一种大型空间机械臂在轨操控方法

摘要

一种大型空间机械臂在轨操控方法，视觉系统获取当前的三路视觉图像由中央控制系统传至显示单元；航天员根据显示单元的三路模拟视频图像，得到机械臂本体当前的位置和姿态及所处环境；航天员通过在轨操控系统的指令终端或手柄单元选择发送机械臂本体运动指令；该运动指令到达中央控制系统进行解析后，执行运动规划运算并输出控制数据；输出控制数据到达仿真单元，通过机械臂模型运动，验证正确性；如果运动指令不正确，航天员重新发送指令，如果指令正确，则由航天员发送同样的指令，经中央控制单元解析得到的控制数据通过通讯总线传至机械臂本体，从而驱动机械臂本体运动。

权利要求

1.一种大型空间机械臂在轨操控方法，其特征在于步骤如下：

(1)机械臂全系统加电启动，此时在轨操控系统，中央控制系统、视觉系统及机械臂本体均加电处于工作状态，但机械臂本体处于不运动状态；所述的在轨操控系统包括显示单元、指令终端、手柄单元和仿真单元；

(2)加电后视觉系统即获取当前的三路视觉图像，即全局视觉、局部视觉和腕部视觉，并压缩为数字信号，传至中央控制系统，再由中央控制系统传至在轨操控系统的显示单元，经显示单元解码显示出当前的三路模拟视频图像；

(3)航天员根据显示单元的三路模拟视频图像，得到机械臂本体当前的位置和姿态及所处环境，以决定下一步机械臂本体的运动；

(4)航天员通过在轨操控系统的指令终端或手柄单元选择发送机械臂本体运动指令；

(5)该运动指令到达中央控制系统进行解析后，执行运动规划运算并通过通讯总线输出控制数据；

(6)该输出控制数据首先到达仿真单元，驱动仿真单元中的机械臂模型运动，以验证指令的正确性；

(7)经仿真单元验证，如果运动指令不正确，航天员重新发送指令，重复执行上述步骤(4)至(6)，如果指令正确，则由航天员发送同样的指令，经中央控制系统解析得到的控制数据通过通讯总线传至机械臂本体，从而驱动机械臂本体运动；

(8)机械臂本体运动的同时，机械臂本体中的各关节控制器将关节的状态、关节角度相关遥测数据通过通讯总线回传至中央控制系统，同时视觉系统的三路图像信号和获取的目标物体位置和姿态信息随着机械臂本体的运动而变化，图像信号经压缩实时回传至中央控制系统，目标物体位姿信息实时回传至仿真单元和中央控制系统，以更新仿真单元中的目标物体模型，参与机械臂本体的运动控制；

(9)同时中央控制系统将关节的状态、关节角度相关遥测数据传输至仿真单元，驱动仿真单元的机械臂模型运动，从而获得三维同步仿真运动，供航天员监视；这样航天员的在轨操控构成了一个基于实时图像反馈、仿真预验证和三维同步运动仿真的闭环操控。

2.根据权利要求1所述的一种大型空间机械臂在轨操控方法，其特征在于：所述的中央控制系统的运动规划运算包括：(1)开环路径规划：输入起始点角度和终止点位置和姿态，规划出中间过程各关节的关节角数据；

(2)闭环自主路径规划：根据视觉系统实时获取的目标物体位置和姿态数据，规划出各关节的关节角数据，驱动机械臂运动以逼近目标物体；

(3)航天员手动控制路径规划：指在当前坐标系，即末端抓手系或机械臂基坐标系的平移或旋转规划。

说明书

一种大型空间机械臂在轨操控方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种大型空间机械臂在轨操控系统，用于实现舱内航天员对舱外机械臂的操控，属于载人航天领域。

背景技术

[0002] 随着空间技术的飞速发展，特别是空间站、航天飞机、空间机器人等的诞生和成功应用，空间机械臂作为在轨支持和服务的一项关键性技术逐步走上太空，并越来越受到世界各国的广泛关注。

[0003] 空间机械臂的应用能够辅助甚至代替航天员完成空间站的装配和维护、目标的捕获和释放以及辅助航天员出舱作业等空间任务，不仅降低了航天员在恶劣太空环境下作业的危险和伤害，还可以减少执行任务的费用，提高任务完成的效率和质量，因此各空间大国都在集中力量从事空间机械臂的研究和应用工作，代表产品有加拿大机械臂(Canadarm和SSRMS)和欧洲机械臂(ERA)等。目前，我国空间机械臂技术及其应用尚处于起步阶段，但随着我国载人航天工程的进一步发展，空间机械臂将成为空间站组装、运行的必不可少的工具。国外对我国是保密的，无法查到详细内容。

[0004] 目前，我国空间飞行器均通过地面测控实现飞行控制，但对于空间机械臂，除了能够通过地面进行测控，在空间站有人值守时还应具备在轨操控功能，实现航天员对机械臂的在轨控制。因此，空间机械臂的在轨操控系统是我国载人航天深入发展的一项关键和必备技术。

发明内容

[0005] 本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种大型空间机械臂在轨操控方法，实现空间站有人值守期间舱内航天员对舱外机械臂的操控，辅助航天员完成舱段对接、在轨装配、目标捕获等各种空间作业。

[0006] 本发明的技术解决方案：实现本发明的空间机械臂在轨操控系统位于空间站舱内，它由显示单元、指令终端(鼠标、键盘、触摸屏等)、手柄单元和仿真单元共同组成，航天员通过该操控系统可以实现对舱外机械臂运动的控制与监视。

[0007] 此外，要完成机械臂的运动控制，还需要机械臂本体、中央控制系统、视觉系统的共同参与，下面分别加以介绍。

[0008] 机械臂本体、中央控制系统、视觉系统均属于大型空间机械臂全系统的一部分。其中：机械臂本体位于舱外，总长度达十余米，具有六个自由度，能够实现空间三维运动；中央控制系统是整个机械臂系统的大脑，用于解析航天员通过在轨操控系统发送的指令并进行运算，输出控制数据，同时采集遥测数据和数字视频图像，遥测数据回传至指令终端显示，数字视频图像回传至显示单元；视觉系统分布于机械臂本体上，分为全局视觉、局部视觉和腕部视觉，用于对舱外目标物体的识别并解算出目标物体的位置和姿态数据，图像经压缩后回传至中央控制系统，再经中央控制系统传至显示单元，供航天员监视，目标物体的位姿数据传至仿真单元，同时该数据也传至中央控制系统参与机械臂的控制。

[0009] 基本上述系统，本发明大型空间机械臂在轨操控方法，实现步骤如下：

[0010] (1)机械臂全系统加电启动，此时在轨操控系统，中央控制系统、视觉系统及机械臂本体均加电处于工作状态，但机械臂本体处于不运动状态；所述的在轨操控系统包括显示单元、指令终端、手柄单元和仿真单元；

[0011] (2)加电后视觉系统即获取机械臂本体当前的三路视觉图像，即全局运动、局部和腕部，并压缩解为数字信号，传至中央控制系统，再由中央控制系统传至在轨操控系统的显示单元，经显示单元解码显示出当前的三路视频模拟视频图像；

[0012] (3)航天员根据显示单元的三路模拟视频图像，得到机械臂本体当前的位置和姿态及所处环境，决策下一步机械臂本体的运动；

[0013] (4)航天员通过指令终端或手柄单元选择发送机械臂本体运动指令；

[0014] (5)该运动指令到达中央控制系统进行解析后，调用相应数据或执行运动规划运算并通过通讯总线输出控制数据；

[0015] (6)该输出控制数据首先到达仿真单元，驱动仿真单元中的机械臂模型运动，以验证指令的正确性；

[0016] (7)经仿真单元验证，如果运动指令不正确，航天员重新发送指令，重复执行上述步骤(4)至(6)，如果指令正确，则由航天员发送同样的指令，经中央控制单元解析得到的控制数据通过通讯总线传至机械臂本体，从而驱动机械臂本体运动；

[0017] (8)机械臂本体运动的同时，机械臂本体中的各关节控制器将关节的状态、关节角度相关遥测数据通过通讯总线回传至中央控制系统，同时视觉系统的三路图像信号和获取的目标物体位置和姿态信息随着机械臂本体的运动而变化，图像信号经压缩实时回传至中央控制系统，目标物体位姿信息实时回传至仿真单元和中央控制系统，以更新仿真单元中的目标物体模型，参与机械臂本体的运动控制中；

[0018] (9)同时中央控制系统将关节的状态、关节角度相关遥测数据传输至仿真单元，驱动仿真单元的机械臂模型运动，从而获得三维同步仿真运动，供航天员监视；这样航天员的在轨操控构成了一个基于实时图像反馈、仿真预验证和三维同步运动仿真的闭环操控。

[0019] 本发明与现有技术相比的优点：

[0020] (1)本发明通过实时图像反馈、仿真预验证和三维同步运动仿真，实现了用于实现空间站有人值守时舱内航天员对舱外空间机械臂的在轨操控，避免了地面操控时由天地通信大时延引起的误差甚至故障，安全可靠性提高。

[0021] (2)本发明针对在轨操控任务设计的指令终端和手柄单元，实现了机械臂操控的全部工作模式；设计的显示单元能够实时显示舱外三种视角获取的图像，辅助航天员监视并为航天员在轨操控提供判断；设计的仿真单元能够对运动指令和控制数据进行预仿真，验证指令的正确性，并对机械臂的实际运动进行三维同步运动仿真。

附图说明

[0022] 图1为本发明的在轨操控系统组成框图；

[0023] 图2为本发明的在轨操控流程图；

[0024] 图3为本发明应用到的开环运动规划中直线规划流程图；

[0025] 图4为本发明应用到的开环直线运动规划线性插值图；

[0026] 图5为本发明应用到的开环直线运动规划速度变化曲线图。

具体实施方式

[0027] 如图1所示，虚线框内即为在轨操控系统，航天员可以通过该系统实现对空间机械臂的在轨控制，但要完成任务还需要中央控制系统和视觉系统的参与，中央控制系统、视觉系统属于机械臂系统本身。视觉系统启动后，三路路视觉系统都处于工作状态，即获取视场范围内的场景。在本发明中，全局视觉系统中的全局摄像机的焦距为8mm，在距离目标[5m，20m]时，位置测量精度优于120mm，姿态测量精度优于5°；局部视觉系统中的局部摄像机的焦距为20mm，在距离目标[10m，20m]时，位置测量精度优于40mm，姿态测量精度优于2°；腕部视觉系统中的腕部摄像机的焦距为12mm，在距离目标[1m，5m]时，位置测量精度优于20mm，姿态测量精度优于1.5°，在距离目标[0.1m，1m]时，位置测量精度优于15mm，姿态测量精度测量优于1.5°。

[0028] 对照图1，本发明的在轨操控系统由显示单元、指令终端、手柄单元和仿真单元组成，其中指令终端和手柄单元都是用于航天员发送机械臂本体运动控制指令。下面具体描述各部分的实时方式。

[0029] 1.显示单元：由图像解码部分和显示屏组成，图像解码部分接受到中央控制系统发来的数字视频信号后将其解码为模拟视频信号，从而在显示屏上显示，供航天员监视。获取的视频信号包括全局视频图像、局部视频图像和腕部三路视频图像，对于每一台显示屏，航天员均可以通过指令终端实现三种视角图像的显示切换，从而获得多视角的场景，因此显示屏的数量可根据需要确定，一台至三台均可以。

[0030] 2.指令终端：包括开关面板和鼠标、键盘、触摸屏等指令输入工具。

[0031] 开关面板能够实现的功能如下：

[0032] a.坐标系切换；

[0033] b.三种视觉切换；

[0034] c.机械臂本体末端速度档设置；

[0035] d.紧急停机；

[0036] e.简单的运动控制指令等。

[0037] 鼠标、键盘、触摸屏具有最全的功能，即不仅具备开关面板的功能，而且能够实现如下功能：

[0038] a.机械臂本体全部运动模式的指令发送；

[0039] b.机械臂本体全部遥测数据的显示；

[0040] c.机械臂本体全部状态参数的设置。

[0041] 3.手柄单元：手柄单元同样是航天员发送指令的一种方式，利用手柄可以控制机械臂本体末端根据自己的意愿而运动，配合坐标系的切换，可以实现机械臂本体末端相对不同坐标系沿坐标轴的平动和转动。手柄能够实现的指令功能包括：

[0042] a.机械臂本体末端沿三个坐标轴正负方向共六个方向的平动，即前后、左右、上下；

[0043] b.机械臂本体末端沿三个坐标轴正负旋转共六个方向的转动，即左右偏航、上下俯仰、左右横滚。

[0044] 4.仿真单元：用于对机械臂系统进行数学仿真，可以在数据流上代替真实机械臂。仿真单元主要对各子系统进行动力学、运动学仿真，并可计算出机械臂运动过程中的受力情况，并结合飞行器姿轨控系统对机械臂进行动力学及控制仿真。

[0045] 仿真单元能够模拟空间环境下机械臂本体、舱体及目标物体的状态变化，是航天员监视和判断的重要依据。仿真单元中包括机械臂模型、舱体模型以及目标物体模型等，用于对机械臂本体所处空间环境以及机械臂本体的运动进行仿真，从而为航天员提供空间环境下的三维全景模拟，是对三路视觉系统所获取图像的补充，增强航天员的临场感。该单元包含以下特征：

[0046] a.机械臂模型、舱体模型、目标物体模型与实际机械臂、舱体、目标一致，本发明中机械臂本体、舱体、目标的结构是采用ProE设计，此为公知技术，因此模型直接从ProE导入，从而便于准确仿真机械臂在空间环境的运动情况，三维可视化场景使用Vega设计，采用MFC窗口结构；

[0047] b.能够用于对机械臂运动指令和控制数据的预仿真，辅助验证运动指令的正确性；

[0048] c.当机械臂本体运动时，能够根据机械臂本体的各关节角数据驱动机械臂模型的运动，实现机械臂模型的同步运动仿真；

[0049] d.能够根据实际舱体的飞行参数更新舱体模型的状态；

[0050] e.能够根据视觉系统获取的真实目标物体的位置和姿态实时更新目标物体模型的状态；

[0051] 综上，再结合图1的信号流，可以看出空间机械臂的在轨操控过程是一个基于实时图像反馈、仿真预验证和三维同步运动仿真的闭环操控。

[0052] 图2为本发明的在轨操控流程图，航天员在轨操控空间机械臂的详细过程及信号流程如下：

[0053] 1.机械臂全系统加电启动，此时在轨操控系统、中央控制系统、视觉系统及机械臂本体均加电处于工作状态，但机械臂本体处于不运动状态；

[0054] 2.加电后视觉系统即开始工作，全局视觉、局部视觉和腕部视觉三路视觉的摄像机加电就开始摄像，因此可以直接获得当前的三路视觉图像，此为模拟信号，再将三路模拟信号压缩为数字信号以便于传输，经视频电缆传至中央控制系统，再由中央控制系统传至在轨操控系统的显示单元，显示单元对压缩后的数字图像信号进行解码，得到模拟图像信号，从而显示出当前的三路视频图像；

[0055] 3.航天员通过显示单元的三路视频图像，能够清楚掌握舱外的情况，包括机械臂本体在空间的姿态、与目标物体的空间关系、舱外空间环境的构成等，从而可以根据任务的需要决定下一步机械臂本体的运动；

[0056] 4.航天员通过指令终端(包括开关面板和鼠标、键盘、触摸屏)或手柄单元选择发送机械臂本体运动指令，发送的运动指令包括：直线运动、圆弧运动、约束曲线运动、预编程运动、自主运动、手动控制运动等。

[0057] 5.该运动指令到达中央控制系统进行解析后，调用相应数据或执行运动规划运算并通过通讯总线输出控制数据，调用相应数据是针对预编程运动而言，预编程运动的控制数据是预先生成并存储于中央控制系统中，其运动模式已固定，通过指令进行选择。

[0058] 执行运动规划运算主要包括：

[0059] (1)开环路径规划(包括直线规划、圆弧规划、约束曲线规划)：输入起始点角度和终止点位姿，规划出中间过程各关节的关节角数据。

[0060] 开环路径规划为基础运动规划，其他运动规划最终都以直线或曲线为基本单位进行。直线规划、圆弧规划、约束曲线规划为成熟技术，在教材中均有相关的方法介绍，此处以直线运动规划为例，对开环路径规划的算法设计流程描述如下，流程图如图3所示。

[0061] a.求插补直线长度

[0062] 如果初始点和目标点分别用P0(x0，y0，z0，α0，β0，γ0)和Pn(xn，yn，zn，αn，βn，γn)表示，根据空间几何，两点间距离用dist表示，按下面的公式求出：

[0063]

[0064] P0(x0，y0，z0，α0，β0，γ0)为初始点，Pn(xn，yn，zn，αn，βn，γn)为目标点，x，y，z表示三维位置，α，β，γ表示三维姿态角，下标0代表初始的含义；

[0065] b.确定加速段时间

[0066] 对于一个路径段，假设两端的过渡域具有相同的持续时间，因而在这两个域中，采用相同的恒加速度值，只有符号相反，定义加速段时间为ta。如图4所示，由于过渡域终点的速度必须等于线性域速度，所以

[0067]

[0068] 式中，da为过渡域终点ta+t0处的位移，dm为整个路径中间点的位移，tm为中间点对应的时间，用acc表示过渡域内的加速度，da的值可按下式得：

[0069]

[0070] 令所需的运动持续时间为tz＝2·tm，则由式2和3得

[0071]

[0072] tz为运动总时间，d0为起始点位移，dz为终点位移。

[0073] 通常先选择加速度acc的值，本发明中选取acc为0.004m/s2，可计算出相应的ta[0074]

[0075] 两点间的距离dist见式(1)，由此可得末端最大运行速度

[0076] vel＝acc·ta (6)

[0077] 最终的速度轮廓曲线如图5所示。

[0078] c.确定每次运动的步长

[0079] 用k(k＝0，1…)表示第k次插补，t0为插补时间步长，tK＝k·t0为第k次插补时间，tk-1为第k-1次插补时间，ta为加速段时间，ts为匀速段时间，第k次插补的长度ΔSK可按如下公式给出：

[0080] 如果加速度acc＞0

[0081]

[0082] 如果加速度acc＝0

[0083] ΔSK＝vel·t0 (8)

[0084] 如果加速度acc＜0

[0085]

[0086] d.中间插补点的确定：

[0087] 设中间插补点用Pk(xk，yk，zk，αk，βk，γk)表示，SK为k步距离之和，根据每一步的步长ΔSK，得到第k步时的位移值和Pk(xk，yk，zk，αk，βk，γk)的表达式为：

[0088] SK＝SK-1+ΔSK(k＝0，1，…) (10)

[0089]

[0090] e.反解关节变量

[0091] 规划出笛卡尔空间坐标Pk(xk，yk，zk，αk，βk，γk)后，通过运动学反解，得出每一步的关节角。

[0092] (2)闭环自主路径规划：根据视觉系统获取的目标物体位姿信息，规划各关节的关节角数据，驱动机械臂运动以逼近目标物体。自主控制时，视觉系统参与运动控制，视觉系统获取目标位姿，以机械臂末端当前的位姿为起始点，以目标位姿为目标点，两点之间形成直线，进行运动规划，目的是跟踪目标并最终抓取目标。I I I I T T T T

[0093] 设基坐标系为I(O-XYZ)，机械臂末端坐标系为T(O-XYZ)，目标点坐标系为W W W W
W(O-XYZ)，具体如下：

[0094] 1)根据视觉融合确定出一路视觉系统，该路视觉系统采集目标点W相对于机械臂末端坐标系T的6维坐标为 其中 为位置坐标， 为姿态坐标，通常用欧拉角表示，得到目标点W相对于机械臂
末端坐标系T的变换矩阵

[0095] 2)由机械臂本体当前关节角度θnow，根据运动学正解计算末端T相对于基坐标系I的位姿矩阵 并由此得到末端T相对于基坐标系I的位姿坐标 为位置坐标， 为姿态坐标，通常用欧拉角表示；

[0096] 3)由1)和2)所得的 知 计算目标点W相对于基坐标系I的变换矩阵并由此得到目标W相对于基坐标系I的位姿坐标 为位置坐标，
为姿态坐标，通常用欧拉角表示；

[0097] 4)中间点和目标物体跟踪

[0098] 考虑到直接跟踪目标物，可能会发生抓手和目标物碰撞的问题，因此先以与目标物固连的坐标系的Z轴反向延长线上距离目标物ds的点作为跟踪中间点。为保证捕获平稳准确，可根据需要设置多个中间点。在机械臂的实际调试过程中，设置了距目标物0.8m、0.3m、0.2m和0.1m四个中间点。首先以中间点进行规划，然后以目标物体为目标点进行规划，具体运动规划如下：

[0099] 以跟踪0.8m处的中间点为例，ds＝0.8m。W

[0100] 计算出 Op的位姿坐标

[0101] 其中W

[0102] 然后以 Op为目标物，按下列方法进行位姿跟踪。W

[0103] a.计算目标点 Op相对于末端抓手T在基坐标系I下的位姿坐标差D′oe为位姿坐标差向量，ΔP′为位置差向量，
ΔEul′为姿态差向量，并计算抓手与WOp之间的距离dv；

[0104] b.计算下一步位移量Send＝vel*dt*D′oe/dv，其中vel为设定的机械臂末端运动速度，dt为运动控制周期；

[0105] c.针对末端位移量Send，由运动学逆解计算始末端对应的两组关节角度值θnow，θnext，其中θnow为当前关节角度值，θnext为下一个周期开始时的关节角度值；

[0106] d.考虑到关节角速度约束条件，则每个周期关节实际转角有约束范围，当(θnext-θnow)不超过约束范围时，以(θnext-θnow)作为下一步实际动作的关节角度θplan，若(θnext-θnow)使某些关节转角超过约束范围时，取θmax＝max(θnext_i-θnow_i)，则其中ang为关节最大转角，则 为下一步第i个关节实际关
节角度；

[0107] e.判断此时抓手与WOp之间的距离dv＜d′min是否成立，以及此时末端姿态欧拉角与目标物姿态差ΔEul′是否在给定的误差范围内，若在，则该中间点跟踪结束；否则，返回到a步继续跟踪，直到满足条件为止；

[0108] f.按上述步骤，依次跟踪所有中间点，最终跟踪目标物体，到达后捕获目标物体。

[0109] (3)航天员手动控制路径规划：航天员手动控制路径规划是指在当前坐标系(末端抓手系或机械臂基坐标系)的平移或旋转规划，可以看作是第一类开环控制路径规划的特例。

[0110] 上述的三种路径规划运算均可以独立进行，具体选用哪一种路径规划需要根据具体的任务进行选择，同一时刻只用一种路径规划运算。

[0111] 6.该输出控制数据首先用于驱动仿真单元中的机械臂模型运动，以验证指令的正确性，其正确性由航天员判断，即是否满足完成任务的需求，机械臂本体按照该数据运动是否会发生碰撞等安全问题；

[0112] 7.经仿真单元验证，如果运动指令不正确，航天员重新发送指令，重复执行上述步骤4至6，如果指令正确，则由航天员发送同样的指令，经中央控制系统解析得到的控制数据通过通讯总线传至机械臂本体，从而驱动机械臂本体运动；

[0113] 8.机械臂本体运动的同时，机械臂本体中的各关节控制器将关节角度通过通讯总线回传至中央控制系统，同时视觉系统的三路图像信号和获取的目标物体位置和姿态信息随着机械臂本体的运动而变化，图像信号经压缩实时回传至中央控制系统，目标物体位置和姿态信息实时回传至仿真单元和中央控制系统，以更新仿真单元中的目标物体模型，参与机械臂本体的运动控制中；

[0114] 9.同时中央控制系统将关节的角度相关遥测数据传输至仿真单元，驱动仿真单元的机械臂模型运动，从而获得三维同步仿真运动，供航天员监视；这样航天员的在轨操控构成了一个基于实时图像反馈、仿真预验证和三维同步运动仿真的闭环操控。

[0115] 本发明未详细阐述部分为本领域公知技术。