[發明專利]一種基于ROS的主從異構遙操作控制系統

有效

• 申請號: 201810068103.X
• 申請日: 2018-01-24
• 公開（公告）號: CN108214445B
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 王偉東;杜志江;高永卓;李耿磊
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B25J3/00
• 分類號: B25J3/00;B25J9/16
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 楊立超

1.一種基于ROS的主從異構遙操作控制系統，其特征在于，所述系統包括主端操作手、主端控制器、示教盒、從端控制器和多個從端模塊，主端操作手通過主端控制器與示教盒串行通信，從端控制器通過網線與示教盒連接建立局域網，實現從端控制器和示教盒的數據交互，多個從端模塊通過從端控制器實現運動控制；每個從端模塊包括PMAC運動控制器、電機驅動器和從端機械臂；PMAC運動控制器與從端控制器通過網線連接，PMAC運動控制器通過電機驅動器驅動從端機械臂；

主端操作手用于實現空間六自由度運動，在關節處對應裝有用于測量關節角度值的編碼器；

主端控制器用于采集主端操作手的各個關節角度信息，通過運動學正解獲得主端操作手末端相對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為主端操作手上第i個關節的前后相鄰桿件的位姿關系，m為主端操作手的關節總數；

主端控制器通過ESP32開發板中有三個通用異步收發傳輸控制器，利用串口將主端操作手的關節角度、末端位姿信息傳輸到所述示教盒；

示教盒用于按照預設的通信協議對主端控制器傳來的數據進行解析，示教盒將解析到的主端操作手末端位姿關系按下面的格式再次打包成從端控制器能夠識別的命令；利用ROS將所述的命令以消息的形式發送到從端控制器供其處理；

所述示教盒將解析到的主端操作手末端位姿關系按下面的格式再次打包成從端控制器能夠識別的命令為：“ID號+COMMAND+TARGET+DATA+UNIT”，ID號為從端模塊的標志號，COMMAND表示從端控制器獲悉處理示教盒發送數據的方式，TARGET表示目標點位置，DATA表示示教盒發送的數據內容，UNIT表示數據單位；

示教盒還用于與用戶進行交互，在示教盒的顯示屏上顯示主端操作手各關節的當前角度值，能夠將主端操作手的3D模型、主端操作手控制下的從端機械臂的3D模型動態顯示在所述顯示屏上；

從端控制器用于接收所述示教盒發來的命令，計算出從端機械臂每個關節需要運動的角度；

主端操作手笛卡爾空間下的位姿到從端機械臂笛卡爾空間下的位姿轉換需要經過主從映射；所述主從映射為常比例和變比例控制方法相結合的混合空間映射；轉換過程如下：

選擇主從映射比例系數K₁和K₂，

對當前從端機械臂位置與目標點位置的距離d和主端操作手空間運動范圍M做出判斷，當d＞M時，主端操作手末端相對于主端操作手固定基座的位姿⁰T_m和從端機械臂末端相對從端機械臂固定基座的位姿關系⁰T_s的映射關系為⁰T_s＝K₁·⁰T_m，使從端機械臂迅速靠近目標點；

當d≤M，主端操作手末端相對于主端操作手固定基座的位姿⁰T_m和從端機械臂末端相對從端機械臂固定基座的位姿關系⁰T_s的映射關系為⁰T_s＝K₂·⁰T_m，使從端機械臂進行精細的操作，準確到達目標點位置；

求出從端機械臂末端相對固定基座的位姿關系⁰T_s之后，通過運動學逆解，從笛卡爾空間再次轉化到關節空間，去除不合適的解后求出從端機械臂各關節的運動角度，從端控制器將從端機械臂各關節的運動角度信息下發到PMAC運動控制器，進而通過電機驅動器驅動從端機械臂運動。