[发明专利]一种多功能一站式遥操作控制设计与仿真系统及方法

摘要

本发明涉及一种多功能一站式遥操作控制设计与仿真系统及方法，系统包括：第一遥操作控制台、第二遥操作控制台、系统总控制台、高维动力学仿真服务器、刚性机械臂、关节控制计算机、虚拟现实3D仿真和视频采集服务器、挠性机械臂、关节控制计算机、视觉系统和环形屏幕；本发明具有四种工作模式：手动遥操作控制的数学仿真试验、地面真实的机械臂手动遥操作控制的仿真试验、空间机器人捕获插拔中的碰撞动力学与控制试验、挠性机械臂的控制性能验证及挠性参数辨识试验，能够对遥操作控制的设计、仿真、测试提供一站式的解决方案。

主权项

1.一种多功能一站式遥操作控制设计与仿真系统，其特征在于系统包括：第一遥操作控制台、第二遥操作控制台、系统总控制台、高维动力学仿真服务器、刚性机械臂、第一关节控制计算机、虚拟现实3D仿真和视频采集服务器、挠性机械臂、第二关节控制计算机、视觉系统和环形屏幕；第一遥操作控制台、第二遥操作控制台为遥操作者提供操作场景即为遥操作者提供接口，根据系统总控制台的使能指令，判断遥操作者是否具有遥操作权，如果具有遥操作权，遥操作者通过观察视觉信息与虚拟现实仿真信息、刚性机械臂与挠性机械臂关节运动的角度和角速度，以及刚性机械臂与挠性机械臂的末端位置与姿态，判断刚性机械臂与挠性机械臂是否到达了期望的位置和姿态，脚部通过脚踏板，使控制手柄具有“使能”或“禁止”状态，在“使能”的情况下，远端机械臂跟随控制手柄运动；在“禁止”状态，控制手柄运动时，远端机械臂不运动，鼠标、键盘可以控制显示器上的显示界面大小、颜色深浅度，以及在不同的显示视角间切换；高维动力学仿真服务器输出的动力学仿真状态结果即力觉反馈信息，通过遥操作控制台等比例呈现在控制手柄上实现力觉反馈；系统总控制台实现系统试验前的准备、试验中的故障干预，以及试验后的结果分析；试验前的准备中，系统总控制台能调取刚性机械臂或挠性机械臂的关节角信息、视觉系统的视觉信息，如果正常，则开始试验；否则需要检查原因，进行故障排查；试验前，通过系统总控制台的计算机对高维动力学仿真服务器里动力学仿真初始状态，刚性机械臂与挠性机械臂的初始位置，虚拟现实3D仿真和视频采集服务器的初始状态进行设置；在试验中，获取刚性机械臂与挠性机械臂的关节角、关节角速度，以及高维动力学仿真服务器动力学仿真结果状态信息，如果这些状态信息超过设定的阀值，则制动刚性机械臂或挠性机械臂，通过控制键盘上Pause键，或通过鼠标点击屏幕上的“暂停”按钮实现；试验完成后，对试验中的刚性机械臂与挠性机械臂的关节角、关节角速度、力觉传感器的反馈值、控制手柄的输出指令值进行曲线绘制，并进行分析；高维动力学仿真服务器，对在轨空间机器人进行在轨真实动力学仿真；采用分析力学方法建立空间机器人的高维动力学模型、运动学模型、控制律，根据遥操作控制台给出的机械臂末端位置和姿态指令，控制律解算出空间机器人执行机构的控制力和控制力矩，作用在高维动力学模型上，解算出动力学状态，再进行运动学状态解算，得到包括空间机器人的动力学仿真结果，即基座的位置与速度，以及机械臂关节的角度与角速度、角加速度信息，输出给第一关节控制计算机和第二关节控制计算机，用于刚性机械臂与挠性机械臂的驱动控制，同时输出给虚拟现实3D仿真和视频采集服务器，用于图像显示仿真；虚拟现实3D仿真和视频采集服务器，采用Open Inventor软件建立空间机器人在太空中的操作环境，同时对全局相机、机械臂上的手眼相机进行图像采集，Open Inventor显示的是虚拟的空间场景，而全局相机和手眼相机采集的是真实的刚性机械臂和挠性机械臂的图像，采用虚拟现实技术，将两种图像一起显示，叠加在一起，实现真实图像与虚拟图像的融合，实现图像仿真，将仿真结果传输给遥操作控制台的显示器，用于遥操作者通过视觉判断进行操作；刚性机械臂，位于远程操作现场，在远程对目标进行操作，实现对空间机器人的运动学仿真，在刚性机械臂的末端配置力和力矩传感器，利用力和力矩传感器对机械臂与环境的碰撞力和力矩进行测量，刚性机械臂的各关节由关节驱动器、电机，以及角位置编解码单元组成，第一关节控制计算机中的控制软件解算出刚性机械臂各关节的控制指令后，传输给刚性机械臂的关节驱动器，关节驱动器驱动各关节的电机运动，从而带动刚性机械臂末端的运动，刚性机械臂运动后，各关节的角位置编解码单元测量到各关节角度，计算出角速度和角加速度，传输给虚拟现实3D仿真和视频采集服务器；如果刚性机械臂与目标发生碰撞，则力和力矩传感器测量到力和力矩值，将力和力矩数值反馈到高维动力学仿真服务器中的空间机器人动力学仿真软件，作为输入对空间机器人的状态进行仿真，进一步得到新的空间机器人的状态，同时高维动力学仿真服务器还将测量到的力矩值反馈给第一遥操作控制台和第二遥操作控制台，用于在控制手柄上重现该力矩，实现力反馈；第一关节控制计算机，根据关节角控制指令实现对刚性机械臂各关节的驱动控制；接收来自高维动力学仿真服务器的各关节指令，即关节角或关节角速度，将各关节指令作为输入指令信息，通过各关节的双闭环控制软件，解算出各关节的控制力矩指令，控制力矩指令输入给刚性机械臂的关节驱动器，驱动刚性机械臂的关节运动；挠性机械臂，采用气浮支撑，通过模拟在轨空间机器人上安装的机械臂的运动，激励挠性振动，用于对挠性参数进行测试，挠性机械臂各关节由关节驱动器、电机，以及角位置编解码单元组成，第二关节控制计算机中的控制软件解算出挠性机械臂各关节的控制指令后，传输给挠性机械臂的关节驱动器，关节驱动器驱动各关节的电机运动，从而带动挠性机械臂末端的运动，各关节的角位置编解码单元测量到各关节角度，计算出角速度和角加速度，传输给虚拟现实3D仿真和视频采集服务器；挠性机械臂的振动信息通过激光测量仪测量到后传输给虚拟现实3D仿真和视频采集服务器，激光测量仪的测量信息再进一步传输给系统总控制台，总控制台对这些信息进行分析，提取挠性振动的频率与阻尼信息；第二关节控制计算机，根据关节角控制指令实现对挠性机械臂各关节的驱动控制；它接收来自高维动力学仿真服务器的各关节指令，即关节角或关节角速度，将该指令作为输入指令信息，通过各关节的双闭环控制软件，解算出各关节的控制力矩指令，控制力矩指令输入给挠性机械臂的关节驱动器，驱动挠性机械臂的关节运动；视觉系统，包括全局相机、刚性机械臂上的手眼相机、光照模拟和激光测量仪；在试验开始前，采集来自系统总控制台的全局相机和手眼相机的指向角度值，以及光照强度，实现全局相机、手眼相机视角的调整，以及模拟的光照强度调整；在试验中，采集全局相机、手眼相机的视觉图像，反馈给虚拟现实3D仿真和视频采集服务器，用于图像仿真，同时利用激光测量仪测量挠性机械臂的振动信息，反馈给虚拟现实3D仿真和视频采集服务器，再进一步反馈给系统总控制台，用于对挠性信息即振动频率与阻尼进行提取；环形屏幕，通过四台投影仪进行投影显示，利用四台投影仪投影到环形屏幕上；四台投影仪的投影图像均来自虚拟现实3D仿真和视频采集服务器的输出图像信息；投影到环形屏幕，环形屏幕图像区域分成三块，其中两块分别对应两台投影仪，另一块区域对应剩下的两台投影仪，两台投影仪的投影图像分别通过偏振片进行滤光，投出光振动方向相互垂直，在第三块区域上重叠显示，通过立体眼镜观察这块区域，观察到3D显示图像。