运动， 其中F_e为环境作用力； (3)从手将自身的关节角θ_s传递空间遥操作系统，经过数据调度中心转发给主手，期间的时延为T₂，经历时延后主手接收到的关节角表示为θ_md； (4)主手的PD控制器获得θ_md后，经过运动学正解，得到真实的空间机器人末端位置P_rd，与步骤2相反将P_rd对应为手控器位置P_md，即P_md＝P_rd/a，与当前手控器的位置P_m做差，生成主端反馈力F_md，通过手控器施加给操作人员。