一种空间机械臂在轨操作平台及系统的制作方法

本发明涉及空间机械臂技术领域，尤其涉及一种空间机械臂在轨操作平台及系统。

背景技术：

空间机械臂在轨操作系统用于支持航天员舱内控制机械臂的运动，同时支持地面遥操作业方式监控机械臂，是执行机械臂任务的发起端与状态监测端。

目前已成功发射并应用在空间机械臂的操作系统有国际空间站机械臂(ssrms)的mss操作系统，其采用分立式设计，由多个部组件搭建而成，冗余设计欠佳；未采用模块化设计，不便于在轨维护；手柄不具备力反馈功能，无法向操作者提供力觉反馈，无法以力为通道实现操作者对从端未知环境和机械臂与从端环境交互状态的感知，单一的视觉交互通道限制了操作者完成专业任务的效果、效率和安全性。

因此，很有必要设计一种新的空间机械臂在轨操作系统，用于克服现有技术中所存在的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种空间机械臂在轨操作平台及系统，采用冗余设计、模块化方案、力反馈手柄技术，可实现航天员对空间机械臂的沉侵式控制操作。

为了实现上述目的，本发明提供了一种空间机械臂在轨操作平台，包括控制模块、操作显示模块、力反馈手柄模块，其中：操作显示模块与控制模块电连接，用于实现机械臂控制指令的输入以及用于机械臂多种状态的显示；力反馈手柄模块与控制模块电连接，用于实现对机械臂单关节、肘部相机云台、以及末端执行器的操作；控制模块主要用于数据与指令的交互。

进一步的，控制模块为双机冷备份的控制模块，用于实现机械臂遥测参数、指令的解析及数据管理、以及数据的转发处理。

进一步的，操作显示模块包括液晶屏以及快捷按键。

进一步的，力反馈手柄模块包括平动手柄以及转动手柄，其中：平动手柄采用三自由度的delta并联机构设计，用于实现前后、左右、上下的移动控制以及复合方向的移动控制；转动手柄采用三自由度的3-rrr球面并联机构设计，用于实现俯仰、偏航、旋转的姿态控制以及复合方向的旋转控制。

进一步的，操作显示模块与力反馈手柄模块分别通过内总线与控制模块进行信息交互。

本发明还提供了一种空间机械臂在轨操作系统，包括空间站数据管理平台、机械臂、以及上述任一种的空间机械臂在轨操作平台，其中：空间站数据管理平台通过系统总线与空间机械臂在轨操作平台空间站数据管理平台进行信息交互；机械臂包括末端执行器及中央控制器，其通过机械臂专用总线与空间机械臂在轨操作平台进行信息交互。

进一步的，控制模块采用cpu+fpga架构设计，用于：实现接收来自空间站数据管理平台或地面遥控发送给空间机械臂在轨操作平台的总线指令，以及将数据解析、提取、并执行；将空间机械臂在轨操作平台及机械臂的状态数据发送给空间站数据管理平台；向机械臂专用总线发送指令，实现机械臂各功能模块的开关机及机械臂运动状态的控制；接收机械臂的遥测数据，并将数据解包，提取状态信息进行紧急报警或反馈给所述力反馈手柄模块，完成手柄操作过程中的力觉交互。

进一步的，空间机械臂在轨操作系统还包括仪表笔记本，其中：空间机械臂在轨操作平台通过以太网与仪表笔记本进行通讯，用于进行在轨训练。

进一步的，操作显示模块的操作显示面板包括液晶屏显示操作区、报警灯窗区、操作方式选择区、操作对象选择区、末端操作区、手柄辅助操作区、数字键区、紧急操作区、以及液晶屏快捷键区，液晶屏显示操作区分为液晶屏状态显示栏、液晶屏操作区域、液晶屏动态显示栏，其中：操作方式选择区、操作对象选择区、末端操作区、手柄辅助操作区、以及紧急操作区，用于实现液晶屏页面的快捷切换及控制指令的直接发送；报警灯窗区用于系统紧急情况及故障的报警，其报警详情通过液晶屏状态显示栏进行显示查看；液晶屏显示操作区通过巡游的方式实现对页面的操作。

进一步的，力反馈手柄模块包括手柄机构以及用于手柄机构运动控制的手柄控制单元，其中：手柄机构包括包括用于平动手柄的delta并联机构以及用于转动手柄的3-rrr球面并联机构；手柄控制单元包括数据交互模块、力反馈手柄模块、伺服驱动模块、关节光编处理模块、电机光编处理模块、以及电机功率驱动模块，数据交互模块用于完成通讯口管理、状态数据解析、状态上报以及手柄操控指令输出；力反馈手柄模块通过采集关节光电角度，解算手柄末端位置/姿态角，同时解算手柄反馈力及对应电机电流并输出至伺服驱动模块；伺服驱动模块根据力反馈手柄模块传送的控制电流，采集电机光编当前角及相电流，输出驱动信号实现电机力矩闭环控制；电机功率驱动模块用于实现电机功率的输出及驱动电机动作。

本发明的一种空间机械臂在轨操作平台及系统，具有以下有益效果：

(1)可靠性高，从供配电、设备功能划分等方面进行了设备间和设备内部的冗余设计，其多方式的指令输入方式、符合控制方式可较好的满足了单一模块失效下其功能的健全性。

(2)可扩展性强，本发明的空间机械臂在轨操作平台系统支持在轨维护，通过对系统中多个软件配置项的在轨更新，能较好的实现系统故障的维护及新功能的添加，更好的满足空间站长期在轨任务的执行。

(3)采用模块化设计，具有较高的故障隔离度及硬件在轨更换能力，较好的满足了空间环境的人机工效学设计及长寿命需求。

(4)具有力反馈功能，首次将力反馈技术引入空间机械臂的在轨操作中，可较好的增强操作者的临场感，提高机械臂的操作效率，使专业人员能够获得视觉、力觉的全方位信息；同时，在紧急或意外状况发生时，可提供有效的力觉提示，避免机械臂或者飞行器遭受破坏。

(5)具有较小的时延，提出并采用了机械臂专用总线方案，将其应用于机械臂分系统中，优化了系统总线拓扑，较好的解决了串联控制系统的时延问题；

(6)提出并设计了“位置-速度”映射的力反馈操作方式，将球面机构延伸到力交互设备中，较好的解决了机械臂姿态的解耦及复合操控需求，实现了宽操作空间(±40°)设计(国际空间站指标为±22.5°)，使其具有更好的用户体验。

(7)设计并预留了在轨训练功能，与仿真笔记本结合，可对空间机械臂需执行的任务进行模拟仿真，减少任务的风险，提高操作效率。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明的空间机械臂在轨操作系统的结构框图；

图2为本发明的控制模块的系统架构；

图3为本发明的控制模块功能框图；

图4为本发明的操作显示模块布局图；

图5为本发明的操作显示模块功能框图；

图6为本发明的力反馈手柄控制单元构成框图；

图中：1-液晶屏状态显示栏、2-液晶屏操作区域、3-报警灯窗区、4-操作方式选择区、5-操作对象选择区、6-末端操作区、7-手柄辅助操作区、8-数字键区、9-紧急操作区、10-液晶屏快捷键区、11-液晶屏动态显示栏、12-液晶屏显示辅助操作区；

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的一种空间机械臂在轨操作平台，包括控制模块、操作显示模块、力反馈手柄模块，其中：操作显示模块与控制模块电连接，用于实现机械臂控制指令的输入以及用于机械臂多种状态的显示；力反馈手柄模块与控制模块电连接，用于实现对机械臂单关节、肘部相机云台、以及末端执行器的操作；控制模块主要用于数据与指令的交互。

具体的，控制模块为双机冷备份的控制模块，用于实现机械臂遥测参数、指令的解析及数据管理、以及数据的转发处理。操作显示模块包括液晶屏以及快捷按键。力反馈手柄模块包括平动手柄以及转动手柄，其中：平动手柄采用三自由度的delta机构设计，用于实现前后、左右、上下的移动控制以及复合方向的移动控制；转动手柄采用三自由度的3-rrr球面并联机构设计，用于实现俯仰、偏航、旋转的姿态控制以及复合方向的旋转控制；力反馈手柄模块作为航天员与机械臂之间一个重要的人机接口，主要用来实现对机械臂单关节、肘部相机云台及末端执行器的操作；具有当机械臂遇到障碍、或到达机械臂活动范围极限时，可提供适宜的反馈形式，并及时报警；具备平动与转动手柄，分别对应控制末端执行器的位置与姿态；手柄反馈力矩可实现手柄有益阻力和末端接触力/力矩的比例叠加。操作显示模块与力反馈手柄模块分别通过内总线与控制模块进行信息交互。

本发明的空间机械臂在轨操作平台，具有力反馈功能，首次将力反馈技术引入空间机械臂的在轨操作中，可较好的增强操作者的临场感，提高机械臂的操作效率，使专业人员能够获得视觉、力觉的全方位信息；同时，在紧急或意外状况发生时，可提供有效的力觉提示，避免机械臂或者飞行器遭受破坏。

如图1所示，本发明的空间机械臂在轨操作系统，包括空间站数据管理平台、机械臂、以及上述实施例的空间机械臂在轨操作平台，其中：空间站数据管理平台通过系统总线与空间机械臂在轨操作平台进行信息交互；机械臂主要包括末端执行器及中央控制器，其通过机械臂专用总线与空间机械臂在轨操作平台进行信息交互。

进一步的，控制模块采用cpu+fpga架构设计，用于实现接收来自空间站数据管理平台或地面遥控发送给空间机械臂在轨操作平台的总线指令，以及将数据解析、提取、并执行；将空间机械臂在轨操作平台及机械臂的状态数据发送给空间站数据管理平台；向机械臂专用总线发送指令，实现机械臂各功能模块的开关机及机械臂运动状态的控制；接收机械臂的遥测数据，并将数据解包，提取状态信息进行紧急报警或反馈给所述力反馈手柄模块，完成手柄操作过程中的力觉交互。将空间机械臂在轨操作平台及机械臂的状态数据发送给空间站数据管理平台；向机械臂专用总线发送指令，实现机械臂各功能模块的开关机及机械臂运动状态的控制；接收机械臂的遥测数据，并将数据解包，提取状态信息进行紧急报警或反馈给所述力反馈手柄模块，完成手柄操作过程中的力觉交互。

进一步的，空间机械臂在轨操作系统还包括仪表笔记本，其中：空间机械臂在轨操作平台通过以太网与仪表笔记本进行通讯，用于进行在轨训练。

具体的，如图2所示，控制模块采用cpu+fpga的系统架构，其外围电路包括cpu系统工作必须的最小电路及存储芯片、内存芯片，与外部设备通讯的系统总线控制芯片、机械臂专用总线控制芯片、以太网控制芯片，及与其内部其他模块通信的内总线控制芯片等。其中cpu采用操作系统软件与应用软件一体化设计，共同固化在程序区。设备加电或重启时，系统软件首先完成硬件初始化，然后启动操作系统软件内核，创建一个多任务环境，最后利用操作系统软件与应用软件之间的接口，进入到应用软件的初始化任务中，应用软件在系统软件的支持下，完成特定的功能。fpga完成外围芯片的时序逻辑管理及内总线与以太网的接口数据管理。另外，为提高控制模块的可靠性，硬件方面，采用双机冗余冷备份设计。双机的硬件结构完全一致，其对外接口采取合并隔离设计。设计中使用磁保持继电器接收来自空间站数据管理平台的程控开关机指令，实现对双机的开关机控制。软件方面，采用三取二加载、多备份启动的方式，及支持在轨软件维护、参数修订的能力设计(该软件设计思路同时也应用到其他模块中)。

如图3所示，在软硬件的配合下，控制模块具有接收来自空间站数据管理平台或地面遥控发送给机械臂在轨操作系统的总线指令，并将数据解析、提取并执行指令的功能；同时将空间机械臂在轨操作平台及机械臂的状态数据发送给空间站数据管理平台；具备向机械臂专用总线发送指令的功能；具备接收整个空间机械臂的遥测数据，并将数据解包，提取状态信息用于紧急报警或反馈给力反馈手柄模块；具备通过以太网与仿真笔记本通讯，进行在轨训练的功能；具备通过内总线与机械臂在轨操作系统内其他模块进行通讯的功能；具备自身关键软件进行在轨维护及辅助机械臂分系统关键软件进行在轨维护的功能。

进一步的，操作显示模块的操作显示面板包括液晶屏状态显示栏1、液晶屏操作区域2、报警灯窗区3、操作方式选择区4、操作对象选择区5、末端操作区6、手柄辅助操作区7、数字键区8、紧急操作区9、以及液晶屏快捷键区10、液晶屏动态显示栏11、液晶屏显示辅助操作区12；其中：液晶屏状态显示栏1、液晶屏操作区域2、液晶屏动态显示栏11、液晶屏显示辅助操作区12用于液晶屏显示操作；操作方式选择区4、操作对象选择区5、末端操作区6、手柄辅助操作区7、以及紧急操作区9，用于实现液晶屏页面的快捷切换及控制指令的直接发送；报警灯窗区3用于系统紧急情况及故障的报警，其报警详情通过液晶屏状态显示栏1进行显示查看；液晶屏操作区域2通过巡游或触摸的方式实现对页面的操作。

具体的，操作显示模块由快捷按键和液晶屏组成。操作显示模块的实体即为操作显示面板。操作显示面板的布局如图4所示，由液晶屏状态显示栏1、液晶屏操作区域2、报警灯窗区3、操作方式选择区4、操作对象选择区5、末端操作区6、手柄辅助操作区7、数字键区8、紧急操作区9、以及液晶屏快捷键区10、液晶屏动态显示栏11、液晶屏显示辅助操作区12构成。通过操作方式选择区4、操作对象选择区5、末端操作区6、手柄辅助操作区7、紧急操作区9的配合使用，可实现液晶屏中重要页面的快捷切换及控制指令的直接发送；报警灯窗区3用于系统紧急情况及故障的报警，其报警详情可通过液晶屏状态显示栏1进行查看；液晶屏显示操作区域2通过巡游或触摸的方式可实现对页面的操作。操作显示模块通过以上设计，可实现指令输入方式的机械式按键、软按键和触摸屏操作的冗余设计，从而提高操作的可靠性。

操作显示模块的功能框图如图5所示，借助嵌入式硬件电路，配合软件开发，利用图4的布局设计，可完成机械臂控制指令的输入及机械臂多种状态的显示，实现机械臂全部工作模式与操作模式的切换，具备单关节控制、多关节协调控制、末端执行器控制、相机及云台的控制、机械臂运动停止、机械臂紧急停机控制等功能。通过预留外部接口的方式可实现操作显示模块软件的地面维护，通过内总线的数据交互可实现软件的在轨维护功能。

进一步的，力反馈手柄模块包括手柄机构以及用于手柄机构运动控制的手柄控制单元，其中：手柄机构包括用于平动手柄的delta并联机构以及用于转动手柄的3-rrr球面并联机构；手柄控制单元包括数据交互模块、力反馈手柄模块、伺服驱动模块、关节光编处理模块、电机光编处理模块、以及电机功率驱动模块，数据交互模块用于完成通讯口管理、状态数据解析、状态上报以及手柄操控指令输出；力反馈手柄模块通过采集关节光电角度，解算手柄末端位置/姿态角，同时解算手柄反馈力及对应电机电流并输出至伺服驱动模块；伺服驱动模块根据力反馈手柄模块传送的控制电流，采集电机光编当前角及相电流，输出驱动信号实现电机力矩闭环控制；电机功率驱动模块用于实现电机功率的输出及驱动电机动作。

具体的，力反馈手柄模块采用双手柄设计，包括平动手柄与转动手柄，每个手柄可实现三个自由度的控制。其中，平动手柄采用三自由度的delta机构设计，可实现前后、左右、上下的移动控制及复合方向的移动控制，转动手柄采用三自由度的3-rrr球面并联机构设计，可实现俯仰、偏航、旋转的姿态控制及复合方向的控制，两个手柄采用相同的控制电路，根据机构特点设计不同的力反馈算法，实现其力反馈手柄功能。如图6所示，为手柄控制单元构成图，包括数据交互模块、力反馈手柄模块、伺服驱动模块、关节光编处理模块、电机光编处理模块、电机功率驱动模块。数据交互模块主要完成通讯口管理、状态数据解析、状态上报、以及手柄操控指令输出；力反馈手柄模块通过采集关节光电角度，解算手柄末端位置/姿态角，同时解算手柄反馈力及对应电机电流并输出至伺服驱动模块；伺服驱动模块根据力反馈手柄模块传送的控制电流，采集电机光编当前角及相电流，输出驱动信号实现电机力矩闭环控制。电机功率驱动模块以三相逆变器为核心器件，结合过流保护电路组成，实现电机功率的输出，驱动电机动作。

进一步的，空间机械臂在轨操作系统，为提高可靠性，从供配电、设备功能划分等方面进行了设备间和设备内部的冗余设计。其冗余措施主要有：设备供电电源母线采取冗余冷备份；数据解算及管理核心采用冗余设计；对指令的输入方式采取了机械式按键、软按键和触摸屏操作的冗余措施。

本发明的空间机械臂在轨操作平台，选用双机冷备份的控制模块用于机械臂分系统遥测参数、指令的解析及数据管理，以及相关分系统数据的转发处理。采用视觉、触觉、听觉等多种手段实现操作人员与空间机械臂的人机交互，以便能更加友好、舒适、直观的完成机械臂的运动操作。同时可提供模拟操作功能，通过以太网向仿真笔记本发送指令，驱动仿真笔记本以实现航天员在轨训练的能力。具备控制机械臂运动与监视机械臂状态的功能，同时支持地面遥控、遥操作方式操纵、监控机械臂。

本发明的空间机械臂在轨操作系统，通过操作显示模块的触摸屏或手控按键、力反馈手柄模块等输入方式来完成人员指令、动作、参数的采集，通过控制模块的综合分析、解算后利用机械臂专用总线下发给空间机械臂，完成对空间机械臂的运动控制；同时，控制模块通过机械臂专用总线收集空间机械臂的状态信息，完成空间机械臂运动的闭环控制、健康监控及故障报警；控制模块再将整个空间机械臂及在轨操作系统自身的状态信息上传给空间站数据管理平台及接收该系统的总线指令及维护数据。本发明的空间机械臂的在轨操作平台，是完成空间机械臂在轨操作的人机交互接口，同时也提供模拟操作功能以完成空间机械臂的在轨模拟仿真操作，是空间机械臂完成任务的核心操控单元。

本发明的空间机械臂在轨操作系统，可靠性高，可扩展性强，具有较小的时延；采用模块化设计，具有较高的故障隔离度及硬件在轨更换能力；具有力反馈功能，可较好的增强操作者的临场感，提高机械臂的操作效率；并且，较好的解决了机械臂姿态的解耦及复合操控需求，实现了宽操作空间设计，使其具有更好的用户体验；此外，设计并预留了在轨训练功能，与仿真笔记本结合，可对空间机械臂需执行的任务进行模拟仿真，减少任务的风险，提高操作效率。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。