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光学运动捕捉在机械臂遥操作控制中的应用研究

张伯强 方宇 杨皓 杨蕴杰 黄子健

张伯强,方宇,杨皓, 等. 光学运动捕捉在机械臂遥操作控制中的应用研究[J]. 机械科学与技术,2023,42(11):1837-1843 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220105
引用本文: 张伯强,方宇,杨皓, 等. 光学运动捕捉在机械臂遥操作控制中的应用研究[J]. 机械科学与技术,2023,42(11):1837-1843 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220105
ZHANG Boqiang, FANG Yu, YANG Hao, YANG Yunjie, HUANG Zijian. Applying Optical Motion Capture to Teleoperation Control of Manipulator[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(11): 1837-1843. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220105
Citation: ZHANG Boqiang, FANG Yu, YANG Hao, YANG Yunjie, HUANG Zijian. Applying Optical Motion Capture to Teleoperation Control of Manipulator[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(11): 1837-1843. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220105

光学运动捕捉在机械臂遥操作控制中的应用研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220105
基金项目: 上海市松江区科技攻关项目(20SJKJGG08C)
详细信息
    作者简介:

    张伯强(1995−),硕士,研究方向为机器人运动控制、ROS,zbqwcy@163.com

    通讯作者:

    方宇,教授,博士,fangyu_hit@126.com

  • 中图分类号: TP249

Applying Optical Motion Capture to Teleoperation Control of Manipulator

  • 摘要: 针对传统机械臂的遥操作控制直观性不强、操作繁琐等问题,本文提出了一种基于光学运动捕捉的机械臂遥操作控制方法。建立了运动捕捉系统与机械臂的标定模型,实现了坐标系之间的转换;在ROS-kinetic中建立服务器和客户端,实现了不同系统数据之间相互转化与实时传输。通过在引导机械臂末端粘贴标记点、构建刚体的方式进行跟踪试验,结果表明该方法降低了主端的复杂程度,在保证从端操作精度的情况下,可实时地完成六自由度机械臂遥操作任务,方法操作简单、可移植性和可扩展性强。
  • 图  1  运动捕捉系统示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of motion capture system

    图  2  红外相机及标记点

    Figure  2.  Infrared Camera and Marking Points

    图  3  遥操作实现原理

    Figure  3.  Implementation principle of remote operation

    图  4  UR5机械臂及关节连杆简图

    Figure  4.  Schematic diagram of UR5 joint connecting rod

    图  5  标定模型示意图

    Figure  5.  Schematic diagram of calibration model

    图  6  节点关系图

    Figure  6.  Node relationship diagram

    图  7  Rviz界面

    Figure  7.  Rviz interface

    图  8  末端刚体构建

    Figure  8.  End rigid body construction

    图  9  直线跟踪试验

    Figure  9.  Linear tracking test

    图  10  “W”轨迹追踪实物实验

    Figure  10.  Physical experiment on "W" trajectory tracking

    图  11  轨迹追踪实验3D轨线图

    Figure  11.  3D trajectory map of trajectory tracking experiment

    表  1  UR5机械臂D-H参数

    Table  1.   D-H parameters of UR5 robotic arm

    iai/mmαi/(°)di/mmθi/(°)
    109089.50
    2−42500−90
    3−392000
    4090109.2−90
    50−9094.650
    60082.30
    下载: 导出CSV

    表  2  运动响应时间

    Table  2.   Motion response time

    单点跟踪试验次数算法计算时间t/s运动响应时间T/s
    10.0076940.48
    20.0059310.62
    30.0099610.69
    40.0075400.58
    50.0070530.36
    60.0062510.72
    70.0056660.58
    80.0082690.66
    90.0042130.32
    100.0069330.49
    下载: 导出CSV
  • [1] YANA Y, HUA C C, GUAN X P. Finite-time synchronization control for bilateral teleoperation under communication delays[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2015, 31: 61-69. doi: 10.1016/j.rcim.2014.07.001
    [2] WELKER C G, CHIU V L, VOLOSHINA A S, et al. Teleoperation of an ankle-foot prosthesis with a wrist exoskeleton[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2021, 68(5): 1714-1725. doi: 10.1109/TBME.2020.3046357
    [3] XIONG P W, ZHU X D, SONG A G, et al. A target grabbing strategy for telerobot based on improved stiffness display device[J]. IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica, 2017, 4(4): 661-667. doi: 10.1109/JAS.2016.7510256
    [4] 王朝阳, 曲家迪, 张福海, 等. 基于Kinect的类人机械臂关节运动直接示教[J]. 机器人, 2017, 39(5): 697-703. doi: 10.13973/j.cnki.robot.2017.0697

    WANG C Y, QU J D, ZHANG F H, et al. Direct teaching in joint space for humanoid manipulator using Kinect[J]. Robot, 2017, 39(5): 697-703. (in Chinese) doi: 10.13973/j.cnki.robot.2017.0697
    [5] 卢明林, 张宇, 张攀峰, 等. 基于遥操作的焊接机器人连续轨迹系统设计[J]. 机械设计与制造, 2019(2): 238-241. doi: 10.3969/j.issn.1001-3997.2019.02.060

    LU M L, ZHANG Y, ZHANG P F, et al. The continuous path control system design of welding robot based on Tele-operation[J]. Machinery Design & Manufacture, 2019(2): 238-241. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-3997.2019.02.060
    [6] 倪涛, 朱厚文, 张红彦, 等. 基于手控器触觉共享控制的主从遥操作[J]. 农业机械学报, 2016, 47(12): 367-372. doi: 10.6041/j.issn.1000-1298.2016.12.046

    NI T, ZHU H W, ZHANG H Y, et al. Master-slave teleoperation based on haptic device tactile shared control[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(12): 367-372. (in Chinese) doi: 10.6041/j.issn.1000-1298.2016.12.046
    [7] 李家霖, 杨洋, 杨铁, 等. 外骨骼式遥操作主手设计及主从异构映射算法研究[J]. 机器人, 2020, 42(6): 651-660.

    LI J L, YANG Y, YANG T, et al. Design of exoskeletal teleoperation master device and research on master-slave isomerism mapping algorithm[J]. Robot, 2020, 42(6): 651-660. (in Chinese)
    [8] REBELO J, SEDNAOUI T, DEN EXTER E B, et al. Bilateral robot teleoperation: a wearable arm exoskeleton featuring an intuitive user interface[J]. IEEE Robotics & Automation Magazine, 2014, 21(4): 62-69.
    [9] 李海源, 刘畅, 严鲁涛, 等. 上肢外骨骼机器人的阻抗控制与关节试验研究[J]. 机械工程学报, 2020, 56(19): 200-209. doi: 10.3901/JME.2020.19.200

    LI H Y, LIU C, YAN L T, et al. Research on impendence control of an upper limb exoskeleton robot and joint experiments[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56(19): 200-209. (in Chinese) doi: 10.3901/JME.2020.19.200
    [10] QUIGLEY M, CONLEY K, GERKEY B P, et al. ROS: an open-source robot operating system[C]//Proceedings of the ICRA Workshop on Open Source Software, 2009
    [11] 陈英龙, 宋甫俊, 张军豪, 等. 基于临场感的遥操作机器人共享控制研究综述[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(5): 831-842. doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.05.004

    CHEN Y L, SONG F J, ZHANG J H, et al. Telerobotic shared control strategy based on telepresence: a review[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2021, 55(5): 831-842. (in Chinese) doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.05.004
    [12] 曾欣, 宋爱国, 周永辉, 等. 面向机械臂遥操作的虚拟人机交互系统设计[J]. 载人航天, 2020, 26(3): 353-360. doi: 10.3969/j.issn.1674-5825.2020.03.013

    ZENG X, SONG A G, ZHOU Y H, et al. Design of a virtual human-machine system for manipulator teleoperation[J]. Manned Spaceflight, 2020, 26(3): 353-360. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1674-5825.2020.03.013
    [13] 杨淞麟, 刘满禄, 张俊俊, 等. 核应急机器人末端工具快换装置的设计及分析[J]. 机械设计, 2021, 38(7): 56-62. doi: 10.13841/j.cnki.jxsj.2021.07.009

    YANG S L, LIU M L, ZHANG J J, et al. Design and analysis of the end-effector's quick-change device for nuclear emergency-response robots[J]. Journal of Machine Design, 2021, 38(7): 56-62. (in Chinese) doi: 10.13841/j.cnki.jxsj.2021.07.009
    [14] GUO Z Y, YANG W J, LI M L, et al. ALLIANCE-ROS: a software framework on ROS for fault-tolerant and cooperative mobile robots[J]. Chinese Journal of Electronics, 2018, 27(3): 467-475. doi: 10.1049/cje.2018.03.001
    [15] TAYLOR R M, HUDSON T C, SEEGER A, et al. VRPN[P]. Virtual Reality Software and Technology, 2001.
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  • 收稿日期:  2021-08-26
  • 刊出日期:  2023-11-30

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