冗余机械臂遥操作组合交互装置及冗余机械臂遥操作系统制造方法及图纸

一种冗余机械臂遥操作组合交互装置及冗余机械臂遥操作系统，该遥操作组合交互装置包括人机交互设备和控制模块，所述人机交互设备包括分别连接所述控制模块的手控器、穿戴式数据手臂和手势采集设备，所述控制模块通过通信链路连接冗余机械臂，所述控制模块根据所述手势采集设备的输入快速控制冗余机械臂从远距离到达操作位置，根据所述穿戴式数据手臂的输入进行冗余机械臂的臂型控制，并根据所述手控器的输入进行冗余机械臂对目标的近距离精细操作控制。本发明专利技术的遥操作交互装置能够很好地遥操作冗余机械臂尤其是空间机器人冗余柔性机械臂完成远距离接近抓捕、精细操作、避障等复杂任务，能够比传统遥操作装置更精确快速地完成操作任务。

【技术实现步骤摘要】
冗余机械臂遥操作组合交互装置及冗余机械臂遥操作系统
本专利技术涉及遥操作系统，尤其是一种冗余机械臂遥操作组合交互装置及冗余机械臂遥操作系统。
技术介绍
空间机器人在未来的空间活动中将扮演越来越重要的角色，其应用领域广泛，包括卫星维修、大型空间结构建造、轨道垃圾清理等，因而越来越受到各航天大国的重视。与地面不同，空间操作要求机器人具有在未知环境下正常工作的能力。自主行为是空间机器人执行复杂而困难工作的必要条件，它不仅依赖于视觉、力、力矩以及触觉传感器，而且依赖于先进的规划和决策能力。当自主能力不够时，需要将人的智力加入进来，形成天地闭环遥操作，完成空间任务。在遥操作系统中，操作者在较远处对机器人发出控制指令，机器人按照操作者的指令完成工作任务，同时将一些信号反馈给操作者，帮助操作者了解从端机器人的工作状况。遥操作机器人是一个种有人参与的机器人局部自主控制系统，涉及到人与机器人的交互和机器人与环境的交互，它充分发挥了人与机器人各自的优势并拓展了人的感知和行为能力。常见的应用主要有，在航天活动中，只需要地面操作人员和/或位于舱内的宇航员对空间机器人进行遥操作，就可以完成空间站的维护或航天器燃料加注等任务，甚至是月球或火星表面的勘测。避免了出舱对宇航员带来的危险，有效地降低了航天任务的成本，并拓展了人类的探测能力。在核工业和化工产业，在处理一些核废料和有毒化工废料时，作业工人被禁止与环境直接接触。在执行水下探索任务时，要满足人类随心所欲地到达工作区域的要求，在技术上往往较难实现或者需要很高的成本代价。在远程医疗中，医生需要在长距离的远端进行遥控操作；而在微创手术中，可以采用微小的远程遥控手术器械，获得更小的手术创口和更佳的术后恢复效果。遥操作系统主要指操作者通过主端人机交互设备来控制从端机器人进行探索和作业任务。典型的遥操作系统由操作者、人机交互设备、主控制器、通信通道、从控制器、从端机器人和环境等几部分組成。其工作模式是；操作者通过人机交互设备获取人的控制指令信息，通过无线电波、计算机网络等传输煤介传送给从端机器人，从端机器人按照接受到的指令在特定环境下进行工作，同时将自己的工作状态和与环境的相互作用力等信息返回给操作者，便于操作者作出正确的决策。高性能的遥操作系统可使操作者真实地感觉到机器人与作业环境之间的交作用，就好像是操作者自己直接在用手进行操作一样，具有身临其境的感觉。在常见的人机交互技术中，摇杆、仿机器人外形的控制器(手控器)等接触式的机械设备是经常被用作操作员和机器人之间交互的工具。这类控制器的最大缺点是需要操作员进行相当不直观的手臂动作对机器人进行控制，这就需要操作员具备一定的操作经验才能有效的对机器人进行准确的控制。其他具体缺点还有：映射关系只能是末端映射；当有障碍情况下，手控器设备不能做有避障的操作控制；当机械臂工作空间超过手控器工作空间时，需多次往返重复操作。另外一种人机交互方式是采用对人手的位置和位姿进行实时跟踪的系统。属于这类型的设备有电磁跟踪设备，惯性传感器，数据手套等，这些都属于接触式的传感器，缺点也很明显，就是会阻碍操作员正常的手部动作。需要说明的是，在上述
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部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服上述
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存在的问题，提供一种冗余机械臂遥操作组合交互装置及冗余机械臂遥操作系统。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种冗余机械臂遥操作组合交互装置，包括人机交互设备和控制模块，所述人机交互设备包括分别连接所述控制模块的手控器、穿戴式数据手臂和手势采集设备，所述控制模块通过通信链路连接冗余机械臂，所述控制模块根据所述手势采集设备的输入快速控制冗余机械臂从远距离到达操作位置，根据所述穿戴式数据手臂的输入进行冗余机械臂的臂型控制，并根据所述手控器的输入进行冗余机械臂对目标的近距离精细操作控制。进一步地：所述人机交互设备还包括连接所述控制模块的语音系统，所述控制模块还根据所述语音系统的输入进行辅助控制，所述辅助控制包括切换操作者操作视角、工具开合。所述控制模块根据所述手势采集设备的输入快速控制冗余机械臂从远距离到达操作位置，包括：根据从所述手势采集设备采集到的位置姿态信息映射到冗余机械臂的末端位姿。所述控制模块根据所述穿戴式数据手臂的输入进行冗余机械臂的臂型控制，包括如下控制方式：a)根据从所述穿戴式数据手臂采集到的操作者手臂末端位置以及大臂与小臂的关节角来共同控制冗余机械臂的位姿；或者，b)根据从所述穿戴式数据手臂采集到的操作者手臂末端位置以及手臂形成的平面与地面的夹角即臂型角来共同控制冗余机械臂的位姿。对于控制方式a)，利用关节角θ的角度值与末端位姿作为逆解输入得到冗余机械臂运动学唯一解。对于控制方式b)，定义单位矢量V与第一个关节的旋转轴平行，即V＝[001]T，定义参考平面为矢量V与腕部关节点W所组成的平面，将所述参考平面绕着由肩部关节点S指向腕部关节点W的向量w，按右手螺旋定旋转到与当前由肩部关节点S、肘部关节点E与腕部关节点W形成的臂型面重合时所转的角度定义为臂型角ψ，利用臂型角ψ的角度值与末端位姿作为逆解输入得到冗余机械臂运动学唯一解。所述控制模块包括操作控制平台、人机交互界面和数据处理模块，所述操作控制平台负责虚拟操作场景的搭建、人机交互界面的管理以及与冗余机械臂的数据通信，所述数据处理模块负责控制数据的处理，将采集到的操作者输入信息转化为冗余机械臂控制数据。所述冗余机械臂为空间机器人冗余柔性机械臂。一种冗余机械臂遥操作系统，包括所述的冗余机械臂遥操作组合交互装置和被遥操作的冗余机械臂。进一步地，所述冗余机械臂为七自由度冗余机械臂，所述七自由度冗余机械臂为自由度3-1-3的方式配置的机械臂，机械臂的肩关节部和腕关节部各由三个关节两两垂直配置，机械臂中间的三个关节相互平行，肩关节部采用翻滚角-偏航角-俯仰角(roll-yaw-pitch)配置，肘关节部为俯仰角轴，腕部采用俯仰角-偏航角-翻滚角(pitch-Yaw-roll)配置。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术的遥操作交互装置能够很好地遥操作冗余机械臂尤其是空间机器人冗余柔性机械臂完成远距离接近抓捕、精细操作、避障等复杂任务，交互过程中生成组合式的控制数据，能够比传统遥操作装置更精确快速地完成操作任务。通过上述多种交互方式组合实现遥操作，本专利技术可使操作员快速、高效、精确的完成对时间、精度、障碍等操作要求下的远程遥操作任务。本专利技术能够提供的功能包括：(1)支持对冗余机械臂的快速操作；(2)支持对冗余机械臂臂型控制，来完成避障任务；(3)支持对冗余机械臂精细力反馈操作。本专利技术尤其能够胜任完成空间任务中对冗余机械臂的天地闭环遥操作。本专利技术优选实施例还提出了一种有利的七自由度冗余机械臂设计。附图说明图1为本专利技术实施例的结构示意图；图2为本专利技术实施例的多种人本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冗余机械臂遥操作组合交互装置，其特征在于，包括人机交互设备和控制模块，所述人机交互设备包括分别连接所述控制模块的手控器、穿戴式数据手臂和手势采集设备，所述控制模块通过通信链路连接冗余机械臂，所述控制模块根据所述手势采集设备的输入快速控制冗余机械臂从远距离到达操作位置，根据所述穿戴式数据手臂的输入进行冗余机械臂的臂型控制，并根据所述手控器的输入进行冗余机械臂对目标的近距离精细操作控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种冗余机械臂遥操作组合交互装置，其特征在于，包括人机交互设备和控制模块，所述人机交互设备包括分别连接所述控制模块的手控器、穿戴式数据手臂和手势采集设备，所述控制模块通过通信链路连接冗余机械臂，所述控制模块根据所述手势采集设备的输入快速控制冗余机械臂从远距离到达操作位置，根据所述穿戴式数据手臂的输入进行冗余机械臂的臂型控制，并根据所述手控器的输入进行冗余机械臂对目标的近距离精细操作控制。


2.如权利要求1所述的冗余机械臂遥操作组合交互装置，其特征在于，所述人机交互设备还包括连接所述控制模块的语音系统，所述控制模块还根据所述语音系统的输入进行辅助控制，所述辅助控制包括切换操作者操作视角、工具开合。


3.如权利要求1或2所述的冗余机械臂遥操作组合交互装置，其特征在于，所述控制模块根据所述手势采集设备的输入快速控制冗余机械臂从远距离到达操作位置，包括：根据从所述手势采集设备采集到的位置姿态信息映射到冗余机械臂的末端位姿。


4.如权利要求1或2所述的冗余机械臂遥操作组合交互装置，其特征在于，所述控制模块根据所述穿戴式数据手臂的输入进行冗余机械臂的臂型控制，包括如下控制方式：a)根据从所述穿戴式数据手臂采集到的操作者手臂末端位置以及大臂与小臂的关节角来共同控制冗余机械臂的位姿；或者，b)根据从所述穿戴式数据手臂采集到的操作者手臂末端位置以及手臂形成的平面与地面的夹角即臂型角来共同控制冗余机械臂的位姿。


5.如权利要求4所述的冗余机械臂遥操作组合交互装置，其特征在于，对于控制方式a)，利用关节角θ的角度值与末端位姿作为逆解输入得到冗余机械臂运动学唯一解。

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓俊，王学谦，梁斌，刘厚德，马云萱，高学海，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44