一种基于ROS的主从异构遥操作控制系统技术方案

一种基于ROS的主从异构遥操作控制系统，属于机器人主从遥操作技术领域。本发明专利技术解决主从异构控制中主从空间不一致的映射问题，并将ROS引入到控制系统中，为控制系统提供丰富的机器人工具包和便捷的通信系统。主端操作手通过主端控制器与示教盒串行通信，从端控制器通过网线与示教盒连接建立局域网，实现从端控制器和示教盒的数据交互，多个从端模块通过从端控制器实现运动控制；每个从端模块包括PMAC运动控制器、电机驱动器和从端机械臂；PMAC运动控制器与从端控制器通过网线连接，PMAC运动控制器通过电机驱动器驱动从端机械臂。本发明专利技术实现主端操作手控制从端机械臂进行精细化操作。还可仿真模拟主端操作手对从端机械臂的控制。

A master slave heterogeneous teleoperation control system based on ROS

A master slave heterogeneous teleoperation control system based on ROS belongs to the technology of master-slave teleoperation of robots. The invention solves the problem of the inconsistency of the master and slave space in the master and slave heterogeneous control, and introduces the ROS into the control system, which provides a rich robot toolkit and a convenient communication system for the control system. The main terminal operator communicate with the teaching box through the main end controller. The end controller connects the network with the teaching box to establish the LAN, which realizes the data interaction from the end controller and the teaching box, and the multiple slave module realizes the motion control through the slave controller. Each slave module includes the PMAC motion controller and the motor driver. The PMAC motion controller is connected with the slave controller through the network cable, and the PMAC motion controller drives the slave end manipulator through the motor driver. The invention realizes the fine operation of the slave manipulator by controlling the main end operator. It can also simulate the control of the slave manipulator by the master manipulator.

【技术实现步骤摘要】
一种基于ROS的主从异构遥操作控制系统
本专利技术涉及一种基于ROS的主从异构遥操作控制系统，属于机器人主从遥操作
技术背景随着国家深海、深空战略的进一步实施，中国人正一步步向着人类自身不可抵达的空间迈进，人们也迫切需要机器人代替人类到达这些危险的环境，从事一些需要人类完成的事情。在此背景下，遥操作机器人、空间遥操作机械臂等成为研究的热点。遥操作技术是一种主从机械控制技术，人类通过控制主手的运动来达到控制从手的目的。目前应用比较广泛，技术比较成熟的遥操作主从控制方法有两种，一种是通过旋转控制面板上的旋钮控制对应机械臂关节的控制方法，另一种是主端和从端结构相同的主从同构型遥操作机器人系统控制方法。这两种控制方法都属于关节空间控制方法，虽然技术实现简单，但前者用户的沉浸式体验较差，后者限制了从手设备类型的选择。主从异构的控制方法，同一种主手可以控制多种类型的从手设备，大大扩展了主从设备的可选范围，扩大了遥操作机器人的应用范围。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于ROS的主从异构遥操作控制系统，解决主从异构控制中主从空间不一致的映射问题，并将ROS引入到控制系统中，为控制系统提供丰富的机器人工具包和便捷的通信系统。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于ROS的主从异构遥操作控制系统，所述系统包括主端操作手、主端控制器、示教盒、从端控制器和多个从端模块，主端操作手通过主端控制器与示教盒串行通信，从端控制器通过网线与示教盒连接建立局域网，实现从端控制器和示教盒的数据交互，多个从端模块通过从端控制器实现运动控制；每个从端模块包括PMAC运动控制器、电机驱动器和从端机械臂；PMAC运动控制器与从端控制器通过网线连接，PMAC运动控制器通过电机驱动器驱动从端机械臂；主端操作手用于实现空间六自由度运动，在关节处对应装有用于测量关节角度值的编码器；主端控制器用于采集主端操作手的各个关节角度信息，通过运动学正解获得主端操作手末端相对于主端操作手的固定基座的位姿0Tm；0Tm＝0A1·1A2…iAi+1…m-1Am(1)式中：iAi+1为主端操作手上第i个关节的前后相邻杆件的位姿关系，m为主端操作手的关节总数；主端控制器通过ESP32开发板中有三个通用异步收发传输(UART)控制器，利用串口将主端操作手的关节角度、末端位姿信息传输到所述示教盒；示教盒用于按照预设的通信协议对主端控制器传来的数据(关节角度、末端位姿信息)进行解析，示教盒将解析到的主端操作手末端位姿关系按下面的格式再次打包成从端控制器能够识别的命令；利用ROS将所述的命令以消息的形式发送到从端控制器供其处理；示教盒还用于与用户进行交互，在示教盒的显示屏上显示主端操作手各关节的当前角度值，能够将主端操作手的3D模型、主端操作手控制下的从端机械臂的3D模型动态显示在所述显示屏上；从端控制器用于接收所述示教盒发来的命令，计算出从端机械臂每个关节需要运动的角度；主端操作手笛卡尔空间下的位姿到从端机械臂笛卡尔空间下的位姿转换需要经过主从映射；所述主从映射为常比例和变比例控制方法相结合的混合空间映射；转换过程如下：选择主从映射比例系数K1和K2，对当前从端机械臂位置与目标点位置的距离d和主端操作手空间运动范围M做出判断，当d>M时，主端操作手末端相对于主端操作手固定基座的位姿0Tm和从端机械臂末端相对从端机械臂固定基座的位姿关系0Ts的映射关系为0Ts＝K1·0Tm，使从端机械臂迅速靠近目标点；当d≤M，主端操作手末端相对于主端操作手固定基座的位姿0Tm和从端机械臂末端相对从端机械臂固定基座的位姿关系0Ts的映射关系(主从映射关系)为0Ts＝K2·0Tm，使从端机械臂进行精细的操作，准确到达目标点位置；求出从端机械臂末端相对固定基座的位姿关系0Ts之后，通过运动学逆解，从笛卡尔空间再次转化到关节空间，去除不合适的解后求出从端机械臂各关节的运动角度，从端控制器将从端机械臂各关节的运动角度信息下发到PMAC运动控制器，进而通过电机驱动器驱动从端机械臂运动。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术为一种主从异构遥操作技术的控制方案，它解决了遥操作领域主从异构控制的运动学、主从空间映射以及主从通信的问题，具体技术效果主要有以下三点：1、本项目解决主从异构的方法是：先利用运动学正解将主端操作手的关节空间坐标转换成笛卡尔空间坐标，求得主端操作手末端相对于主端操作手固定基座的位姿；经过中间转换(1)得到从端机械臂末端相对于从端机械臂固定基座的位姿，再利用运动学逆解将笛卡尔空间坐标转换成从端机械臂的关节空间坐标，求得从端机械臂各关节需要动的角度。0Ts＝K·0Tm(1)0Ts表示从端操作手相对从端操作手固定基座的笛卡尔空间坐标；0Tm表示主端操作手相对主端操作手固定基座的笛卡尔空间坐标；K表示主从两端的某种空间映射关系；2、通常情况下，主从异构控制存在主从设备工作空间不同的问题，需要特定的主从空间映射。本控制系统采用常比例和变比例控制方法相结合的混合空间映射方法。示教盒上设有两个档位，分别对应不同的K值(K1，K2)。当从端机械臂当前位置距目标点的距离大于主端操作手的工作空间时，取K＝K1，放大主端操作手的工作空间；等到接近目标点时再切换K＝K2，主端操作手控制从端机械臂进行精细化操作。3、ROS全称为RobotOperatingSystem，可应用于各种机器人系统，为其提供包含硬件抽象描述、公用功能的执行、底层驱动程序管理、程序发行包管理、程序间的消息传递等功能。本专利技术控制系统利用ROS方便的通信功能，将ROS运行于一台主机作为ROS系统服务器，从端机械臂由工控机控制，将从端控制器、ROS系统服务器及示教盒置于同一局域网内，通过示教盒向从端控制器发送命令，实现主从控制器的“握手”。利用ROS丰富的工具包，还可以在示教盒上进行从端机械臂运动的RVIZ显示，仿真模拟主端操作手对从端机械臂的控制。附图说明图1为本专利技术提及的主端操作手(被动主手)的结构简图，图1中标示出了七个笛卡尔坐标系；图2为本专利技术提及的从端机械臂的结构原理图，图2中标示出了五个笛卡尔坐标系；图3为本专利技术提及的另一种从端机械臂的结构原理图(可以是SCARA机器臂)，图3中标示出了五个笛卡尔坐标系；图4为本专利技术的控制系统的结构框图；图5为主从空间映射方案的流程图；图6为基于ROS实现示教盒与从端控制器的交互通信原理图。具体实施方式如图1至图6所示，本实施方式所述的一种基于ROS的主从异构遥操作控制系统包括主端操作手(简称主手)、主端控制器、示教盒、从端控制器和多个从端模块，主端操作手通过主端控制器与示教盒串行通信，从端控制器通过网线与示教盒连接建立局域网，实现从端控制器和示教盒的数据交互，多个从端模块通过从端控制器实现运动控制；每个从端模块包括PMAC运动控制器、电机驱动器和从端机械臂(简称从手)；PMAC运动控制器与从端控制器通过网线连接，PMAC运动控制器通过电机驱动器驱动从端机械臂；主端操作手用于实现空间六自由度运动，在关节处对应装有用于测量关节角度值的编码器；主端控制器使用ESP32开发板为作开发平台，主端操作手关节处的多个编码器分别连接在ESP32开发板引脚上，通过配置ESP32开本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ROS的主从异构遥操作控制系统，其特征在于，所述系统包括主端操作手、主端控制器、示教盒、从端控制器和多个从端模块，主端操作手通过主端控制器与示教盒串行通信，从端控制器通过网线与示教盒连接建立局域网，实现从端控制器和示教盒的数据交互，多个从端模块通过从端控制器实现运动控制；每个从端模块包括PMAC运动控制器、电机驱动器和从端机械臂；PMAC运动控制器与从端控制器通过网线连接，PMAC运动控制器通过电机驱动器驱动从端机械臂；主端操作手用于实现空间六自由度运动，在关节处对应装有用于测量关节角度值的编码器；主端控制器用于采集主端操作手的各个关节角度信息，通过运动学正解获得主端操作手末端相对于主端操作手的固定基座的位姿0Tm；0Tm＝0A1·1A2…iAi+1…m‑1Am  (1)式中：iAi+1为主端操作手上第i个关节的前后相邻杆件的位姿关系，m为主端操作手的关节总数；主端控制器通过ESP32开发板中有三个通用异步收发传输控制器，利用串口将主端操作手的关节角度、末端位姿信息传输到所述示教盒；示教盒用于按照预设的通信协议对主端控制器传来的数据进行解析，示教盒将解析到的主端操作手末端位姿关系按下面的格式再次打包成从端控制器能够识别的命令；利用ROS将所述的命令以消息的形式发送到从端控制器供其处理；示教盒还用于与用户进行交互，在示教盒的显示屏上显示主端操作手各关节的当前角度值，能够将主端操作手的3D模型、主端操作手控制下的从端机械臂的3D模型动态显示在所述显示屏上；从端控制器用于接收所述示教盒发来的命令，计算出从端机械臂每个关节需要运动的角度；主端操作手笛卡尔空间下的位姿到从端机械臂笛卡尔空间下的位姿转换需要经过主从映射；所述主从映射为常比例和变比例控制方法相结合的混合空间映射；转换过程如下：选择主从映射比例系数K1和K2，对当前从端机械臂位置与目标点位置的距离d和主端操作手空间运动范围M做出判断，当d>M时，主端操作手末端相对于主端操作手固定基座的位姿0Tm和从端机械臂末端相对从端机械臂固定基座的位姿关系0Ts的映射关系为0Ts＝K1·0Tm，使从端机械臂迅速靠近目标点；当d≤M，主端操作手末端相对于主端操作手固定基座的位姿0Tm和从端机械臂末端相对从端机械臂固定基座的位姿关系0Ts的映射关系为0Ts＝K2·0Tm，使从端机械臂进行精细的操作，准确到达目标点位置；求出从端机械臂末端相对固定基座的位姿关系0Ts之后，通过运动学逆解，从笛卡尔空间再次转化到关节空间，去除不合适的解后求出从端机械臂各关节的运动角度，从端控制器将从端机械臂各关节的运动角度信息下发到PMAC运动控制器，进而通过电机驱动器驱动从端机械臂运动。...

【技术特征摘要】
1.一种基于ROS的主从异构遥操作控制系统，其特征在于，所述系统包括主端操作手、主端控制器、示教盒、从端控制器和多个从端模块，主端操作手通过主端控制器与示教盒串行通信，从端控制器通过网线与示教盒连接建立局域网，实现从端控制器和示教盒的数据交互，多个从端模块通过从端控制器实现运动控制；每个从端模块包括PMAC运动控制器、电机驱动器和从端机械臂；PMAC运动控制器与从端控制器通过网线连接，PMAC运动控制器通过电机驱动器驱动从端机械臂；主端操作手用于实现空间六自由度运动，在关节处对应装有用于测量关节角度值的编码器；主端控制器用于采集主端操作手的各个关节角度信息，通过运动学正解获得主端操作手末端相对于主端操作手的固定基座的位姿0Tm；0Tm＝0A1·1A2…iAi+1…m-1Am(1)式中：iAi+1为主端操作手上第i个关节的前后相邻杆件的位姿关系，m为主端操作手的关节总数；主端控制器通过ESP32开发板中有三个通用异步收发传输控制器，利用串口将主端操作手的关节角度、末端位姿信息传输到所述示教盒；示教盒用于按照预设的通信协议对主端控制器传来的数据进行解析，示教盒将解析到的主端操作手末端位姿关系按下面的格式再次打包成从端控制器能够识别的命令；利用ROS将所述的命令以消息的形式发送到从端控制器供其处理；示教盒还用于与用户进行交互，在示教盒的显示屏上显示主端操作手各关节的当前角度值，能够将主端操作手的3D模型、主端操作手控制下的从端机械臂的3D模型动态显示在所述显示屏上；从端控制器用于接收所述示教盒发来的命令，计算出从端机械臂每个关节需要运动的角度；主端操作手笛卡尔空间下的位姿到从端机械臂笛卡尔空间下的位姿转换需要经过主从映射；所述主从映射为常比例和变比例控制方法相结合的混合空间映射；转换过程如下：选择主从映射比例系数K1和K2，对当前从端机械臂位置与目标点位置的距离d和主端操作手空间运动范围M做出判断，当d>M时，主端操作手末端相对于主端操作手固定基座的位姿0Tm和从端机械臂末端相对从端机械臂固定基座的位姿关系0Ts的映射关系为0Ts＝K1·0Tm，使...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟东，杜志江，高永卓，李耿磊，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23