一种基于Omega手柄的空间机械臂遥操作规划方法技术

本发明专利技术涉及一种基于Omega手柄的空间机械臂遥操作规划方法，将机械臂的运动分解为腕部的平动与最后三个关节的转动两部分进行控制，因此腕部平动所涉及的机械臂自由度小于整臂自由度，从而降低了发生运动学奇异的概率。将机械臂的运动划分为最后三个关节的转动及腕部的平动，除最后三个关节外的其余关节的运动产生腕部平动，将平动和转动互相解耦，运动控制简单可靠，物理意义明确，占用资源较少。将空间机械臂末端的姿态映射为最后三个关节在关节空间的运动，相比于传统的姿态映射方法，空间机械臂姿态运动不存在奇异问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Omega手柄的空间机械臂遥操作规划方法
本专利技术涉及一种基于Omega手柄的空间机械臂遥操作规划方法，属于空间机械臂遥操作运动规划领域。
技术介绍
在轨服务通常由追踪航天器上配备的机械臂来完成。在当前技术水平下，由操作人员通过手柄对空间机械臂进行遥操作是执行在轨服务任务的主要方式。Omega手柄是一种较为常用的遥操作设备，它有六个自由度，分别用于控制机械臂末端执行器的位置和姿态。Omega手柄与机械臂的各个自由度之间的运动映射关系直接决定了操作人员的使用体验和工作效率。其中，Omega手柄与空间机械臂之间的位置映射比较简单，但两者之间的姿态映射则相对复杂。目前常用的姿态映射方法为，以机械臂末端固连坐标系相对于机械臂基座坐标系的角速度作为Omega手柄的姿态控制输出。此方法的物理意义明确，但存在以下缺点：(1)此种姿态映射方式不够直观，操作体验不好；(2)空间机械臂末端姿态控制在某些构型处存在奇异问题；(3)算法复杂，不利于在轨应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于Omega手柄的空间机械臂遥操作规划方法，解决了Omega手柄与空间机械臂之间姿态映射不直观的问题。本专利技术通过如下技术方案予以实现：一种基于Omega手柄的空间机械臂遥操作规划方法，包括：(1)建立Omega手柄与机械臂腕部的平动映射；(2)建立Omega手柄的三个转动关节与机械臂最后三个关节的转动映射；(3)根据Omega手柄转动输出，生成机械臂最后三个关节的转动速度；根据Omega手柄平动输出，生成使机械臂腕部获得平动速度对应的机械臂前n-3个关节的转动速度，其中n为机械臂自由度个数。(4)空间机械臂各关节速度可积分得到各关节位置，得到关节速度或关节位置后，即可完成空间机械臂遥操作规划。优选的，步骤(1)中建立Omega手柄与机械臂腕部的平动映射的方法为：将Omega手柄的三个平动自由度相对于零位p0的输出ptrans∈R3×1记为ptrans＝pt-p0其中，pt∈R3×1为Omega手柄的当前平动输出。Omega手柄对机械臂的平动指令pcmd∈R3×1记为pcmd＝robotTomegaptrans其中，robotTomega∈R3×3为Omega手柄坐标系到机械臂基座系的转换矩阵。优选的，机械臂基座坐标系与手柄坐标系的各坐标轴平行设置，方向相同或相反。优选的，建立Omega手柄的三个转动关节与机械臂最后三个关节的转动映射的方法为：2.1Omega手柄的滚动、偏航、俯仰自由度分别对应于机械臂腕部滚动关节、腕部偏航关节、腕部俯仰关节的旋转运动；2.2Omega手柄的三个转动自由度相对于零位的输出为其中，为Omega手柄的当前转动输出；2.3Omega手柄对机械臂的转动指令其中，robotRomega∈R3×3为Omega手柄转动自由度与机械臂最后三个关节转动自由度之间的映射矩阵。优选的，若机械臂最后三个关节的滚动、俯仰、偏航与Omega手柄的三个转动关节布局一致，则robotRomega为单位矩阵。优选的，根据Omega手柄转动输出，生成机械臂最后三个关节的转动速度的方法为：令Omega手柄对应机械臂最后三个关节的角速度控制指令为则其中，kω∈R3×3为对应于转动自由度的缩放因子对角矩阵，kω1、kω2、kω3分别为机械臂腕部三个转动自由度相对于Omega手柄在滚动、俯仰、偏航方向上的缩放量；机械臂最后三个关节的转动速度为优选的，根据Omega手柄的平动，生成使机械臂腕部获得平动速度对应的机械臂前n-3个关节的转动速度的方法为：令Omega手柄对应的机械臂腕部平动速度控制指令为vcmd∈R3×1，则vcmd＝kvpcmd其中，kv∈R3×3为对应于平动自由度的缩放因子对角矩阵，kv1、kv2、kv3分别为机械臂腕部平动相对于Omega手柄平动方向的缩放量；机械臂前n-3个关节的速度为其中，Jfor∈R(n-3)×6为对应于机械臂腕部的雅克比矩阵，为Jfor的经典伪逆。优选的，生成机械臂关节速度指令后，还包括根据机械臂关节速度指令生成机械臂关节位置指令：空间机械臂关节速度指令为基于机械臂关节速度指令，生成位置指令，具体方法如下：空间机械臂在时刻tk+1的关节位置为在时刻tk+1，空间机械臂关节位置由下式近似给出其中，q(tk)为空间机械臂在时刻tk的关节位置。综上，得到关节速度或关节位置后，即可完成空间机械臂遥操作规划。优选的，设置踏板，以使能Omega手柄遥操作控制指令向机械臂的输出。提供一种在轨机械臂遥操作系统，包括星上机械臂、星地通信链路、地面测控系统、视觉处理及分析子系统、遥测数据处理子系统、遥操作规划控制子系统、控制指令自动生成子系统和三维视景及预测显示仿真子系统；星上机械臂执行空间操作任务，采集机械臂的运动状态及手眼相机图像通过星地通信链路发送至地面测控系统；地面测控系统进行解调后将图像发送至视觉处理及分析子系统，将机械臂运动状态发送给遥测数据处理子系统；视觉处理及分析子系统将处理后的图像发送给三维视景及预测显示仿真子系统和遥操作规划控制子系统分别进行显示；遥测数据处理子系统将机械臂运动状态数据进行剔野后发送至遥操作规划控制子系统，遥操作规划控制子系统基于Omega手柄的空间机械臂遥操作规划方法生成机械臂控制指令，发送给三维视景及预测显示仿真子系统更新仿真场景；遥操作规划控制子系统显示机械臂的手眼相机图像，接收操作人员的Omega手柄和踏板的操作输入，基于机械臂运动状态数据生成机械臂速度及位置指令；在踏板踩下的情况下，控制指令自动生成子系统基于机械臂速度及位置指令进行协议转换后发送给三维视景及预测显示仿真子系统，三维视景及预测显示仿真子系统对机械臂速度及位置指令进行安全性测试并进行机械臂执行该指令的虚拟显示，判断是否存在碰撞，如果没有碰撞则通过星地通信链路发送至星上机械臂执行。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：(1)本专利技术公开的方法中，将Omega手柄的姿态映射为空间机械臂最后三个关节在关节空间的运动，相比于传统的姿态映射方法，空间机械臂姿态运动不存在奇异问题。(2)本专利技术公开的方法将机械臂的运动分为腕部的平动与最后三个关节的转动两部分进行控制，因此腕部平动所涉及的机械臂自由度小于整臂自由度，从而降低了发生运动学奇异的概率。(3)本专利技术将机械臂的运动划分为最后三个关节的转动及腕部的平动，其余关节的运动产生腕部平动，将平动和转动互相解耦，运动控制简单可靠，物理意义明确，占用资源较少。(4)本专利技术公开方法的时间复杂度较小，由地面生成指令后控制空间机械臂操作，对地面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Omega手柄的空间机械臂遥操作规划方法，其特征在于，包括：/n(1)建立Omega手柄与机械臂腕部的平动映射；/n(2)建立Omega手柄的三个转动关节与机械臂最后三个关节的转动映射；/n(3)根据Omega手柄转动输出，生成机械臂最后三个关节的转动速度；根据Omega手柄平动输出，生成使机械臂腕部获得平动速度对应的机械臂前n-3个关节的转动速度，其中n为机械臂自由度个数；/n(4)空间机械臂各关节速度进行积分得到各关节位置,即完成空间机械臂遥操作规划。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于Omega手柄的空间机械臂遥操作规划方法，其特征在于，包括：
(1)建立Omega手柄与机械臂腕部的平动映射；
(2)建立Omega手柄的三个转动关节与机械臂最后三个关节的转动映射；
(3)根据Omega手柄转动输出，生成机械臂最后三个关节的转动速度；根据Omega手柄平动输出，生成使机械臂腕部获得平动速度对应的机械臂前n-3个关节的转动速度，其中n为机械臂自由度个数；
(4)空间机械臂各关节速度进行积分得到各关节位置,即完成空间机械臂遥操作规划。


2.根据权利要求1所述基于Omega手柄的空间机械臂遥操作规划方法，其特征在于，步骤(1)中建立Omega手柄与机械臂腕部的平动映射的方法为：
将Omega手柄的三个平动自由度相对于零位p0的输出ptrans∈R3×1记为
ptrans＝pt-p0
其中，pt∈R3×1为Omega手柄的当前平动输出；
Omega手柄对机械臂的平动指令pcmd∈R3×1记为
pcmd＝robotTomegaptrans
其中，robotTomega∈R3×3为Omega手柄坐标系到机械臂基座系的转换矩阵。


3.根据权利要求2所述基于Omega手柄的空间机械臂遥操作规划方法，其特征在于，机械臂基座坐标系与手柄坐标系的各坐标轴平行设置，方向相同或相反。


4.根据权利要求2或3所述基于Omega手柄的空间机械臂遥操作规划方法，其特征在于，所述步骤(2)建立Omega手柄的三个转动关节与机械臂最后三个关节的转动映射的具体方法为：
2.1令Omega手柄的滚动、偏航、俯仰自由度分别对应于机械臂腕部滚动关节、腕部偏航关节、腕部俯仰关节的旋转运动；
2.2Omega手柄的三个转动自由度相对于零位的输出为



其中，为Omega手柄的当前转动输出；
2.3Omega手柄对机械臂的转动指令记为



其中，robotRomega∈R3×3为Omega手柄转动自由度与机械臂最后三个关节转动自由度之间的映射矩阵。


5.根据权利要求4所述基于Omega手柄的空间机械臂遥操作规划方法，其特征在于，若机械臂最后三个关节的滚动、俯仰、偏航自由度与Omega手柄的三个转动关节布局一致，则robotRomega为单位矩阵。


6.根据权利要求5所述基于Omega手柄的空间机械臂遥操作规划方法，其特征在于，所述步骤(3)根据Omega手柄转动输出，生成机械臂最后三个关节的转动速度的方法为：
令Omega手柄对应机械臂最后三个关节的角速度控制指令为则



其中，kω∈R3×3为对应于转动自由度的缩放因子对角矩阵，kω1、kω2、kω3分别为机械臂腕部三个转动自由度相对于Omega手柄在滚动、俯仰、偏航...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐拴锋，张海博，段文杰，王勇，胡海东，孙鲲，魏春岭，何英姿，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11