[发明专利]一种基于虚拟手臂的面向空间站机器人的遥操作系统

说明书

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，特别涉及了一种面向空间站机器人的遥操作系统。

背景技术

随着科技的不断进步，人类的太空活动逐渐频繁，大量的工作和恶劣的太空环境给宇航员的操作带来了巨大的困难，但是目前研制的智能机器人，由于受到太空条件、传感控制技术等限制，让它们在未知或者复杂的环境下全自主式工作还是有风险的。因此，利用基于人机交互设备的空间站遥操作机器人来完成大量的太空任务，是长期而且有效的手段。空间站遥操作机器人已被广泛运用于空间站段位转位与辅助对接，悬停飞行器捕获与辅助对接，舱外设备安装、更换或维修等空间站舱外任务。目前，欧美各国已相继研制出一系列空间站遥操作机器人，并在国际空间站舱外活动中成功投入使用。在国内，天宫一号和二号的成功发射，表明我国空间站的建设正在有序进行，遥操作机器人技术将被广泛应用。

人机交互设备是空间遥操作机器人系统中的重要组成部分，操作者可以通过它输入控制信息，也可以通过它获得空间机器人和环境的信息。输入的控制信息是通过测量操作者的运动和姿态得到的。目前，最具代表性的空间遥操作机器人的人机交互设备是多自由度力反馈手控器，如PHANTOM七自由度力反馈手控器。但这些设备对操作者的操作水平要求较高，人机功效较差，难以满足日益增长的空间站建设的需求。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种基于虚拟手臂的面向空间站机器人的遥操作系统，降低系统的操作复杂度，提高系统的人机交互能力。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种基于虚拟手臂的面向空间站机器人的遥操作系统，包括手臂关节运动测量模块、数据采集模块、数据传输模块和主运算处理模块，所述主运算处理模块包括数据滤波模块、手臂运动解算模块、机器人运动逆解算模块和虚拟场景渲染模块；手臂关节运动测量模块设置在操作者的手臂上，实时采集操作者手臂各关节的四元数，数据采集模块读取该四元数数据并转换为欧拉角，同时通过数据传输模块将欧拉角传输给数据滤波模块，数据滤波模块将接收到的欧拉角数据进行滤波后传送给手臂运动解算模块，手臂运动解算模块根据滤波后的欧拉角和虚拟手臂的尺寸，解算出虚拟手臂的手掌末端在三维空间坐标系中的运动轨迹，机器人运动逆解算模块将虚拟手臂的手掌末端在三维空间坐标系中的运动轨迹映射到空间站遥操作机器人的运动坐标系中，并计算出遥操作机器人的各部位关节角，用于控制空间站遥操作机器人的运动，虚拟场景渲染模块构建虚拟手臂和虚拟遥操作机器人的三维模型场景，并根据手臂运动解算模块、机器人运动逆解算模块输出的数据实施渲染虚拟手臂和虚拟遥操作机器的运动状态。

基于上述技术方案的优选方案，所述手臂关节运动测量模块包括3组MEMS传感器，分别设置在操作者手臂的肩关节、肘关节和腕关节处，实时采集这3个关节处的四元数。

基于上述技术方案的优选方案，所述数据滤波模块的滤波方法如下：

设U_i(n)＝[x(n),y(n),z(n)]^T为输入数据滤波模块的欧拉角，其中x(n),y(n),z(n)分别为U_i(n)的肩关节、肘关节和腕关节的分量，上标T表示转置，则数据滤波模块输出的欧拉角U_o(n)＝[x′(n),y′(n),z′(n)]^T：

上式中，x′(n),y′(n),z′(n)分别为U_o(n)的肩关节、肘关节和腕关节的输出分量，a_i、b_i、c_i分别为滤波器系数，n表示当前时刻数据，N表示采样点数。

基于上述技术方案的优选方案，所述数据传输模块包括2组蓝牙通信接口模块，2组蓝牙通信接口模块建立无线连接，其中1组蓝牙通信接口模块与数据采集模块相连，另1组蓝牙通信接口模块与数据滤波模块相连，从而将欧拉角数据发送给数据滤波模块。

基于上述技术方案的优选方案，所述虚拟场景渲染模块采用OpenGL图形库构建虚拟手臂和虚拟遥操作机器人的三维模型场景。

基于上述技术方案的优选方案，所述主运算处理模块还包括数据显示模块，用于显示数据滤波模块输出的操作者手臂的欧拉角数据和机器人运动逆解算模块输出的遥操作机器人的各部位关节角数据。

采用上述技术方案带来的有益效果：