一种基于ROS的机械臂遥操作系统的制作方法

本发明应用于机器人技术领域，涉及一种适用于远程控制机械臂的基于ros的机械臂遥操作系统。

背景技术：

在工业、医疗、军事等领域，机械臂因其精度高、稳定性好、可在人类无法工作的环境下运行等优点，已得到广泛应用，大大提高了工作效率。然而，在一些特殊情况下，机械臂无法独立完成任务，此时便需要人类操作人员介入，实时远程控制机械臂以完成相应工作。因此需要机械臂遥操作系统完成人对机械臂的操控。

ros(robotoperatingsystem即机器人操作系统)是专门为机器人开发者设计的开源机器人软件平台，提供类似于操作系统的服务，其包含硬件抽象、设备驱动、函数库、可视化工具、消息传递和软件包管理等诸多功能。ros的核心是节点(node)，节点是一段用以执行任务的程序，也是一个可独立运行的进程。多个节点之间可以互相发布或订阅信息(message)，并可以单独控制启动或终止。所有节点可以运行在一个处理器上，也可以分布式运行在多个处理器上。这种松耦合式的系统设计为机器人的开发带来了很大的灵活性与可移植性。

目前，在操控方式上，大部分遥操作系统使用键盘或手柄进行控制，这类操作方式控制过程较为单一，无法表述人手的动作特征，需执行复杂动作时难度较大，人机交互体验欠佳。在遥操作系统的设计上，多数遥操作系统仅为特定的操作装置与机械臂设计，使用的灵活性与可移植性较差，无法根据需求快速更换不同的控制器或执行器，仅能满足少数场合的使用。

技术实现要素：

为了克服现有机械臂操作系统的过程较为单一、灵活性与可移植性较差的缺点，本发明提供了一种基于ros的机械臂遥操作系统，该系统构建于ros体系之上，能实时采集并通过机械臂还原人手动作，并能同时将现场图像反馈至操作人员，为机械臂的遥操作提供了一种灵活、实用的解决方案。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于ros的机械臂遥操作系统，包括机械臂平台与遥操作平台，且两者通过以太网远程通信，所述遥操作平台包括小型计算机、显示设备和姿态捕捉传感器，所述机械臂平台包括工控机、工业摄像头和机械臂，所述工控机与小型计算机均搭载并运行ros，由ros管理各节点或主机间的消息传递；

所述姿态捕捉传感器为直接或间接测量人体上肢姿态的装置，采集人体上肢数据后，通过数据链路实时传至遥操作平台中的小型计算机；所述小型计算机接收到姿态捕捉传感器的数据后，通过坐标变换得到人体右肢重建后的模型，由此得到人手相对于肩关节的位姿信息。此位姿信息以消息topic的形式由该小型计算机的ros节点按照一定频率发布；

所述工控机存储有机械臂的动力学参数，其通过ros节点订阅小型计算机发布的位姿信息，同时，其根据机械臂的动力学参数对目标位姿信息进行逆运动学解算，得到机械臂达到目标位姿时的各关节角度，最后，工控机根据关节角信息，向机械臂发送相应的控制指令；

所述机械臂为系统的执行机构，其接收工控机发出的控制指令后完成相应的动作，。同时，其也能将自身的状态信息反馈回工控机；

所述工业摄像头用于采集机械臂周围的图像信息，并传输至工控机，工控机以消息的形式传输回遥操作平台的小型计算机；

所述显示设备用于显示小型计算机接收到的实时图像、机械臂状态和人肢体模型信息，方便操作人员进行遥操作并能判断当前的系统状态。

进一步，控制过程包括以下流程：

(1)遥操作平台中的姿态捕捉传感器测量得到人体姿态，发送至小型计算机；

(2)小型计算机接收到姿态捕捉传感器的数据后，通过坐标变换得到人体右肢重建后的模型，由此得到人手相对于肩关节的位姿信息，该位姿信息以ros消息的形式由消息发布节点发布；

(3)机械臂平台中的工控机通过以太网与遥操作平台中的小型计算机相连，两者基于ros分布式通信技术进行远程通信，机械臂平台中的工控机通过ros体系订阅小型计算机发布的人手位姿信息；

(4)工控机根据机械臂的动力学参数对目标位姿信息进行逆运动学解算，得到机械臂达到目标位姿时的各关节角度；

(5)工控机根据关节角信息，向机械臂发送相应的控制指令。

再进一步，图像传输过程包含以下流程：

(1)工业摄像头拍摄机械臂工作现场的工作图像，并传输至机械臂平台中的工控机；

(2)工控机得到图像后，对图像进行逐帧压缩，并将压缩后的图像以消息的形式通过ros节点发布；

(3)遥操作平台中的小型计算机通过ros节点订阅工控机发布的图像数据，并将该图像通过显示设备实时播放；

(4)操作人员可根据显示的实时图像，对机械臂进行操控。

更进一步，所述姿态捕捉传感器包含且不限于惯性传感器、深度相机、光学动作捕捉系统等能直接或间接测量人体上肢姿态的设备。

所述坐标变换的方法为：将人体右肢抽象为肩关节、肘关节、腕关节与三段连杆的组合，坐标变换即根据测量得到的人体上肢各结构的姿态信息，构建不同关节坐标系之间的变换关系，根据chasles定理，刚体广义的位移等价于一个平移加一个旋转，平移变换使用坐标(x，y，z)表示，旋转变换根据单位四元数公式q＝w+ai+bj+ck表示，其中w、a、b、c满足w²+a²+b²+c²＝1。

更进一步，所述人手相对于肩关节的位姿信息计算方法为：将人体右上肢模型抽象为关节树，其中肩关节、肘关节与腕关节各自维护其自身的关节坐标系，以肩关节为关节树的根节点，通过上述的坐标变换，遍历人体右上肢所有关节，即可得到人手相对于根节点(即肩关节)的位姿信息。

本发明中，所述机械臂平台与遥操作平台间的通信方式基于ros分布式通信技术。该技术集成于ros中，能使运行于不同计算平台的节点间相互发布、订阅消息。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

(1)本发明系统中的操控方式基于人手的相对位姿信息，能够较为准确的还原人手在空间中的运动情况，提高了系统的精确度，并使操作过程变得更容易。

(2)本发明系统的搭建基于开源平台ros，其松耦合的体系与可扩展的软件结构使其开发与使用变得简便，同时，ros的分布式通信技术也为远程通信提供了方便可靠的解决方案。

(3)本发明可针对不同的场景，更换不同的姿态捕捉传感器或机械臂，开发人员只需在系统中更改相应的参数与接口，拥有较好的可拓展性与可移植性。

附图说明

图1为本发明系统框架图。

图2为本发明系统控制流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1和图2，一种基于ros的机械臂遥操作系统框，包括机械臂平台与遥操作平台，且两者通过以太网连接，所述遥操作平台包括小型计算机、显示设备和姿态捕捉传感器，素数机械臂平台包括工控机、工业摄像头和机械臂，ros为一种开源机器人操作系统，所述工控机与小型计算机均搭载并运行ros，由ros管理各节点或主机间的消息传递；

所述姿态捕捉传感器为直接或间接测量人体上肢姿态的装置，其采集人体上肢数据后，通过数据链路实时传至遥操作平台中的小型计算机；

所述小型计算机接收到姿态捕捉传感器的数据后，通过坐标变换得到人体右肢重建后的模型，由此得到人手相对于肩关节的位姿信息，此位姿信息以消息(topic)的形式由该小型计算机的ros节点按照一定频率发布；

所述工控机存储有机械臂的动力学参数，其通过ros节点订阅小型计算机发布的位姿信息，同时，其根据机械臂的动力学参数对目标位姿信息进行逆运动学解算，得到机械臂达到目标位姿时的各关节角度，最后，工控机根据关节角信息，向机械臂发送相应的控制指令；

所述机械臂为系统的执行机构，其接收工控机发出的控制指令后完成相应的动作，同时，其也能将自身的状态信息反馈回工控机；

所述工业摄像头用于采集机械臂周围的图像信息，并传输至工控机。工控机以消息的形式传输回遥操作平台的小型计算机；

所述显示设备用于显示小型计算机接收到的实时图像、机械臂状态和人肢体模型信息，方便操作人员进行遥操作并能判断当前的系统状态。

以下为使用本发明系统进行遥操作时的控制流程：

(6)遥操作平台中的姿态捕捉传感器测量得到人体姿态，发送至小型计算机；

(7)小型计算机接收到姿态捕捉传感器的数据后，通过坐标变换得到人体右肢重建后的模型，由此得到人手相对于肩关节的位姿信息。该位姿信息以ros消息的形式由消息发布节点发布；

(8)机械臂平台中的工控机通过以太网与遥操作平台中的小型计算机相连，两者基于ros分布式通信技术进行远程通信，实现方法为：首先建立工控机与小型计算机间的以太网物理连接，然后双方设置ip地址并将自身的主机名与该ip地址绑定，最后在双方ros环境中将小型计算机设置为ros管理节点(master)的运行主机；

(9)机械臂平台中的工控机通过ros体系订阅小型计算机发布的人手位姿信息；

(10)工控机根据机械臂的动力学参数对目标位姿信息进行逆运动学解算，得到机械臂达到目标位姿时的各关节角度；

(11)工控机根据关节角信息，向机械臂发送相应的控制指令。

同时，以下为图像数据的传输流程：

(5)工业摄像头拍摄机械臂工作现场的工作图像，通过usb3.0协议传输至机械臂平台中的工控机；

(6)工控机得到图像后，使用jpeg标准对图像进行逐帧压缩，并将压缩后的图像以消息的形式通过ros节点发布，保证图像数据的实时性；

(7)遥操作平台中的小型计算机通过ros节点订阅工控机发布的图像数据，并将该图像通过显示设备实时播放；

(8)操作人员可根据显示的实时图像，对机械臂进行操控。

最后，本发明系统的控制流程如图2所示：本系统通过摄像系统采集现场图像并发送给操作人员。操作人员根据给定任务与现场状况的反馈确定接下来要进行的动作，并由上肢进行遥操作。系统对人体上肢姿态进行采集与重建后，计算出人手相对于肩关节的位姿信息，并针对机械臂参数进行逆运动学解算。解算完成后，系统将解算得到的机械臂关节信息发送至机械臂控制器，使机械臂在现场环境中做出相应的动作。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。但是本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。