一种交互式的空间遥操作系统技术方案

本发明专利技术公开了一种交互式的空间遥操作系统，涉及航空航天技术领域。该系统包括：主系统和从系统，所述主系统包括：显示终端、处理终端和力反馈设备，所述从系统包括：机械臂、控制终端和空间模拟装置。本发明专利技术提供的空间遥操作系统，通过力反馈设备对机械臂进行控制，能够给用户真实的力觉反馈信息，提高了用户的感知，进而提高操作精度，同时，通过显示终端对机械臂的虚拟景象进行显示，能够实现用户在操作时直观地获取机械臂的运动状态，相比于传统的观察机械臂的方法，有效地将时延控制在本地回路之外，即主系统中的力反馈设备和显示终端的时延极小，能够实现即时反馈，进而显著提高系统的稳定性。

An Interactive Space Teleoperation System

The invention discloses an interactive space teleoperation system, which relates to the field of aerospace technology. The system includes a master system and a slave system. The master system includes a display terminal, a processing terminal and a force feedback device. The slave system includes a manipulator, a control terminal and a space simulator. The space teleoperation system provided by the invention can control the manipulator by force feedback device, which can give the user real force feedback information, improve the user's perception, and then improve the operation accuracy. At the same time, the virtual scene of the manipulator can be displayed by the display terminal, so that the user can obtain the motion state of the manipulator intuitively during operation, compared with the traditional one. The method of observing the manipulator can effectively control the time delay outside the local loop, that is, the force feedback device and the display terminal in the main system have minimal time delay, which can achieve immediate feedback, and thus significantly improve the stability of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种交互式的空间遥操作系统
本专利技术涉及航空航天
，尤其涉及一种交互式的空间遥操作系统。
技术介绍
空间机器人能够辅助科学实验在轨开展，处理高危、高难度以及机械式重复性劳动，从而节省成本、提高任务执行效率，拓展空间应用活动。然而，由于时延的存在，导致天地控制系统不稳定性增加。现有的遥操作系统，通常是通过主端采集人手臂的关节运动状态，并将其映射到从端的机器人，实现对机器人的控制，无法降低时延对系统稳定性的影响。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种交互式的空间遥操作系统。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种交互式的空间遥操作系统，包括：主系统和从系统，所述主系统包括：显示终端、处理终端和力反馈设备，所述从系统包括：机械臂、控制终端和空间模拟装置，其中：所述显示终端用于显示虚拟场景中的虚拟机械臂，所述力反馈设备用于获取用户的操作信息，所述处理终端用于根据所述操作信息计算所述机械臂各关节的角度，并根据所述角度更新所述显示终端显示的所述虚拟机械臂的末端位姿，并根据更新后的所述末端位姿计算所述虚拟机械臂产生的接触力，所述力反馈设备还用于输出所述接触力；所述控制终端用于根据所述角度控制所述机械臂的各关节运动，实现所述机械臂对所述空间模拟装置的遥操作。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的空间遥操作系统，通过力反馈设备对机械臂进行控制，并通过处理终端计算虚拟机械臂产生的接触力，通过力反馈设备反馈给用户，能够给用户真实的力觉反馈信息，提高了用户的感知，进而提高操作精度，同时，通过显示终端对机械臂的虚拟景象进行显示，能够实现用户在操作时直观地获取机械臂的运动状态，相比于传统的观察机械臂的方法，有效地将时延控制在本地回路之外，即主系统中的力反馈设备和显示终端的时延极小，能够实现即时反馈，进而显著提高系统的稳定性。本专利技术附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术实践了解到。附图说明图1为本专利技术空间遥操作系统的实施例提供的结构框架示意图；图2为本专利技术空间遥操作系统的其他实施例提供的虚拟场景示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。如图1所示，为本专利技术空间遥操作系统的实施例提供的结构框架示意图，该空间遥操作系统包括：主系统1和从系统2，主系统1包括：显示终端11、处理终端12和力反馈设备13，从系统2包括：机械臂21、控制终端22和空间模拟装置，其中：显示终端11用于显示虚拟场景中的虚拟的机械臂21，力反馈设备13用于获取用户的操作信息，处理终端12用于根据操作信息计算机械臂21各关节的角度，并根据角度更新显示终端11显示的虚拟的机械臂21的末端位姿，并根据更新后的末端位姿计算虚拟的机械臂21产生的接触力，力反馈设备13还用于输出接触力；控制终端22用于根据角度控制机械臂21的各关节运动，实现机械臂21对空间模拟装置的遥操作。应理解，用户的操作信息为用户对力反馈设备13进行操作后，产生的操作信息，例如，由于力反馈设备13是为了远程控制机械臂21，那么对于用户对于力反馈设备13的操作，相当于是生成了机械臂21的期望末端位姿，操作信息就可以包括机械臂21的期望末端位姿，即用户通过操作力反馈设备13，期望机械臂21运动到的位姿，还可以包括产生期望末端位姿的时间戳、验证码等数据。需要说明的是，力反馈设备13可以为GeomagicTouch力反馈设备13，优点是能够采集操作者的六自由度位置姿态信息，反馈交互过程中的三自由度接触力信息。机械臂21可以为七自由度的机械臂21。处理终端12中可以预存有用于虚拟场景建模的软件，可以通过OSG引擎构建。例如，该软件可以在VisaulStudio的MFC框架下，基于OSG引擎对导入的机械臂21及在3Dmax软件中绘制的操作场景的三维模型进行组装，构建初始化的虚拟场景。依据控制模块输出的关节角信息对虚拟场景内的机械臂21关节进行重新渲染，实现虚拟场景仿真的动态显示，保证场景中的模型与操作者动作的一致性。处理终端12中还可以预存有用于人机交互的软件，可以通过GeomagicTouch的SDK进行开发，依照其指定的接口实现位姿的采集和力的输出。处理终端12中还可以预选有包含预先设计好的机械臂21的典型动作的存储程序，典型动作可以包括：夹持、搬运、旋拧、挤压等，通过这些预存的典型动作，能够简化用户的操作。主系统1的处理终端12与从系统2的控制终端22之间的通信可以基于TCP/IP协议实现。控制终端22在接收到机械臂21各关节的角度后，可以基于RobaiCyton300提供的API接口实现对机械臂21的控制。与此同时，控制终端22还可以基于API接口实现对各关节的实际角度的采集，并回传至主系统1。具体地，处理终端12、控制终端22可以为计算机、PLC可编程控制器等终端设备。空间模拟装置为需要控制机械臂21操作的模拟装置，可以根据实际的实验需要进行设置。例如，当需要模拟化学实验时，可以包括操作台、培养皿、培养皿盖、滴管、玻璃棒、注射器以及支架等；当需要模拟电气工程时，可以包括电钳、电路板、焊枪和电子元器件等。本实施例提供的空间遥操作系统，通过力反馈设备13对机械臂21进行控制，并通过处理终端12计算虚拟的机械臂21产生的接触力，通过力反馈设备13反馈给用户，能够给用户真实的力觉反馈信息，提高了用户的感知，进而提高操作精度，同时，通过显示终端11对机械臂21的虚拟景象进行显示，能够实现用户在操作时直观地获取机械臂21的运动状态，相比于传统的观察机械臂21的方法，有效地将时延控制在本地回路之外，即主系统1中的力反馈设备13和显示终端11的时延极小，能够实现即时反馈，进而显著提高系统的稳定性。可选地，在一些实施例中，操作信息包含期望末端位姿，处理终端12具体用于根据运动学逆解算法对期望末端位姿进行计算，得到机械臂21各关节的角度。可选地，在一些实施例中，根据以下公式计算机械臂21各关节的角度：θ*＝argmin(||Xdes-X(θ)||2)其中，Xdes为机械臂21的期望末端位姿，X(θ)为由机械臂21正运动学算法求得的机械臂21的当前末端位姿，θ*为期望末端位姿对应的机械臂21各关节的角度。应理解，上述运动学逆解算法的求解采用最小二乘法实现。可选地，在一些实施例中，根据以下公式计算虚拟的机械臂21产生的接触力：其中，F为接触力，n为常数，n＝1.5，k由接触材料的弹性模量和泊松比决定，δ为接触过程中的嵌入深度，r为接触半径，c为变形后的恢复系数。需要说明的是，δ和r可以通过处理终端12对接触情况进行模拟，计算得到相应的数值，k、c可以根据实际建模的材料获取。可选地，在一些实施例中，显示终端11为虚拟现实显示设备。需要说明的是，虚拟现实现实设备可以包括VR眼镜、VR头盔等，也可以包括用于裸眼3D的显示器。应理解，现实终端也可以只是常见的显示器，在显示器中显示模拟的场景，模拟的场景指的是经3D建模得到的模型。如图2所示，给出了一种示例性的虚拟场景示意图，图中包括虚拟的机械臂21，还包括操作台23、培养皿24、滴管25等空间模拟装置。可选地，在一些实施例中，显本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种交互式的空间遥操作系统，其特征在于，包括：主系统和从系统，所述主系统包括：显示终端、处理终端和力反馈设备，所述从系统包括：机械臂、控制终端和空间模拟装置，其中：所述显示终端用于显示虚拟场景中的虚拟机械臂，所述力反馈设备用于获取用户的操作信息，所述处理终端用于根据所述操作信息计算所述机械臂各关节的角度，并根据所述角度更新所述显示终端显示的所述虚拟机械臂的末端位姿，并根据更新后的所述末端位姿计算所述虚拟机械臂产生的接触力，所述力反馈设备还用于输出所述接触力；所述控制终端用于根据所述角度控制所述机械臂的各关节运动，实现所述机械臂对所述空间模拟装置的遥操作。

【技术特征摘要】
1.一种交互式的空间遥操作系统，其特征在于，包括：主系统和从系统，所述主系统包括：显示终端、处理终端和力反馈设备，所述从系统包括：机械臂、控制终端和空间模拟装置，其中：所述显示终端用于显示虚拟场景中的虚拟机械臂，所述力反馈设备用于获取用户的操作信息，所述处理终端用于根据所述操作信息计算所述机械臂各关节的角度，并根据所述角度更新所述显示终端显示的所述虚拟机械臂的末端位姿，并根据更新后的所述末端位姿计算所述虚拟机械臂产生的接触力，所述力反馈设备还用于输出所述接触力；所述控制终端用于根据所述角度控制所述机械臂的各关节运动，实现所述机械臂对所述空间模拟装置的遥操作。2.根据权利要求1所述的空间遥操作系统，其特征在于，所述操作信息包含期望末端位姿，所述处理终端具体用于根据运动学逆解算法对所述期望末端位姿进行计算，得到所述机械臂各关节的角度。3.根据权利要求2所述的空间遥操作系统，其特征在于，根据以下公式计算所述机械臂各关节的角度：θ*＝argmin(||Xdes-X(θ)||2)其中，Xdes为所述机械臂的...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁骥，于歌，郭丽丽，
申请(专利权)人：中国科学院空间应用工程与技术中心，
类型：发明
国别省市：北京,11