[发明专利]一种基于ROS的主从异构遥操作控制系统

权利要求书

1.一种基于ROS的主从异构遥操作控制系统，其特征在于，所述系统包括主端操作手、主端控制器、示教盒、从端控制器和多个从端模块，主端操作手通过主端控制器与示教盒串行通信，从端控制器通过网线与示教盒连接建立局域网，实现从端控制器和示教盒的数据交互，多个从端模块通过从端控制器实现运动控制；每个从端模块包括PMAC运动控制器、电机驱动器和从端机械臂；PMAC运动控制器与从端控制器通过网线连接，PMAC运动控制器通过电机驱动器驱动从端机械臂；

主端操作手用于实现空间六自由度运动，在关节处对应装有用于测量关节角度值的编码器；

主端控制器用于采集主端操作手的各个关节角度信息，通过运动学正解获得主端操作手末端相对于主端操作手的固定基座的位姿⁰T_m；

⁰T_m＝⁰A₁·¹A₂…ⁱA_i+1…^m-1A_m (1)

式中：ⁱA_i+1为主端操作手上第i个关节的前后相邻杆件的位姿关系，m为主端操作手的关节总数；

主端控制器通过ESP32开发板中有三个通用异步收发传输控制器，利用串口将主端操作手的关节角度、末端位姿信息传输到所述示教盒；

示教盒用于按照预设的通信协议对主端控制器传来的数据进行解析，示教盒将解析到的主端操作手末端位姿关系按下面的格式再次打包成从端控制器能够识别的命令；利用ROS将所述的命令以消息的形式发送到从端控制器供其处理；

所述示教盒将解析到的主端操作手末端位姿关系按下面的格式再次打包成从端控制器能够识别的命令为：“ID号+COMMAND+TARGET+DATA+UNIT”，ID号为从端模块的标志号，COMMAND表示从端控制器获悉处理示教盒发送数据的方式，TARGET表示目标点位置，DATA表示示教盒发送的数据内容，UNIT表示数据单位；

示教盒还用于与用户进行交互，在示教盒的显示屏上显示主端操作手各关节的当前角度值，能够将主端操作手的3D模型、主端操作手控制下的从端机械臂的3D模型动态显示在所述显示屏上；

从端控制器用于接收所述示教盒发来的命令，计算出从端机械臂每个关节需要运动的角度；

主端操作手笛卡尔空间下的位姿到从端机械臂笛卡尔空间下的位姿转换需要经过主从映射；所述主从映射为常比例和变比例控制方法相结合的混合空间映射；转换过程如下：

选择主从映射比例系数K₁和K₂，

对当前从端机械臂位置与目标点位置的距离d和主端操作手空间运动范围M做出判断，当d＞M时，主端操作手末端相对于主端操作手固定基座的位姿⁰T_m和从端机械臂末端相对从端机械臂固定基座的位姿关系⁰T_s的映射关系为⁰T_s＝K₁·⁰T_m，使从端机械臂迅速靠近目标点；

当d≤M，主端操作手末端相对于主端操作手固定基座的位姿⁰T_m和从端机械臂末端相对从端机械臂固定基座的位姿关系⁰T_s的映射关系为⁰T_s＝K₂·⁰T_m，使从端机械臂进行精细的操作，准确到达目标点位置；

求出从端机械臂末端相对固定基座的位姿关系⁰T_s之后，通过运动学逆解，从笛卡尔空间再次转化到关节空间，去除不合适的解后求出从端机械臂各关节的运动角度，从端控制器将从端机械臂各关节的运动角度信息下发到PMAC运动控制器，进而通过电机驱动器驱动从端机械臂运动。