一种面向维修任务的空间机械臂手系统误差修正方法与流程
本发明涉及一种空间机械臂手系统误差修正方法，属于载人航天器总体设计技术领域。
背景技术：
随着人类空间活动的进一步增加，空间设备的在轨维护维修操作将越来越重要，面向单一操作任务的以往空间机器人、末端作用器、操作工具等已不能满足要求，可以预见未来空间机器人的发展趋势：(1)单一操作任务→多种操作需求，由单纯的抓握、搬运等操作向模块更换、加注等精细操作转换；(2)合作目标→非合作目标，操作任务、操作目标的多样化、不确定性要求机器人具有更高的兼容性，包括目标识别、抓握及操作方法等；(3)单一工具→多种操作工具，操作任务的多样化决定了在轨操作工具的多样性，操作方法及操作工具是相配套的；(4)单一机械臂→多臂系统，多臂协调、配合，完成照明、视觉、抓握及操作等多项分工；(5)刚性抓握→智能柔性操作，机械臂、末端操作工具，基于柔顺控制实现对目标的抓握及操作，克服定位误差对操作的影响、提高操作的成功率和安全性；(6)基本运动感知→多种感知并存，由单纯实现位置闭环控制所必须的位置传感器，向力矩、电流、温度、视觉等多种感知方向发展，视觉及其测量算法将极大提高未来空间机器人的工作能力；(7)预编程操作→临场感遥操作，基于多种感知交互、时延修正算法等，航天员从舱内或地面技术人员从地面控制舱外机械臂。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种面向维修任务的空间机械臂手系统误差修正方法，它采用一种面向实验舱内在轨维修任务的轨迹修正策略，用以确保机械臂手系统末端坐标系与维修工具坐标系完全一致。
本发明旨在解决多操作终端共同执行同一任务时，存在由安装误差、发射振动、重力卸载等引起的误差积累问题。本发明提出的误差修正方法对天宫二号空间机械臂手系统利用全局相机和手眼相机完成在轨操作任务时产生的位置误差进行修正，确保顺利完成在轨维修任务。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种面向维修任务的空间机械臂手系统误差修正方法，所述的方法包括以下步骤：
步骤一：定位维修工具的位姿信息；
为了给出维修工具的位姿信息，首先定义以下若干坐标系，以便求解出维修工具在世界坐标系下的描述；
tb——机械臂基座标系
te——机械臂末端坐标系
tg——全局相机坐标系
th——手眼相机坐标系
tm——在轨标定板坐标系
tt——维修工具坐标系
上述坐标系均分布在实验舱内，全局相机固定在实验舱顶棚上，一共有两个，分别定义为全局相机a和全局相机b，机械手通过快换法兰安装在机械臂的末端，手眼相机安装在机械臂的腕部，维修单机安装在机械臂手系统的正下方，标定板位于维修单机正中心，维修单机上有两颗松不脱螺钉；
全局相机负责实时定位维修工具手电钻的位置，安装在机械臂末端的机械手利用全局相机提供的位置信息抓握手电钻，视觉伺服引导机械手至松不脱螺钉正上方，机械臂一边向下运动压紧松不脱螺钉，一边扣动手电钻扳机，随后视觉伺服引导机械手将维修工具返送回初始位置；
为了确保机械臂手系统末端与被操作的维修工具复形配合面充分接触，首先采用示教方式，将机械手贴合在工具的复形配合面上，此时：
tt＝tc1·te0(1)
tc1为机械手常态虚拟抓握中心点与机械手在复形配合面时的抓握中心点之间的偏置矩阵；te0为常态构型下机械臂末端坐标系；
维修工具的位置和姿态需要由全局相机来确定，因此，首先需要确定维修工具在全局相机坐标系中的描述，进而再转换到世界坐标系来描述；
维修工具侧面贴有四个靶标点，这样一来，求解维修工具在世界坐标系中的描述就转化成了pnp问题，简单描述一下pnp问题的基本原理：
简单的讲，pnp问题就是通过世界坐标系中的n个特征点与全局相机成像的n个像点，计算出两者之间的投影关系，最终获得由特征点描述的物体位姿或者全局相机位姿；
假设全局相机中心位于点o，特征点为p1,p2,p3...pn；
n＝1时，只有一个特征点，不妨设点p1位于全局相机图像成像的正中央，那么op1就是全局相机坐标系中的z轴，此时全局相机面向p1点，全局相机位置就可能是以p1为球心、op1为半径的球面上，此时有无数个解；
n＝2时，两个特征点p1,p2和o点构成了一个三角形，三角形其中的一个边p1p2的长度已知，向量op1和op2的方向已知，因此能够计算出op1、op2的长度，令r1＝op1,r2＝op2，以p1为圆心，r1为半径做球记为球oa，以p2为圆心，r2为半径做球记为球ob；
此时全局相机位于球oa与球ob的交线处，有无数个解；
n＝3时，在n＝2的基础上多出了一个以p3为球心r3为半径的球oc，全局相机位于三个球面的交汇处，此时应当有四个解，其中一个解就是全局相机的真正位置，但是无法确定出具体是哪一个解；
n＝4时，由于n＝3时，由公式(2)可以计算出四个解，获得四个旋转、平移矩阵，其中(x,y)为空间点p的图像点坐标，(fx,fy)为x轴、y轴方向的放大系数，(cx,cy)为光轴中心点的坐标，(rij,tk)i,j,k＝1,2,3为全局相机外参，(x,y,z)为点p在世界坐标系下的位置；
将第四个点的世界坐标系代入公式(1)，可以获得其在图像上的四个投影，其中投影误差最小的那个解，就是需要的正解；
步骤二：利用手眼相机对维修工具坐标系进行修正；
当发生误差时，就需要利用手眼相机对维修工具坐标系进行修正，修正误差所用的标定板位于维修单机的中央位置附近，标定板位置与维修工具初始位置由常矩阵tc2进行转换：
tm＝tc2·tt(3)
结合式(1)：
tm＝tc1·tc2·te(4)
其中tc2代表标定板和维修工具初始位置之间的变换矩阵，根据维修单机的设计要求，可以认为tc2为常矩阵；
首次执行任务时，将机械手示教在工具复形面上，记录机械臂此时的关节位置传感器数据，接下来移动机械臂到常态位置构型，利用手眼相机记录此时标定板的位姿信息；有以下三种情况会导致机械手抓取维修工具失败：
1.调试阶段需要多次拆装机械臂、维修板，这会带来一定的安装误差；
2.在火箭发射过程中的振动会导致机械臂本体与维修单机之间发生相对运动；
3.在空间环境下的重力卸载，会对舱体立板、维修单机带来挠度变化；
因此采用以下修正方法，该方法具体描述如下：
(1)在地面环境下，通过运动学示教获得机械臂手系统进行任务操作的理想运动轨迹，并采用机械臂末端在一系列关键位置点上的位置和姿态进行表示；
(2)在地面实验和空间实验开始时，把机器人运动到同一固定位置并使用手眼相机测量固定在维修单机上标定板的位姿，进而间接计算维修单机在地面环境和空间环境中的相对位移量；
(3)对机械臂手系统的任务轨迹进行修正，确保机械臂末端与被操作的维修工具的相对位置恒定；
定义相关位姿关系如下：
因此：
公式(6)中
因此公式(6)可以写成：
本方法的目的，就是为了保证机器人末端与工件的相对位姿，即：
综上所说，新的机械臂末端位置相对于机械臂基座的位姿可以表示为：
由公式(10)可知，新的机械臂末端位置在世界坐标系下的描述，完全可以由已知矩阵进行表示，并且已知矩阵一部分是由同步的地面实验进行计算，另一部分则是利用手眼相机采集的标定板位置信息进行计算。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
1、本发明的技术方案考虑了多种误差最终对维修工具定位精度的影响，如拆装机械臂、维修板的安装误差；火箭发射过程中振动引起的机械臂基座安装法兰虚位误差；空间环境中重力卸载引起的舱体立板、维修工作台挠度变化对维修工具定位精度的影响，通过坐标系多次转换，确保修正上述各类误差的积累误差。
2、本发明的操作方法解决了执行空间任务时，当基座位置发生偶然变化时，无法通过api激光扫描仪等标定设备现场对机械臂进行标定，通过本文提出的方法，能够快速修正各类误差的影响，本方法原理简单，易于操作，具备航天员独立操作的条件，并且修正效果明显。
附图说明
图1是本发明的空间机械臂手系统各坐标位置示意图；
图2是本发明的空间机械臂手系统执行维修任务时坐标系关系转换图，其中包含空间与地面两种情况，图2中的字母对应步骤一中的坐标系描述，特殊的，t′h代表空间中的手眼相机坐标系，t′t代表空间中的维修工具坐标系，t′m′代表空间中的标定板坐标系。
具体实施方式
以下结合附图对本发明所示误差修正方法作详细阐述，但本发明并不仅仅局限于以下的具体实施方式。
具体实施方式：本实施方式披露了一种面向维修任务的空间机械臂手系统误差修正方法，所述的方法包括以下步骤：
步骤一：定位维修工具的位姿信息；
如图1所示，为了给出维修工具的位姿信息，首先定义以下若干坐标系，以便求解出维修工具在世界坐标系下的描述；
tb——机械臂基坐标系
te——机械臂末端坐标系
tg——全局相机坐标系
th——手眼相机坐标系
tm——在轨标定板坐标系
tt——维修工具坐标系
上述坐标系均分布在实验舱内，全局相机固定在实验舱顶棚上，一共有两个，分别定义为全局相机a和全局相机b，机械手通过快换法兰安装在机械臂的末端(快换法兰是指机械臂与机械手之间的特定连接机构，与之一起构成机械臂手系统)，手眼相机安装在机械臂的腕部，维修单机安装在机械臂手系统的正下方，标定板位于维修单机正中心，维修单机上有两颗松不脱螺钉(此次任务就是将松不脱螺钉从维修单机上旋拧下来)；
全局相机负责实时定位维修工具手电钻的位置，安装在机械臂末端的机械手利用全局相机提供的位置信息抓握手电钻，视觉伺服引导机械手至松不脱螺钉正上方，机械臂一边向下运动压紧松不脱螺钉，一边扣动手电钻扳机，随后视觉伺服引导机械手将维修工具返送回初始位置；
为了确保机械臂手系统末端与被操作的维修工具复形配合面充分接触，首先采用示教方式，将机械手贴合在工具的复形配合面上，此时：
tt＝tc1·te0(1)
tc1为机械手常态虚拟抓握中心点与机械手在复形配合面时的抓握中心点之间的偏置矩阵；te0为常态构型下机械臂末端坐标系(所述的常态构型指的是机械臂每次执行任务前都要保持的初始构型，复形配合面是为了保证稳定抓取而特殊加工的曲面，使机械手在执行抓取任务时，与被抓取物体尽可能贴合，确保被动抓取稳定)；
维修工具的位置和姿态需要由全局相机来确定，因此，首先需要确定维修工具在全局相机坐标系中的描述，进而再转换到世界坐标系来描述；
维修工具侧面贴有四个靶标点，这样一来，求解维修工具在世界坐标系中的描述就转化成了pnp问题，简单描述一下pnp问题的基本原理：
简单的讲，pnp问题就是通过世界坐标系中的n个特征点与全局相机成像的n个像点，计算出两者之间的投影关系，最终获得由特征点描述的物体位姿或者全局相机位姿；
假设全局相机中心位于点o，特征点为p1,p2,p3...pn；
n＝1时，只有一个特征点，不妨设点p1位于全局相机图像成像的正中央，那么op1就是全局相机坐标系中的z轴，此时全局相机面向p1点，全局相机位置就可能是以p1为球心、op1为半径的球面上，此时有无数个解；
n＝2时，两个特征点p1,p2和o点构成了一个三角形，三角形其中的一个边p1p2的长度已知，向量op1和op2的方向已知，因此能够计算出op1、op2的长度，令r1＝op1,r2＝op2，以p1为圆心，r1为半径做球记为球oa，以p2为圆心，r2为半径做球记为球ob；
此时全局相机位于球oa与球ob的交线处，有无数个解；
n＝3时，在n＝2的基础上多出了一个以p3为球心r3为半径的球oc，全局相机位于三个球面的交汇处，此时应当有四个解，其中一个解就是全局相机的真正位置，但是无法确定出具体是哪一个解；
n＝4时，由于n＝3时，由公式(2)可以计算出四个解，获得四个旋转、平移矩阵，其中(x,y)为空间点p的图像点坐标，(fx,fy)为x轴、y轴方向的放大系数，(cx,cy)为光轴中心点的坐标，(rij,tk)i,j,k＝1,2,3为全局相机外参，(x,y,z)为点p在世界坐标系下的位置；
将第四个点的世界坐标系代入公式(1)，可以获得其在图像上的四个投影，其中投影误差最小的那个解，就是需要的正解；
步骤二：利用手眼相机对维修工具坐标系进行修正；
当发生误差时，就需要利用手眼相机对维修工具坐标系进行修正，修正误差所用的标定板位于维修单机的中央位置附近，标定板位置与维修工具初始位置由常矩阵tc2进行转换：
tm＝tc2·tt(3)
结合式(1)：
tm＝tc1·tc2·te(4)
其中tc2代表标定板和维修工具初始位置之间的变换矩阵，根据维修单机的设计要求，可以认为tc2为常矩阵；
首次执行任务时，将机械手示教在工具复形面上，记录机械臂此时的关节位置传感器数据，接下来移动机械臂到常态位置构型，利用手眼相机记录此时标定板的位姿信息(采用此种标定方式的意义在于：机械手与维修工具之间为刚性接触，再加上复形面的存在，因此该任务对位置精度要求较高)；有以下三种情况会导致机械手抓取维修工具失败：
1.调试阶段需要多次拆装机械臂、维修板，这会带来一定的安装误差；
2.在火箭发射过程中的振动会导致机械臂本体与维修单机之间发生相对运动；
3.在空间环境下的重力卸载，会对舱体立板、维修单机带来挠度变化；
(所以由于以上三种情况的存在，如果直接控制机械臂手系统抓握维修工具，会增大抓握任务失败的可能性，严重情况下会使维修工具或机械手损坏)；
因此采用以下修正方法，该方法具体描述如下：
(1)在地面环境下，通过运动学示教获得机械臂手系统进行任务操作的理想运动轨迹，并采用机械臂末端在一系列关键位置点上的位置和姿态进行表示，这里的关键位置点具有如下含义：整个任务执行过程中，分为若干项宏运动，每一项宏运动中又分为若干项微运动，关键位置点描述了每一个微运动的起点位置和终点位置，而前一个微运动的终点位置同时也是后一个微运动的起点位置；
(2)在地面实验和空间实验开始时，把机器人运动到同一固定位置并使用手眼相机测量固定在维修单机上标定板的位姿，进而间接计算维修单机在地面环境和空间环境中的相对位移量；
(3)对机械臂手系统的任务轨迹进行修正，确保机械臂末端与被操作的维修工具的相对位置恒定；
如图2所示，定义相关位姿关系如下：
因此：
公式(6)中
因此公式(6)可以写成：
本方法的目的，就是为了保证机器人末端与工件的相对位姿，即：
综上所说，新的机械臂末端位置相对于机械臂基座的位姿可以表示为：
由公式(10)可知，新的机械臂末端位置在世界坐标系下的描述，完全可以由已知矩阵进行表示，并且已知矩阵一部分是由同步的地面实验进行计算，另一部分则是利用手眼相机采集的标定板位置信息进行计算(具有原理简单，易于操作，可靠性高的特点)。
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