遥操作系统及方法技术方案

遥操作系统，包括主控端和从动端，主控端建立主控端工作空间，获取操作指令；从动端建立从动端工作空间，根据操作指令在从动端工作空间与操作对象碰撞并反馈；主控端包括：主接口模块，用于建立主控端工作空间，将从动端及主控端工作空间映射到虚拟空间；力反馈设备，用于获取操作指令，根据操作指令在主控端工作空间中运动，得到运动状态；主控制器，用于根据运动状态计算并重力补偿得到控制力；从控端包括：从接口模块，用于根据所述机械臂的位置建立从动端工作空间；从控制器，用于根据控制力控制机械臂；机械臂，用于在从动端工作空间碰撞操作对象。上述遥操作系统通过进行重力补偿，机械臂在负载非常大情况下轻松操作，实现了易于操作的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及遥操作技术，特别是涉及一种。
技术介绍
遥操作系统是指操作者通过主控制台控制远端的机器人对作业环境发生作用的 系统。在遥操作系统中，操作者与作业环境并不会直接接触，仅仅通过主控制台中的操作手 柄控制远端机器人的机械臂的运动。传统的遥操作系统分为位置伺服型、力反馈型、力反馈伺服型以及力-位置综合 型。位置伺服型的遥操作系统通过操作手柄与机械臂之间的位置偏差进行力觉传递，但是 如果不补偿惯性力和摩擦力，则对于自重及摩擦力较大的机械臂而言，将产生偏差信号不 精确、不适于重负荷、大功率操作的缺陷。力反馈型的遥操作系统将操作手柄上的力或力矩 直接反馈给主手，但是在机械臂自重很大，即使机械臂没有负载的情况下，操作手柄的操作 仍然非常困难。力反馈伺服型的遥操作系统也存在着操作困难的情况。而力-位置综合型 的遥操作系统在机械手自重比较大时也存在着操作困难的缺陷。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种易于操作的遥操作系统。此外，还有必要提供一种易于操作的遥操作方法。一种遥操作系统，包括主控端以及从动端，所述主控端用于建立主控端工作空间， 并获取操作指令；所述从动端，用于建立从动端工作空间，根据操作指令在从动端工作空 间中与操作对象发生碰撞，并反馈；所述主控端包括主接口模块，用于建立主控端工作空 间，并将所述从动端工作空间及主控端工作空间映射到虚拟空间中；力反馈设备，用于获取 操作指令，并根据所述操作指令在主控端工作空间中运动，得到运动状态；主控制器，用于 根据所述力反馈设备的运动状态计算并进行重力补偿得到从动端上的控制力；所述从控端 包括从接口模块，用于根据所述机械臂的位置建立从动端工作空间；从控制器，用于根据 所述控制力及虚拟空间控制机械臂的运动；机械臂，用于在所述从动端工作空间中与操作 对象碰撞，并反馈碰撞后的力。优选地，所述主控制端还包括主伺服模块，用于获取所述力反馈设备中的设备状 态；交互模块，用于生成图形化界面，并在虚拟空间中展示所述设备状态以及机械臂在所述 从动端工作空间的运动。优选地，所述从控制端还包括从伺服模块，用于获取所述机械臂中的机械臂状 态，并反馈所述机械臂的位置及运动状态。优选地，所述主接口模块包括校准单元，用于引导力反馈设备中与力反馈设备代 理点相对应的位置至工作空间的原点，根据所述原点确定主控端工作空间；映射构建单元， 用于将所述从动端工作空间及主控端工作空间映射到虚拟空间中；初始计算单元，用于从 所述虚拟空间中获取机械臂代理点，并计算虚拟空间中力反馈设备代理点与机械臂代理点的初始距离差值。优选地，所述主控制器包括获取单元，用于根据力反馈设备的运动状态得到力反 馈设备代理点坐标，根据所述力反馈设备中上一时刻的跟随代理点坐标及力反馈设备代理 点坐标得到当前时刻的跟随代理点坐标；计算单元，用于根据所述当前时刻的跟随代理点 坐标、初始距离差值以及机械臂中的速度得到动端上的控制力；补偿单元，用于对所述控制 力进行重力补偿。优选地，所述从控端还包括滤波器，用于对所述从动端上的控制力进行卷积滤波。一种遥操作方法，包括以下步骤建立主控端工作空间和从动端工作空间，并将所 述从动端工作空间及主控端空间映射到虚拟空间中；获取所述主控端工作空间中力反馈设 备的运动状态；根据所述力反馈设备的运动状态计算并进行重力补偿得到从动端上的控制 力；根据所述控制力及虚拟空间控制机械臂在从动端工作空间中与操作对象碰撞，并反馈 碰撞后的力。优选地，所述建立主控端工作空间和从动端工作空间，并将所述从动端工作空间 及主控端空间映射到虚拟空间中的步骤为引导力反馈设备中与力反馈设备代理点相对应 的位置至工作空间的原点，根据所述原点确定主控端工作空间；根据所述机械臂的位置确 定从动端工作空间；将所述从动端工作空间及主控端空间映射到虚拟空间中；计算所述虚 拟空间中反馈设备代理点与机械臂代理点的初始距离差值。优选地，所述根据所述力反馈设备的运动状态计算并进行重力补偿得到从动端上 的控制力的步骤为根据所述力反馈设备的运动状态得到力反馈设备代理点坐标；根据力 反馈设备中上一时刻的跟随代理点坐标及力反馈设备代理点坐标得到当前时刻的跟随代 理点坐标；根据所述当前时刻的跟随代理点坐标、初始距离差值以及机械臂中的速度得到 从动端上的控制力；对所述控制力进行重力补偿。优选地，所述对所述控制力进行重力补偿的步骤之前还包括将所述从动端上的 控制力进行卷积滤波。优选地，所述根据所述控制力及虚拟空间控制机械臂在从动端工作空间中与操作 对象碰撞，并反馈碰撞后的力的步骤之后还包括根据所述机械臂在从动端工作空间的运 动反馈所述机械臂的位置及运动状态。上述通过对机械臂进行重力补偿，机械臂在负载非常大的情况 下仍然能够轻松操作，实现了易于操作的目的，进而使得操作的精确度大大提高，使得机械 臂的运动灵活流畅。附图说明图1为一个实施例中遥操作系统的示意图；图2为一个实施例中遥操作系统的详细模块图；图3为一个实施例中主接口模块的示意图；图4为一个实施例中主控制器的示意图；图5为图4中主控制器的实现示意图；图6为一个实施例中遥操作方法的流程图7为一个实施例中根据力反馈设备的运动状态计算并进行重力补偿得到从动 端上的控制力的流程图。具体实施方式图1示出了一个实施例中的遥操作系统，包括主控端10以及从动端20，主控端10 用于建立主控端工作空间，并获取操作指令；从动端20，用于建立从动端工作空间，根据操 作指令在所述从动端工作空间中与操作对象发生碰撞，并反馈。主控端工作空间是使用者进行操作的空间，从动端工作空间是根据使用者在工作 空间中的操作，执行对操作对象的操作动作的空间。使用者在主控端10进行操作，在主控 端10中输入操作指令，对从动端20施以控制力，以实现对从动端20的精确控制。从动端 20根据使用者在主控端10中的操作在从动端工作空间中与操作对象发生碰撞，并向主控 端10实时反馈碰撞过程以及力感，即碰撞后的力Ff。如图2所示，主控端10包括主接口模块12，用于建立主控端工作空间，并将从动端工作空间与主控端工作映 射到虚拟空间中。本实施例中，主接口模块12通过世界坐标系来确定主控端工作空间中任 意一点的准确位置。虚拟空间体现了主控端工作空间与从动端工作空间中任一位置的转换 关系，可用变化矩阵来描述。力反馈设备14，用于获取操作指令，并根据操作指令在主控端工作空间中运动，得 到运动状态。本实施例中，力反馈设备14可以是六自由度的力反馈设备。使用者作用于主 控端工作空间中的力反馈设备14，使其沿任意方向运动。在主控端工作空间中，力反馈设备 14的运动状态记录了力反馈设备末端位置以及使用者所施加的力等信息。例如，根据实际 视觉的反馈，使用者拖动力反馈设备末端，以使得从动端20在从动端空间逼近操作对象， 并与操作对象发生碰撞。在优选的实施例中，力反馈设备14为易于操作的六自由度力反馈 设备 Phantom Omni，由 SensAble Technologies Inc 生产。主控制器16，用于根据力反馈设备14的运动状态计算并进行重力补偿得到从动 端20上的控制力。本实施例中，根据力反馈设备14的运动状态可以得到力反馈设备末端位 置以及使用于力反馈设备末端的力的大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种遥操作系统，其特征在于，包括主控端以及从动端，所述主控端用于建立主控端工作空间，并获取操作指令；所述从动端，用于建立从动端工作空间，根据操作指令在从动端工作空间中与操作对象发生碰撞，并反馈；所述主控端包括：主接口模块，用于建立主控端工作空间，并将所述从动端工作空间及主控端工作空间映射到虚拟空间中；力反馈设备，用于获取操作指令，并根据所述操作指令在主控端工作空间中运动，得到运动状态；主控制器，用于根据所述力反馈设备的运动状态计算并进行重力补偿得到从动端上的控制力；所述从控端包括：从接口模块，用于根据所述机械臂的位置建立从动端工作空间；从控制器，用于根据所述控制力及虚拟空间控制机械臂的运动；机械臂，用于在所述从动端工作空间中与操作对象碰撞，并反馈碰撞后的力。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王平安，谢永明，张吉帅，刘平，李建英，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：94