本發(fā)明涉及一種多功能一站式遙操作控制設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)及方法，屬于空間操作控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

典型的遙操作試驗(yàn)系統(tǒng)中，操作者通過(guò)操縱鼠標(biāo)、手柄等設(shè)備控制虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的仿真模型。鼠標(biāo)或手柄給出仿真場(chǎng)景中遠(yuǎn)端機(jī)械臂端點(diǎn)的位姿或位置，操作者通過(guò)視覺(jué)觀察遠(yuǎn)端機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，操作者－鼠標(biāo)或手柄－遠(yuǎn)端機(jī)械臂形成閉環(huán)，構(gòu)成遙操作控制系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的遙操作控制系統(tǒng)可分為兩種，一種只具有操作功能，另一種遙操作系統(tǒng)通過(guò)三維建模，進(jìn)行遙操作仿真。這些系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單，操作方式不方便，主要通過(guò)鼠標(biāo)或手柄進(jìn)行控制?？烧{(diào)參數(shù)不多，手柄與遠(yuǎn)端機(jī)械臂間存在隨動(dòng)關(guān)系，兩者通過(guò)比例系數(shù)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，這樣導(dǎo)致的問(wèn)題是，手控柄一般活動(dòng)范圍很小，通過(guò)一定的比例放大后，遠(yuǎn)端機(jī)械臂的活動(dòng)范圍也不大，而且放大系數(shù)增大時(shí)，會(huì)引起遠(yuǎn)端機(jī)械臂末端操作精度的降低。同時(shí)，上面提到的兩種遙操作系統(tǒng)均只具備某一種功能，不能有效地將兩者聯(lián)系起來(lái)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明技術(shù)解決問(wèn)題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多功能一站式遙操作控制設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)及方法，能夠?qū)b操作控制的設(shè)計(jì)、仿真、測(cè)試提供一站式的解決方案。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種多功能一站式遙操作控制設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)，包括：第一遙操作控制臺(tái)、第二遙操作控制臺(tái)、系統(tǒng)總控制臺(tái)、高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器、剛性機(jī)械臂、第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器、撓性機(jī)械臂、第二關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)、視覺(jué)系統(tǒng)和環(huán)形屏幕；

第一遙操作控制臺(tái)、第二遙操作控制臺(tái)為操作者提供操作場(chǎng)景，即為遙操作者提供接口，根據(jù)系統(tǒng)總控制臺(tái)的使能指令，判斷遙操作者是否具有操作權(quán)，如果具有遙操作權(quán)，遙操作者通過(guò)觀察視覺(jué)信息與虛擬現(xiàn)實(shí)仿真信息、剛性機(jī)械臂與撓性機(jī)械臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角度和角速度，以及剛性機(jī)械臂與撓性機(jī)械臂的末端位置與姿態(tài)，判斷剛性機(jī)械臂與撓性機(jī)械臂是否到達(dá)了期望的位置和姿態(tài)，腳部通過(guò)腳踏板，使控制手柄具有“使能”或“禁止”狀態(tài)，在“使能”的情況下，遠(yuǎn)端機(jī)械臂跟隨手柄運(yùn)動(dòng)；在“禁止”狀態(tài)，手柄運(yùn)動(dòng)時(shí)，遠(yuǎn)端機(jī)械臂不運(yùn)動(dòng)，不斷通過(guò)“使能”和“禁止”兩種狀態(tài)的切換，同時(shí)控制手控桿，輸出剛性機(jī)械臂與撓性機(jī)械臂末端的位置與姿態(tài)指令，該指令通過(guò)關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)1或關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)2解算得到剛性機(jī)械臂與撓性機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角度與關(guān)節(jié)角速度指令，鼠標(biāo)、鍵盤(pán)可以控制顯示器上的顯示界面大小、顏色深淺度，以及在不同的顯示視角間切換，所述剛性機(jī)械臂與撓性機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角度和角速度；高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器輸出的動(dòng)力學(xué)仿真狀態(tài)結(jié)果即力覺(jué)反饋信息，通過(guò)第一遙操作控制臺(tái)的計(jì)算機(jī)，等比例地呈現(xiàn)在手控桿上，從而實(shí)現(xiàn)力覺(jué)反饋；如果系統(tǒng)總控制臺(tái)輸出指令使第一遙操作控制臺(tái)不具有遙操作權(quán)，則第一遙操作控制臺(tái)處于等待狀態(tài)；

系統(tǒng)總控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)試驗(yàn)前的準(zhǔn)備、試驗(yàn)中的故障干預(yù)，以及試驗(yàn)后的結(jié)果分析；試驗(yàn)前的準(zhǔn)備中，系統(tǒng)總控制臺(tái)能調(diào)取剛性機(jī)械臂或撓性機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角信息、視覺(jué)系統(tǒng)的視覺(jué)信息，如果正常，則開(kāi)始試驗(yàn)；否則需要檢查原因，進(jìn)行故障排查；試驗(yàn)前，通過(guò)系統(tǒng)總控制臺(tái)的計(jì)算機(jī)對(duì)高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器里動(dòng)力學(xué)仿真初始狀態(tài)，剛性機(jī)械臂與撓性機(jī)械臂的初始位置，虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器的初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置；在試驗(yàn)中，獲取剛性機(jī)械臂與撓性機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角、關(guān)節(jié)角速度，以及高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果狀態(tài)信息，如果這些狀態(tài)信息超過(guò)設(shè)定的閥值，則制動(dòng)剛性機(jī)械臂或撓性機(jī)械臂，通過(guò)控制鍵盤(pán)上Pause鍵，或通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊屏幕上的“暫?！卑粹o實(shí)現(xiàn)；試驗(yàn)完成后，對(duì)試驗(yàn)中的剛性機(jī)械臂與撓性機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角、關(guān)節(jié)角速度、力覺(jué)傳感器的反饋值、手控桿的輸出指令值進(jìn)行曲線繪制，并進(jìn)行分析；

高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器，對(duì)在軌空間機(jī)器人進(jìn)行在軌真實(shí)動(dòng)力學(xué)仿真；采用分析力學(xué)方法建立空間機(jī)器人的高維動(dòng)力學(xué)模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、控制律，根據(jù)遙操作控制臺(tái)給出的機(jī)械臂末端位置和姿態(tài)指令，控制律解算出空間機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制力和控制力矩，作用在高維動(dòng)力學(xué)模型上，解算出動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)解算，得到包括空間機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，即基座的位置與速度，以及機(jī)械臂關(guān)節(jié)的角度與角速度、角加速度信息，輸出給第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)和第二關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)，用于剛性機(jī)械臂與撓性機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)控制，同時(shí)輸出給虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器，用于圖像顯示仿真；

虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器，采用Open Inventor軟件建立空間機(jī)器人在太空中的操作環(huán)境，同時(shí)對(duì)全局相機(jī)、機(jī)械臂上的手眼相機(jī)進(jìn)行圖像采集，Open Inventor顯示的是虛擬的空間場(chǎng)景，而全局相機(jī)和手眼相機(jī)采集的是真實(shí)的剛性機(jī)械臂和撓性機(jī)械臂的圖像，采用增加現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將兩種圖像一起顯示，疊加在一起，實(shí)現(xiàn)真實(shí)圖像與虛擬圖像的融合，實(shí)現(xiàn)圖像仿真，將仿真結(jié)果傳輸給遙操作控制臺(tái)的顯示器，用于操作者通過(guò)視覺(jué)判斷進(jìn)行操作；

剛性機(jī)械臂，位于遠(yuǎn)程操作現(xiàn)場(chǎng)，在遠(yuǎn)程對(duì)目標(biāo)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，在剛性機(jī)械臂的末端配置力和力矩傳感器，利用力和力矩傳感器對(duì)機(jī)械臂與環(huán)境的碰撞接解進(jìn)行測(cè)量，剛性機(jī)械臂的各關(guān)節(jié)由驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)，以及角位置編解碼單元組成，第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)中的控制軟件解算出剛性機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的控制指令后，傳輸給剛性機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)剛性機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)，剛性機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)后，各關(guān)節(jié)的角位置編解碼單元測(cè)量到各關(guān)節(jié)角度，計(jì)算出角速度和角加速度，傳輸給虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器；如果剛性機(jī)械臂與目標(biāo)發(fā)生碰撞，則力和力矩傳感器測(cè)量到力和力矩值，將力和力矩?cái)?shù)值反饋到高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器中的空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真軟件，作為輸入對(duì)空間機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行仿真，進(jìn)一步得到新的空間機(jī)器人的狀態(tài)，同時(shí)高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器還將測(cè)量到的力矩值反饋給第一遙操作控制臺(tái)和第二遙操作控制臺(tái)，用于在手控桿上重現(xiàn)該力矩，實(shí)現(xiàn)力反饋；

第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)，根據(jù)關(guān)節(jié)角控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)剛性機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)控制；接收來(lái)自高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器的各關(guān)節(jié)指令，即關(guān)節(jié)角或關(guān)節(jié)角速度，將各關(guān)節(jié)指令作為輸入指令信息，通過(guò)各關(guān)節(jié)的雙閉環(huán)控制軟件，解算出各關(guān)節(jié)的控制力矩指令，控制力矩指令輸入給剛性機(jī)械臂的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)剛性機(jī)械臂的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)；

撓性機(jī)械臂，采用氣浮支撐，通過(guò)模擬在軌空間機(jī)器人上安裝的機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，激勵(lì)撓性振動(dòng)，用于對(duì)撓性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，撓性機(jī)械臂各關(guān)節(jié)由驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)，以及角位置編解碼單元組成，第二關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)中的控制軟件解算出撓性機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的控制指令后，傳輸給撓性機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)撓性機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)，撓性機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)后，各關(guān)節(jié)的角位置編解碼單元測(cè)量到各關(guān)節(jié)角度，計(jì)算出角速度和角加速度，傳輸給虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真&視頻采集服務(wù)器；撓性機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)起振，其振動(dòng)信息通過(guò)激光測(cè)量?jī)x測(cè)量到后傳輸給虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器，用于顯像顯示其振動(dòng)大小，激光測(cè)量?jī)x的測(cè)量信息再進(jìn)一步傳輸給系統(tǒng)總控制臺(tái)，總控制臺(tái)在試驗(yàn)完成后對(duì)這些信息進(jìn)行分析，提取撓性振動(dòng)的頻率與阻尼信息；

第二關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)，根據(jù)關(guān)節(jié)角控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)撓性機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)控制；它接收來(lái)自高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器的各關(guān)節(jié)指令，即關(guān)節(jié)角或關(guān)節(jié)角速度，將該指令作為輸入指令信息，通過(guò)各關(guān)節(jié)的雙閉環(huán)控制軟件，解算出各關(guān)節(jié)的控制力矩指令，控制力矩指令輸入給撓性機(jī)械臂的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)撓性機(jī)械臂的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)；

視覺(jué)系統(tǒng)，包括全局相機(jī)、剛性機(jī)械臂上的手眼相機(jī)、光照模擬和激光測(cè)量?jī)x；在試驗(yàn)開(kāi)始前，采集來(lái)自系統(tǒng)總控制臺(tái)的全局相機(jī)和手眼相機(jī)的指向角度值，以及光照強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)全局相機(jī)、手眼相機(jī)視角的調(diào)整，以及模擬的光照強(qiáng)度調(diào)整；在試驗(yàn)中，采集全局相機(jī)、手眼相機(jī)的視覺(jué)圖像，反饋給虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器，用于圖像仿真，同時(shí)利用激光測(cè)量?jī)x測(cè)量撓性機(jī)械臂的振動(dòng)信息，反饋給虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器，再進(jìn)一步反饋給系統(tǒng)總控制臺(tái)，用于對(duì)撓性信息即振動(dòng)頻率與阻尼進(jìn)行提取；

環(huán)形屏幕，通過(guò)四臺(tái)投影儀進(jìn)行投影顯示，利用四臺(tái)投影儀投影到環(huán)形屏幕上，用于除操作者外的其它人員對(duì)遙操作試驗(yàn)進(jìn)行視覺(jué)觀察；四臺(tái)投影儀的投影圖像均來(lái)自虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器的輸出圖像信息，虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器控制輸出到四臺(tái)投影儀上的圖像信息的內(nèi)容；投影到環(huán)形屏幕，環(huán)形屏幕圖像區(qū)域分成三塊，其中兩塊分別對(duì)應(yīng)兩臺(tái)投影儀，另一塊區(qū)域?qū)?yīng)剩下的兩臺(tái)投影儀，兩臺(tái)投影儀的投影圖像分別通過(guò)偏振片進(jìn)行濾光，投出光振動(dòng)方向相互垂直，在第三塊區(qū)域上重疊顯示，通過(guò)立體眼鏡觀察這塊區(qū)域，觀察到3D顯示圖像。

所述系統(tǒng)總控制臺(tái)中，所述虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器的初始狀態(tài)包括虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的場(chǎng)景設(shè)置，光照模擬系統(tǒng)的入射角與亮度。

所述系統(tǒng)總控制臺(tái)中，通過(guò)綜合利用人體的腳部自由度，利用腳踏板、手控柄、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)進(jìn)行指令輸入，在腳踏板“使能”情況下，手控柄指令有效；在“禁止”狀態(tài)，手控柄指令無(wú)效，通過(guò)“使能”、“禁止”狀態(tài)切換，可以實(shí)現(xiàn)手控柄對(duì)遠(yuǎn)程剛性機(jī)械臂的大范圍運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)減小遠(yuǎn)程剛性機(jī)械臂與手控柄間的放大因子，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程剛性機(jī)械臂的高精度控制，在試驗(yàn)中，如果遇到故障，通過(guò)控制鍵盤(pán)上Pause鍵，或通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊屏幕上的“暫?！卑粹o，使剛性機(jī)械臂或撓性機(jī)械臂立即制動(dòng)。

環(huán)形屏幕中，所述投影到環(huán)形屏幕的圖像區(qū)域分成三塊，其中兩塊分別對(duì)應(yīng)兩臺(tái)投影儀，另一聲區(qū)域?qū)?yīng)剩下的兩臺(tái)投影儀，兩臺(tái)投影儀的投影圖像分別通過(guò)偏振片進(jìn)行濾光，投出光振動(dòng)方向相互垂直，在三塊區(qū)域上重疊顯示，通過(guò)立體眼鏡觀察這塊區(qū)域，觀察到3D顯示圖像。

所述仿真周期、第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)和第二關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)的控制周期分別不大于1ms。

一種多功能一站式遙操作控制設(shè)計(jì)與仿真方法，包括四種工作模式，實(shí)現(xiàn)步驟為：

(1)模式一：進(jìn)行手動(dòng)遙操作控制的數(shù)學(xué)仿真試驗(yàn)，第一遙操作控制臺(tái)、第二遙操作控制臺(tái)、系統(tǒng)總控制臺(tái)、高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器、虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿

真和視頻采集服務(wù)器、環(huán)形屏幕組成；由系統(tǒng)總控制臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)式、初始狀態(tài)設(shè)定，再進(jìn)入仿真，通過(guò)第一遙操作控制控制臺(tái)或第二遙操作控制臺(tái)進(jìn)行手動(dòng)遙操作控制指令輸入，在高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器中運(yùn)行空間機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)仿真，利用虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器對(duì)空間機(jī)器人的狀態(tài)信息進(jìn)行圖像仿真，再反饋到第一遙操作控制控制臺(tái)或第二遙操作控制臺(tái)，以及環(huán)形屏幕，形成系統(tǒng)閉環(huán)；

(2)模式二：對(duì)地面真實(shí)的機(jī)械臂進(jìn)行手動(dòng)遙操作控制的仿真試驗(yàn)，由第一遙操作控制臺(tái)、第二遙操作控制臺(tái)、系統(tǒng)總控制臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器、剛性機(jī)械臂、第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)、視覺(jué)系統(tǒng)、環(huán)形屏幕組成；由系統(tǒng)總控制臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)式、初始狀態(tài)設(shè)定，再進(jìn)入仿真，通過(guò)第一遙操作控制控制臺(tái)或第二遙操作控制臺(tái)進(jìn)行手動(dòng)遙操作控制指令輸入，輸入指令為剛性機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角或角速度指令，第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)對(duì)該指令進(jìn)行解算，換算成各關(guān)節(jié)的控制指令，驅(qū)動(dòng)剛性機(jī)械臂，利用視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行視覺(jué)信息采集，反饋到虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器，進(jìn)行圖像處理，再反饋到第一遙操作控制控制臺(tái)或第二遙操作控制臺(tái)，以及環(huán)形屏幕，形成系統(tǒng)閉環(huán)；

(3)模式三：用于仿真空間機(jī)器人捕獲、插拔中的碰撞動(dòng)力學(xué)與控制仿真試驗(yàn)，由第一遙操作控制臺(tái)、第二遙操作控制臺(tái)、系統(tǒng)總控制臺(tái)、高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器、虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器、剛性機(jī)械臂、第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)、視覺(jué)系統(tǒng)、環(huán)形屏幕組成；由系統(tǒng)總控制臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)式、初始狀態(tài)設(shè)定，再進(jìn)入仿真，通過(guò)第一遙操作控制控制臺(tái)或第二遙操作控制臺(tái)進(jìn)行手動(dòng)遙操作控制指令輸入，該指令輸入給高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器，給出空間機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)期望指令，并對(duì)空間機(jī)器人進(jìn)行控制律解算，進(jìn)行空間機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)仿真，將輸出空間機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)傳給第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)，解算地面剛性機(jī)械臂的等效關(guān)節(jié)角，并驅(qū)動(dòng)剛性機(jī)械臂按空間機(jī)器人的末端位姿實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)的碰撞，將高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器的輸出空間機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及利用視覺(jué)系統(tǒng)測(cè)量到的視覺(jué)信息，反饋給虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器進(jìn)行圖像仿真，將剛性機(jī)械臂碰撞力反饋到高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器，作為外力作用，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，將碰撞力反饋到第一遙操作控制臺(tái)或第二遙操作控制臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)捕獲、插拔碰撞過(guò)程中對(duì)遙操作者的力矩反饋，以及環(huán)形屏幕，形成系統(tǒng)閉環(huán)；

(4)模式四：用于驗(yàn)證撓性機(jī)械臂的控制性能及撓性參數(shù)辨識(shí)仿真試驗(yàn)，由第一遙操作控制臺(tái)、第二遙操作控制臺(tái)、系統(tǒng)總控制臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器、撓性機(jī)械臂、第二關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)、視覺(jué)系統(tǒng)、環(huán)形屏幕組成；由系統(tǒng)總控制臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)式、初始狀態(tài)設(shè)定，再進(jìn)入仿真，通過(guò)第一遙操作控制控制臺(tái)或第二遙操作控制臺(tái)進(jìn)行手動(dòng)遙操作控制指令輸入，輸入指令為撓性機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角或角速度指令，第二關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)對(duì)該指令進(jìn)行解算，換算成各關(guān)節(jié)的控制指令，驅(qū)動(dòng)撓性機(jī)械臂，利用視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行撓性振動(dòng)信息采集，反饋到虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器，進(jìn)行圖像處理，再反饋到第一遙操作控制控制臺(tái)或第二遙操作控制臺(tái)，以及環(huán)形屏幕，形成系統(tǒng)閉環(huán)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明具備手動(dòng)遙操作控制的數(shù)學(xué)仿真試驗(yàn)、地面真實(shí)的機(jī)械臂手動(dòng)遙操作控制的仿真試驗(yàn)、空間機(jī)器人捕獲插拔中的碰撞動(dòng)力學(xué)與控制試驗(yàn)、撓性機(jī)械臂的控制性能驗(yàn)證及撓性參數(shù)辨識(shí)四種工作模式，可針對(duì)遙操作控制系統(tǒng)完成從設(shè)計(jì)、仿真、參數(shù)優(yōu)化、操作人員訓(xùn)練的一站式解決方案。前期的設(shè)計(jì)、仿真及優(yōu)化后的參數(shù)，能直接下載到實(shí)際系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)遙操作的控制訓(xùn)練，并將實(shí)際系統(tǒng)的驗(yàn)證結(jié)果反饋到設(shè)計(jì)過(guò)程，再進(jìn)行系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)及優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)一站式遙操作控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，以前從未有過(guò)類(lèi)似的遙操作控制或仿真相關(guān)的系統(tǒng)；

(2)對(duì)于遙操作控制平臺(tái)，本發(fā)明通過(guò)利用人體的腳部自由度，利用腳踏板、手控柄、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)進(jìn)行指令輸入，在腳踏板“使能”情況下，手控柄指令有效；在“禁止”狀態(tài)，手控柄指令無(wú)效，通過(guò)“使能”、“禁止”狀態(tài)切換，可以實(shí)現(xiàn)手控柄對(duì)遠(yuǎn)程剛性機(jī)械臂的大范圍運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)減小遠(yuǎn)端機(jī)械臂與手控柄間的放大因子，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程剛性機(jī)械臂的高精度控制，以前從未有過(guò)類(lèi)似的設(shè)計(jì)；

(3)本發(fā)明中，配置了豐富的傳感測(cè)量系統(tǒng)，包括剛性機(jī)械臂末端配置了力和力矩傳感器、視覺(jué)系統(tǒng)配置了全局相機(jī)、剛性機(jī)械臂的手眼相機(jī)，以及激光測(cè)量?jī)x，可以通過(guò)力和力矩傳感器對(duì)剛性機(jī)械臂進(jìn)行力覺(jué)反饋，通過(guò)激光測(cè)量?jī)x對(duì)撓性機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，并將得到的參數(shù)更新的遙操作控制系統(tǒng)中，以往的相關(guān)系統(tǒng)中均不具備此種功能。

附圖說(shuō)明

圖1為多功能遙操作控制系統(tǒng)組成框圖；

圖2為多功能遙操作控制系統(tǒng)信息流；

圖3為系統(tǒng)總控制臺(tái)操作流程圖；

圖4為系統(tǒng)總控制臺(tái)軟硬件組成部分；

圖5為操作員及控制臺(tái)；

圖6為第一遙操作控制臺(tái)和第二遙操作控制臺(tái)操作流程圖；

圖7為第一遙操作控制臺(tái)和第二遙操作控制臺(tái)軟硬件組成部分；

圖8為高維動(dòng)力學(xué)仿真流程圖；

圖9為高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器軟件模塊組成；

圖10為第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)和第二關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)流程圖；

圖11為第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)和第二關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)軟件模塊組成；

圖12為視覺(jué)系統(tǒng)操作流程圖；

圖13為視覺(jué)系統(tǒng)操作軟硬件組成部分。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，多功能遙操作控制系統(tǒng)利用總線信息體系結(jié)構(gòu)，將遙操作控制系統(tǒng)中的各個(gè)部分組織成網(wǎng)絡(luò)，包括如下組成部分：第一遙操作控制臺(tái)1；第二遙操作控制臺(tái)2、系統(tǒng)總控制臺(tái)3、高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器4、虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5、剛性機(jī)械臂6、第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)7、撓性機(jī)械臂8、第二關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)9、視覺(jué)系統(tǒng)10、環(huán)形屏幕11。各設(shè)備間通過(guò)總線進(jìn)行交換的信息流如圖2所示。

系統(tǒng)總控制臺(tái)3是整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)與控制平臺(tái)，可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)提供監(jiān)視、維護(hù)、急停等操作。

第一遙操作控制臺(tái)1、第二遙操作控制臺(tái)2實(shí)現(xiàn)兩方面的功能：一是在第一遙操作控制臺(tái)1的操作者退出時(shí)接管遠(yuǎn)程剛性機(jī)械臂6控制權(quán)，實(shí)現(xiàn)操作員間的協(xié)調(diào)控制；二是在模式一下工作時(shí)，如果仿真的空間機(jī)器人上安裝了兩只機(jī)械臂，第一遙操作控制臺(tái)1、第二遙操作控制臺(tái)2的操作者分別控制一只空間機(jī)器人上的機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)操作員的協(xié)調(diào)控制。

高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器4實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜對(duì)象的動(dòng)力學(xué)仿真，主要針對(duì)進(jìn)行空間操作的空間機(jī)器人，其動(dòng)力學(xué)模型維數(shù)高，仿真資源需求大，利用該高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器4，能對(duì)在軌的空間機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，包括與空間操作目標(biāo)的碰撞檢測(cè)、虛擬力反饋測(cè)量等。

虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5，實(shí)現(xiàn)真實(shí)圖像與虛擬圖像的融合，實(shí)現(xiàn)圖像仿真，將仿真結(jié)果傳輸給遙操作控制臺(tái)的顯示器，用于操作者通過(guò)視覺(jué)判斷進(jìn)行操作；

剛性機(jī)械臂6有兩個(gè)功能，一是作為地面基座固定的機(jī)械臂，對(duì)作為遠(yuǎn)端進(jìn)行地面遙操作控制，二是作為空間機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬器，在運(yùn)動(dòng)學(xué)級(jí)上對(duì)空間機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬，利用力和力矩測(cè)量敏感器實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂與操作目標(biāo)的碰撞測(cè)量，將測(cè)量信息反饋給遙操作人員。

第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)7實(shí)現(xiàn)剛性機(jī)械臂6的操作控制；虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器4用于對(duì)空間機(jī)器人空間操作環(huán)境進(jìn)行仿真建模，進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)3D建模與仿真，同時(shí)對(duì)視頻系統(tǒng)采集的圖像信息進(jìn)行顯示，與虛擬現(xiàn)實(shí)圖像進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)增加現(xiàn)實(shí)仿真。

撓性機(jī)械臂8用于對(duì)在軌的空間機(jī)器人上安裝的機(jī)械臂的撓性進(jìn)行仿真測(cè)試，主要用于對(duì)撓性機(jī)械臂8的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，用于進(jìn)行撓性參數(shù)辨識(shí)、考慮撓性后的控制性能等。

第二關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)9實(shí)現(xiàn)撓性機(jī)械臂8的操作控制；視覺(jué)系統(tǒng)用于對(duì)機(jī)械臂的手眼相機(jī)、全局相機(jī)圖像進(jìn)行采集，并能對(duì)全局相機(jī)的角度進(jìn)行調(diào)整。

視覺(jué)系統(tǒng)10配置攝像頭和光源模擬器，攝像頭用于采集剛性機(jī)械臂6或撓性機(jī)械臂8手眼視覺(jué)信息，以及獲取全局視覺(jué)信息，光源用于模擬在軌光照效果。

環(huán)形屏幕11利用大型環(huán)境屏幕對(duì)圖像進(jìn)行投影，其畫(huà)面與遙操作控制臺(tái)上的顯示器顯示內(nèi)容是相同的，只是兩臺(tái)投影儀重疊投影，通過(guò)立體眼鏡可觀察到立體視覺(jué)；另兩臺(tái)投影儀平行投影，顯示信息同操作臺(tái)上顯示器，用于提升演示效果。

具體介紹如下：

(1)系統(tǒng)總控制臺(tái)3的功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)試驗(yàn)前的準(zhǔn)備、試驗(yàn)中的故障干預(yù)、試驗(yàn)后的結(jié)果分析，如圖3所示，工試驗(yàn)前的準(zhǔn)備中，系統(tǒng)總控制臺(tái)3能調(diào)取剛性機(jī)械臂6或撓性機(jī)械臂8的關(guān)節(jié)角信息、視覺(jué)系統(tǒng)10的視覺(jué)信息，如果正常，則可進(jìn)入具體操作；否則需要檢查原因，進(jìn)行故障排查；試驗(yàn)前，通過(guò)系統(tǒng)總控制臺(tái)3的計(jì)算機(jī)，對(duì)高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器4里動(dòng)力學(xué)仿真初始狀態(tài)，剛性機(jī)械臂6與撓性機(jī)械臂8的初始位置，虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5的初始狀態(tài)，包括虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的場(chǎng)景設(shè)置，光照模擬系統(tǒng)的入射角與亮度進(jìn)行設(shè)置；在試驗(yàn)中，如果遇到故障，通過(guò)控制鍵盤(pán)上Pause鍵，或通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊屏幕上的“暫?！卑粹o，使剛性機(jī)械臂6或撓性機(jī)械臂8立即制動(dòng)；在試驗(yàn)中，可以獲取剛性機(jī)械臂6與撓性機(jī)械臂8的關(guān)節(jié)角、關(guān)節(jié)角速度，以及高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器4動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果等狀態(tài)信息，如果這些狀態(tài)信息超過(guò)設(shè)定的閥值，則可以制動(dòng)剛性機(jī)械臂6或撓性機(jī)械臂8，方法同前面故障情況；試驗(yàn)完成后，可對(duì)試驗(yàn)中的剛性機(jī)械臂6與撓性機(jī)械臂8的關(guān)節(jié)角、關(guān)節(jié)角速度、力覺(jué)傳感器的反饋值、手控桿的輸出指令值進(jìn)行曲線繪制，進(jìn)行分析。系統(tǒng)總控制臺(tái)1的軟硬件組成如圖4所示。

(2)第一遙操作控制臺(tái)1，其示意圖如圖5所示，為操作者提供操作場(chǎng)景即為遙操作者提供接口，其操作流程如圖6所示，接收來(lái)自高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器的動(dòng)力學(xué)仿真狀態(tài)結(jié)果，剛性機(jī)械臂6與撓性機(jī)械臂8的關(guān)節(jié)狀態(tài)信息，虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5采集到的視覺(jué)信息與虛擬現(xiàn)實(shí)仿真信息，系統(tǒng)總控制臺(tái)1的使能指令以及與第二遙操作臺(tái)2的切換指令。首先根據(jù)系統(tǒng)總控制臺(tái)3的使能指令，判斷遙操作者是否具有操作權(quán)，如果具有遙操作權(quán)，遙操作者通過(guò)觀察視覺(jué)信息與虛擬現(xiàn)實(shí)仿真信息、剛性機(jī)械臂6與撓性機(jī)械臂8關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角度和角速度，以及剛性機(jī)械臂6與撓性機(jī)械臂8的末端位置與姿態(tài)，判斷剛性機(jī)械臂6與撓性機(jī)械臂8是否到達(dá)了期望的位置和姿態(tài)，腳部通過(guò)腳踏板，使控制手柄具有“使能”或“禁止”狀態(tài)，在“使能”的情況下，遠(yuǎn)端機(jī)械臂跟隨手柄運(yùn)動(dòng)；在“禁止”狀態(tài)，手柄運(yùn)動(dòng)時(shí)，遠(yuǎn)端機(jī)械臂不運(yùn)動(dòng)，不斷通過(guò)“使能”和“禁止”兩種狀態(tài)的切換，同時(shí)控制手控桿，輸出剛性機(jī)械臂6與撓性機(jī)械臂8末端的位置與姿態(tài)指令，鼠標(biāo)、鍵盤(pán)可以控制顯示器上的顯示界面大小、顏色深淺度，以及在不同的顯示視角間切換；高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器4輸出的力覺(jué)反饋信息，通過(guò)第一遙操作控制臺(tái)1的計(jì)算機(jī)，等比例地呈現(xiàn)在手控桿上，從而實(shí)現(xiàn)力覺(jué)反饋。如果系統(tǒng)總控制臺(tái)3輸出指令使第一遙操作控制臺(tái)1不具有遙操作權(quán)，則第一遙操作控制臺(tái)1處于等待狀態(tài)，其軟硬件組成如圖7所示；

(3)第二遙操作控制臺(tái)2，實(shí)現(xiàn)兩方面的功能，一是在第一遙操作控制臺(tái)1的操作者退出時(shí)接管遠(yuǎn)程剛性機(jī)械臂控制權(quán)，實(shí)現(xiàn)操作員間的協(xié)調(diào)控制；二是在模式一下工作時(shí)，如果仿真的空間機(jī)器人上安裝了兩只機(jī)械臂，第一遙操作控制臺(tái)1、第二遙操作控制臺(tái)2的操作者分別控制一只機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)操作員的協(xié)調(diào)控制；其操作過(guò)程同上面第一遙操作控制臺(tái)1；

(4)高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器4的功能是對(duì)在軌空間機(jī)器人進(jìn)行在軌真實(shí)動(dòng)力學(xué)仿真。高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器4的工作流程如圖8所示，在高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器4中采用分析力學(xué)方法建立了空間機(jī)器人的高維動(dòng)力學(xué)模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、控制律，其輸入包括遙操作控制臺(tái)給出的剛性機(jī)械臂6或撓性機(jī)械臂8的末端位置和姿態(tài)指令，根據(jù)該指令，控制律解算出空間機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制力和控制力矩，作用在高維動(dòng)力學(xué)模型上，解算出動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)解算，得到包括空間機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，即基座的位置與速度，以及剛性機(jī)械臂6或撓性機(jī)械臂8關(guān)節(jié)的角度與角速度、角加速度信息，輸出給第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)7和第二關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)9，用于剛性機(jī)械臂6與撓性機(jī)械臂8的驅(qū)動(dòng)控制，同時(shí)輸出給虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5，用于圖像顯示仿真，其軟硬件組成如圖9所示；

(5)虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5中采用Open Inventor軟件建立了空間機(jī)器人在太空中的操作環(huán)境，同時(shí)對(duì)全局相機(jī)、機(jī)械臂上的手眼相機(jī)進(jìn)行圖像采集，Open Inventor顯示的是虛擬的空間場(chǎng)景，而全局相機(jī)和手眼相機(jī)采集的是真實(shí)的剛性機(jī)械臂6和撓性機(jī)械臂8的圖像，采用增加現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將兩種圖像一起顯示，疊加在一起，實(shí)現(xiàn)真實(shí)圖像與虛擬圖像的融合，實(shí)現(xiàn)圖像仿真，將仿真結(jié)果傳輸給第一遙操作控制臺(tái)1或第二遙操作控制臺(tái)2的顯示器，用于操作者通過(guò)視覺(jué)判斷進(jìn)行操作；

(6)剛性機(jī)械臂6，位于遠(yuǎn)程操作現(xiàn)場(chǎng)，在遠(yuǎn)程對(duì)目標(biāo)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，在剛性機(jī)械臂的末端配置了六維力和力矩傳感器，利用力和力矩傳感器對(duì)剛性機(jī)械臂6與環(huán)境的碰撞接解進(jìn)行測(cè)量，剛性機(jī)械臂6的各關(guān)節(jié)由驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)，以及角位置編解碼單元組成，第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)中的控制軟件解算出剛性機(jī)械臂6各關(guān)節(jié)的控制指令后，傳輸給剛性機(jī)械臂6的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)剛性機(jī)械臂6末端的運(yùn)動(dòng)，剛性機(jī)械臂6運(yùn)動(dòng)后，各關(guān)節(jié)的角位置編解碼單元測(cè)量到各關(guān)節(jié)角度，計(jì)算出角速度和角加速度，傳輸給虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5；如果剛性機(jī)械臂6與目標(biāo)發(fā)生碰撞，則力矩傳感器測(cè)量到力和力矩值，將力和力矩?cái)?shù)值反饋到高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器4中的空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真軟件，作為輸入對(duì)空間機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行仿真，進(jìn)一步得到新的空間機(jī)器人的狀態(tài)，同時(shí)高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器還將測(cè)量到的力矩值反饋給第一遙操作控制臺(tái)1和第二遙操作控制臺(tái)2，用于在手控桿上重現(xiàn)該力矩，實(shí)現(xiàn)力反饋；

(7)第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)7的功能是根據(jù)關(guān)節(jié)角控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)剛性機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)控制。其工作流程如圖10所示，它接收來(lái)自高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器4的各關(guān)節(jié)指令，即關(guān)節(jié)角或關(guān)節(jié)角速度，將該指令作為輸入指令信息，通過(guò)各關(guān)節(jié)的雙閉環(huán)控制軟件，解算出各關(guān)節(jié)的控制力矩指令，控制力矩指令輸入給剛性機(jī)械臂6的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)剛性機(jī)械臂的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，其軟硬件模塊組成如圖11所示；

(8)撓性機(jī)械臂8，其功能是采用氣浮支撐，放置在大理石平臺(tái)上，用于模擬空間在軌失重環(huán)境，用于對(duì)撓性機(jī)械臂8的撓性進(jìn)行激勵(lì)與測(cè)量，以及撓性機(jī)械臂8存在撓性時(shí)進(jìn)行空間操作的性能。撓性機(jī)械臂8的各關(guān)節(jié)由驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)，以及角位置編解碼單元組成，第二關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)9中的控制軟件解算出撓性機(jī)械臂8各關(guān)節(jié)的控制指令后，傳輸給撓性機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)撓性機(jī)械臂8末端的運(yùn)動(dòng)，撓性機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)后，各關(guān)節(jié)的角位置編解碼單元測(cè)量到各關(guān)節(jié)角度，計(jì)算出角速度和角加速度，傳輸給虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5。撓性機(jī)械臂8運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)起振，其振動(dòng)信息通過(guò)激光測(cè)量?jī)x測(cè)量到后傳輸給虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5，用于顯像顯示其振動(dòng)大小，激光測(cè)量?jī)x的測(cè)量信息再進(jìn)一步傳輸給系統(tǒng)總控制臺(tái)3，系統(tǒng)總控制臺(tái)3在試驗(yàn)完成后可以對(duì)這些信息進(jìn)行分析，提取撓性振動(dòng)的頻率與阻尼信息；

(9)第二關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)9的功能是根據(jù)關(guān)節(jié)角控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)撓性機(jī)械臂8各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)控制；它接收來(lái)自高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器4的各關(guān)節(jié)指令，即關(guān)節(jié)角或關(guān)節(jié)角速度，將該指令作為輸入指令信息，通過(guò)各關(guān)節(jié)的雙閉環(huán)控制軟件，解算出各關(guān)節(jié)的控制力矩指令，控制力矩指令輸入給撓性機(jī)械臂的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)撓性機(jī)械臂的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)；

(10)視覺(jué)系統(tǒng)10的硬件組成包括全局相機(jī)、剛性機(jī)械臂上的手眼相機(jī)、光照模擬、激光測(cè)量?jī)x。其工作流程如圖12所示，在試驗(yàn)開(kāi)始前，采集來(lái)自系統(tǒng)總控制臺(tái)3的全局相機(jī)和手眼相機(jī)的指向角度值，以及光照強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)全局相機(jī)、手眼相機(jī)視角的調(diào)整，以及模擬的光照強(qiáng)度調(diào)整；在試驗(yàn)中，采集全局相機(jī)、手眼相機(jī)的視覺(jué)圖像，反饋給虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5，用于圖像仿真，同時(shí)利用激光測(cè)量?jī)x測(cè)量撓性機(jī)械臂8的振動(dòng)信息，也反饋給虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5，再進(jìn)一步反饋給系統(tǒng)總控制臺(tái)3，用于對(duì)撓性信息(振動(dòng)頻率與阻尼)進(jìn)行提取，其軟硬件組成如圖13所示；

(11)環(huán)形屏幕11的功能是通過(guò)四臺(tái)投影儀進(jìn)行投影顯示，利用投影儀投影到環(huán)形屏幕11上，用于除操作者外的其它人員對(duì)遙操作試驗(yàn)進(jìn)行視覺(jué)觀察。四臺(tái)投影儀的投影圖像均來(lái)自虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5的輸出圖像信息，虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5可以控制輸出到投影儀上的圖像信息的內(nèi)容。環(huán)形屏幕11的圖像區(qū)域分成三塊，其中兩塊分別對(duì)應(yīng)兩臺(tái)投影儀，另一聲區(qū)域?qū)?yīng)剩下的兩臺(tái)投影儀，兩臺(tái)投影儀的投影圖像分別通過(guò)偏振片進(jìn)行濾光，投出光振動(dòng)方向相互垂直，在三塊區(qū)域上重疊顯示，通過(guò)立體眼鏡觀察這塊區(qū)域，可以觀察到3D顯示圖像。

該系統(tǒng)具有四種仿真工況試驗(yàn)?zāi)芰此姆N工作模式：模式一：由第一遙操作控制臺(tái)1和第二遙操作控制臺(tái)2、高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器4、虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5形成閉環(huán)進(jìn)行遙操作數(shù)學(xué)仿真；模式二：由第一遙操作控制臺(tái)1和第二遙操作控制臺(tái)2、剛性機(jī)械臂8、第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)7、第二關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)9、虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5進(jìn)行地面機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙操作；模式三：由第一遙操作控制臺(tái)1和第二遙操作控制臺(tái)2、高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器4、剛性機(jī)械臂6、第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)7、第二關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)9、視覺(jué)系統(tǒng)10、虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5進(jìn)行遙操作的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，主要針對(duì)碰撞、插拔等操作工況；模式四：由第一遙操作控制臺(tái)1和第二遙操作控制臺(tái)2、撓性機(jī)械臂8、第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)7、第二關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)9、視覺(jué)系統(tǒng)10、虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5組成閉環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)行考慮撓性機(jī)械臂8的撓性特性情況下的仿真與設(shè)計(jì)。

下面進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

(1)模式一：進(jìn)行手動(dòng)遙操作控制的數(shù)學(xué)仿真試驗(yàn)。由圖1中的第一遙操作控制臺(tái)1、第二遙操作控制臺(tái)2、系統(tǒng)總控制臺(tái)3、高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器4、虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5和環(huán)形屏幕6組成。由系統(tǒng)總控制臺(tái)1進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)式、初始狀態(tài)設(shè)定，再進(jìn)入系統(tǒng)仿真中，通過(guò)第一遙操作控制控制臺(tái)2或第二遙操作控制臺(tái)3進(jìn)行手動(dòng)遙操作控制指令輸入，在高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器4中運(yùn)行空間機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)仿真，利用虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5對(duì)空間機(jī)器人的狀態(tài)信息進(jìn)行圖像仿真，再反饋到第一遙操作控制控制臺(tái)2或第二遙操作控制臺(tái)3，以及環(huán)形屏幕11，形成系統(tǒng)閉環(huán)。

(2)模式二：對(duì)地面真實(shí)的機(jī)械臂進(jìn)行手動(dòng)遙操作控制的仿真試驗(yàn)。由圖1中的第一遙操作控制臺(tái)1、第二遙操作控制臺(tái)2、系統(tǒng)總控制臺(tái)3、虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5、剛性機(jī)械臂6、第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)7、視覺(jué)系統(tǒng)10、環(huán)形屏幕11組成。由系統(tǒng)總控制臺(tái)3進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)式、初始狀態(tài)設(shè)定，再進(jìn)入系統(tǒng)仿真中，通過(guò)第一遙操作控制控制臺(tái)1或第二遙操作控制臺(tái)2進(jìn)行手動(dòng)遙操作控制指令輸入，輸入指令為剛性機(jī)械臂6的關(guān)節(jié)角或角速度指令，第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)7對(duì)該指令進(jìn)行解算，換算成各關(guān)節(jié)的控制指令，驅(qū)動(dòng)剛性機(jī)械臂6，利用視覺(jué)系統(tǒng)10進(jìn)行視覺(jué)信息采集，反饋到虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5，進(jìn)行圖像處理，再反饋到第一遙操作控制控制臺(tái)2或第二遙操作控制臺(tái)3，以及環(huán)形屏幕11，形成系統(tǒng)閉環(huán).

(3)模式三：用于仿真空間機(jī)器人捕獲、插拔中的碰撞動(dòng)力學(xué)與控制仿真試驗(yàn)。由第一遙操作控制臺(tái)1、第二遙操作控制臺(tái)3、系統(tǒng)總控制臺(tái)3、高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器4、虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5、剛性機(jī)械臂6、第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)7、視覺(jué)系統(tǒng)10、環(huán)形屏幕11組成。由系統(tǒng)總控制臺(tái)3進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)式、初始狀態(tài)設(shè)定，再進(jìn)入系統(tǒng)仿真中，通過(guò)第一遙操作控制控制臺(tái)1或第二遙操作控制臺(tái)2進(jìn)行手動(dòng)遙操作控制指令輸入，該指令輸入給高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器4，給出空間機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)期望指令，并對(duì)空間機(jī)器人進(jìn)行控制律解算，進(jìn)行空間機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)仿真，將輸出空間機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)傳給第一關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)7，解算地面剛性機(jī)械臂6的等效關(guān)節(jié)角，并驅(qū)動(dòng)剛性機(jī)械臂6按空間機(jī)器人的末端位姿實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)的碰撞，將高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器4的輸出空間機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及利用視覺(jué)系統(tǒng)10測(cè)量到的視覺(jué)信息，反饋給虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5進(jìn)行圖像仿真，將剛性機(jī)械臂6碰撞力反饋到高維動(dòng)力學(xué)仿真服務(wù)器4，作為外力作用，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，將碰撞力反饋到第一遙操作控制臺(tái)1或第二遙操作控制臺(tái)2，實(shí)現(xiàn)對(duì)捕獲、插拔等碰撞過(guò)程中對(duì)遙操作者的力矩反饋，以及環(huán)形屏幕11，形成系統(tǒng)閉環(huán)

(4)模式四：用于驗(yàn)證撓性機(jī)械臂8的控制性能及撓性參數(shù)辨識(shí)。由第一遙操作控制臺(tái)1、第二遙操作控制臺(tái)2、系統(tǒng)總控制臺(tái)3、虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5、撓性機(jī)械臂8、第二關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)9、視覺(jué)系統(tǒng)10、環(huán)形屏幕11組成。由系統(tǒng)總控制臺(tái)3進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)式、初始狀態(tài)設(shè)定，再進(jìn)入系統(tǒng)仿真中，通過(guò)第一遙操作控制控制臺(tái)1或第二遙操作控制臺(tái)2進(jìn)行手動(dòng)遙操作控制指令輸入，輸入指令為撓性機(jī)械臂8的關(guān)節(jié)角或角速度指令，第二關(guān)節(jié)控制計(jì)算機(jī)9對(duì)該指令進(jìn)行解算，換算成各關(guān)節(jié)的控制指令，驅(qū)動(dòng)撓性機(jī)械臂8，利用視覺(jué)系統(tǒng)10進(jìn)行撓性振動(dòng)信息采集，反饋到虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真和視頻采集服務(wù)器5，進(jìn)行圖像處理，再反饋到第一遙操作控制控制臺(tái)1或第二遙操作控制臺(tái)2，以及環(huán)形屏幕11，形成系統(tǒng)閉環(huán)。

總之，本發(fā)明能對(duì)遙操作控制的設(shè)計(jì)、仿真、測(cè)試提供一站式的解決方案。具備手動(dòng)遙操作控制的數(shù)學(xué)仿真試驗(yàn)、地面真實(shí)的機(jī)械臂手動(dòng)遙操作控制的仿真試驗(yàn)、空間機(jī)器人捕獲插拔中的碰撞動(dòng)力學(xué)與控制試驗(yàn)、撓性機(jī)械臂的控制性能驗(yàn)證及撓性參數(shù)辨識(shí)四種工作模式，在一個(gè)平臺(tái)里對(duì)遙操作控制進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析，反復(fù)迭代，優(yōu)化系統(tǒng)，將控制參數(shù)下載到真實(shí)遙操作控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)在同一平臺(tái)完成遙操作控制的從頭到尾的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)；對(duì)于遙操作控制系統(tǒng)中最重要的人機(jī)接口方案，通過(guò)腳踏板、手控柄等，構(gòu)建更大范圍和精細(xì)的遙操作控制系統(tǒng)。