一种空间环境下机械臂视觉伺服抓取的仿真模拟试验系统的制作方法

1.本发明涉及应用于空间环境下的多自由度机构与传动控制技术领域。


背景技术：

2.空间领域中，机械臂的作用越来越重要。拥有机械臂的空间飞行器，可以在轨完成一系列复杂的任务，包括空间站的维修、小卫星的抓取捕获以及空间对接过程中的辅助。但是仅仅有空间机械臂，可以完成的任务难度相对有限，因为缺少周围实际情况的反馈以及目标实时位置，机械臂只能完成一些离线预设好轨迹的任务。在加入视觉伺服之后，机械臂对待抓捕目标的位姿可以实时获取，进而控制机械臂末端对目标进行随动抓捕，具有良好的应用前景，因此，优异的视觉控制算法会发挥重要的作用。由于在入轨之前算法必须通过重复试验才能得到验证，因此搭建具有天地一致性的地面试验平台去验证视觉伺服算法是非常有必要的。


技术实现要素：

3.本发明解决的技术问题是：设计的试验系统的目的在于在地面验证空间机械臂的视觉伺服抓取算法。
4.本发明解决技术的方案是：一种空间环境下机械臂视觉伺服抓取的仿真模拟试验系统，包括数字系统和物理系统：
5.所述物理系统为机械臂控制器，其内运行待验证的控制算法；
6.所述数字系统包括运行在仿真环境下的机械臂三维模型以及手眼相机的测量模型；所述的机械臂三维模型内绑定机械臂动力学模型；
7.所述机械臂动力学模型用于模拟机械臂本体，具有与机械臂本体相同的动力学参数，并能够设定零重力条件；所述手眼相机的测量模型用于获取仿真环境下目标物相对于相机坐标系的位姿，用其代替手眼相机的采集数据；
8.仿真过程中，手眼相机的测量模型输出的位姿数据、机械臂动力学模型输出的机械臂关节角反馈数据通过总线反馈给机械臂控制器，机械臂控制器反解出关节角指令发送至机械臂动力学模型，实现机械臂三维模型对目标的跟踪。
9.优选的，所述机械臂三维模型的构建包括：
10.设置仿真环境的配置参数，使重力加速度为0，模拟太空中的零重力环境；
11.在上述仿真环境中，建立机械臂运动学模型，将真实机械臂的动力学参数导入所述机械臂运动学模型；同时建立关节的动力学模型；上述机械臂运动学模型与关节的动力学模型构成无重力的机械臂动力学模型；
12.向上述仿真环境中导入机械臂三维结构，并与上述建立的机械臂动力学模型进行绑定。
13.优选的，所述手眼相机的测量模型通过下述方式获取目标物相对相机坐标系的位姿：
14.构建目标物坐标系以及相机坐标系；构建两个坐标系的坐标转换矩阵；
15.已知目标物在目标物坐标系的位置姿态，利用上述坐标转换矩阵，确定目标物相对相机坐标系的位姿。
16.优选的，坐标系的选取严格按照真实机械臂系统，手眼相机固连于机械臂末端执行器上方，相机坐标系的原点位于光心位置，x轴由光心指向相机镜头、y轴由光心指向相机与末端执行器的安装面，z轴由右手定则确定；目标物坐标系的原点固定于目标物的靶标位置，x轴由靶标指向末端执行抓捕目标的把手，x轴y轴组成的平面与目标物的上表面平行，z轴由右手定则确定。
17.优选的，机械臂控制器通过相机坐标系到末端执行器坐标系的转换矩阵、目标物相对于相机坐标系的位姿、目标物坐标系到目标物待抓持位置坐标系的位置，可以计算出末端执行器到目标物待抓持位置的相对位姿，进而确定关节角指令。
18.优选的，所述的数字系统内设置通信模块，所述的通信模块用于与机械臂控制器的can总线进行交互，接收机械臂控制器发送的关节角指令，向机械臂控制器发送关节角反馈数据、手眼相机的测量模型输出的位姿数据；第二个功能是和动力学模型进行交互，发送关节角信息，驱动仿真中的机械臂模型动作。
19.一种空间环境下机械臂视觉伺服抓取的仿真模拟试验方法，包括：
20.搭建机械臂仿真系统，并设置机械臂仿真系统的重力加速度，用于模拟太空中的零重力环境；
21.在机械臂仿真系统中，搭建机械臂运动学模型，将真实机械臂的动力学参数导入所述机械臂运动学模型；同时建立关节的动力学模型；上述机械臂运动学模型与关节的动力学模型构成无重力的机械臂动力学模型；
22.向上述机械臂仿真系统中导入机械臂三维结构，并与上述建立的机械臂动力学模型进行绑定；
23.在机械臂仿真系统中搭建手眼相机测量模型；
24.建立机械臂仿真系统与机械臂控制器之间的通信；
25.向手眼相机测量模型输入目标位置，手眼相机测量模型输出目标相对相机坐标系的位姿数据；
26.将上述位姿数据以及机械臂动力学模型输出的机械臂关节角反馈数据通过总线反馈给机械臂控制器，机械臂控制器反解出关节角指令发送至机械臂动力学模型，实现机械臂三维模型对目标的跟踪。
27.优选的，所述机械臂仿真系统基于vrep动力学仿真软件的二次开发得到。
28.优选的，通过仿真系统中控制目标物的运动轨迹，模拟真实空间环境中的待抓捕目标的运动。
29.本发明与现有技术相比的有益效果是：
30.常规的地面试验条件难以模拟微重力环境，给机械臂的运动学、动力学验证带来很大困难，本发明通过在计算机中搭建机械臂的零重力动力学仿真模型来解决此问题；
31.真实相机无法随仿真系统中的末端运动，因此使用仿真系统来模拟相机对目标物的测量结果数据。仿真系统中，目标物的活动范围也更容易操控，对视觉伺服的极限测试工况有更好的模拟效果；
32.为了更加接近真实的实验条件，试验系统采用半物理框架，使用真实的机械臂控制器处理和收发相机的数据，控制器中搭载了机械臂视觉伺服的算法，直接对仿真环境中的机械臂进行控制，除了对视觉伺服算法进行验证，还可以对通信接口、嵌入式软件长期工作能力进行验证；
33.机械臂控制器使用真实的设备，相应的算法、接口也与实际情况无差别，使用无重力环境的仿真机械臂去代替真实的机械臂，尽可能的做到了试验条件的天地一致性，在此条件下地面试验得到的视觉伺服策略算法具有良好的地对天移植性。
附图说明
34.图1仿真模拟半物理实验系统整体框图；
35.图2系统视觉伺服控制框图。
具体实施方式
36.下面结合副图1、2及实施例对本发明作进一步阐述。
37.空间机械臂系统主要包含以下几个系统：电机模组和连杆组成的机械臂本体，负责空间任务规划调度的机械臂控制器，以及负责监视、识别的固定于机械臂末端的手眼相机。
38.整套系统中，机械臂控制器和手眼相机都具备在地面正常工作的性能，机械臂本体中由于电机可承载的力矩有限，机械臂无法在地面重力正常工作，因此整套系统在地面难以开展动力学、运动学验证，而手眼相机无法随仿真中的末端手爪一起运动，因此无法实时反馈目标的位姿，本系统中，采用仿真环境下目标物相对于相机坐标系的位姿，来代替手眼相机的采集数据。
39.本发明提出的地面试验验证系统，是一套半物理系统。
40.其中数字系统包括：机械臂的动力学模型、手眼相机的测量模型。将机械臂本体使用动力学仿真环境下的机械臂代替，仿真中的机械臂具有和真实机械臂相同的动力学参数，并可以设定零重力条件；实物中手眼相机安装于末端执行器，随末端执行器运动，本系统手眼相机通过仿真环境来模拟手眼相机的测量结果(待识别目标相对于相机坐标系的位姿)，避免了处理真实相机难以随仿真系统中的末端运动的问题。
41.物理系统为真实控制器，控制器无需模拟的原因是其可以在地面环境条件下正常使用，控制器内部包含待试验验证的控制算法。
42.整个闭环的视觉伺服验证系统搭建完成，链路如下：仿真中的手眼相机测量得到的目标位置、机械臂关节角反馈数据通过硬件can总线反馈给机械臂控制器，控制器通过内置的控制算法，将视觉跟踪结果反解出的关节角指令通过can总线发送给仿真中的机械臂，机械臂末端对视觉识别目标进行跟踪。
43.机械臂仿真系统的搭建是基于开源的vrep动力学仿真软件的二次开发，首先配置参数使重力加速度为0，模拟太空中的零重力环境；搭建机械臂模型时，首先建立机械臂的运动学模型，然后将真实机械臂设计过程中得到的动力学参数或者是参数辨识得到的动力学参数导入，关节的动力学模型通过后台编程的方式完成，完整的无重力机械臂动力学仿真系统即可搭建完毕，最后一步是导入机械臂的三维结构并与机械臂的动力学模型进行绑
定，使仿真系统的三维模型具有可视化的功能。
44.手眼相机测量数据来源于仿真系统中两个坐标系的坐标转换矩阵，目标物体的坐标系和相机坐标系的位置姿态都是变化的并且是已知的。通过构建两个坐标系的坐标转换矩阵；已知目标物在目标物坐标系的位置姿态，利用上述坐标转换矩阵，确定目标物相对相机坐标系的位姿。
45.坐标系的选取严格按照真实机械臂系统，手眼相机固连于机械臂末端执行器上方，相机坐标系的原点位于光心位置，x轴由光心指向相机镜头、y轴由光心指向相机与末端执行器的安装面，z轴由右手定则确定；目标物坐标系的原点固定于目标物的靶标位置，x轴由靶标指向末端执行抓捕目标的把手，x轴y轴组成的平面与目标物的上表面平行，z轴由右手定则确定。
46.机械臂控制器通过相机坐标系到末端执行器坐标系的转换矩阵(外参矩阵)、目标物相对于相机坐标系的位姿、目标物坐标系到目标物待抓持位置坐标系的位置，可以计算出末端执行器到目标物待抓持位置的相对位姿，进而确定关节角指令。上述末端执行器坐标系为机械臂上常规坐标系，目标物待抓持位置坐标系与目标物坐标系平行，目标物坐标系到目标物待抓持位置坐标系的位置为一固定值。
47.半物理系统需要解决的一大问题是物理系统与数字系统的通信问题。本设计中，物理系统的真实控制器对外的数据接口为can总线，因此首先在仿真软件的底层编写一个软件，功能有两个，第一个是和can总线进行交互，接收控制器发送的关节角指令，向控制器发送关节角反馈数据、手眼相机测量结果数据；第二个功能是和动力学模型进行交互，发送关节角信息等。
48.半物理系统搭建完成后，即可对控制器中嵌入的视觉控制算法进行验证。视觉伺服抓取的目的是，根据相机返回的待识别目标位置，控制机械臂的末端对目标位置进行跟随抓取。即控制待识别目标相对于机械臂基座的位姿和末端相对于机械臂基座的位姿之间的位姿误差为零。在本套地面试验系统中，可充分验证视觉伺服算法，使算法具备天地一致性。
49.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。