有力觉及视觉临场感的遥操作机器人系统研究

论文摘要

具有临场感的遥操作系统可以在人难以靠近的高温、高压、强辐射、窒息等极限环境下进行复杂的作业。借助于遥操作系统提供的力觉、视觉临场感,可以使操作者真实地感受到机器人与被操作物体以及环境的相互作用,可以提高遥操纵作业的作业质量与作业速度。所以进行“具有临场感遥操作机器人的研究”具有十分重要的意义。本文结合国家自然科学基金资助项目“遥操纵6自由度液压并联机械手的力觉双向伺服控制”（编号:50475011）及教育部优秀青年教师基金项目“具有力觉反馈的远距离操纵工程机器人研究”,在广泛调研国内外临场感遥操作机器人的基础上,建成一个具有力觉和视觉临场感的主-从式遥操作机器人系统。该系统的主手采用自主研制的两自由度液压驱动异构力反馈操纵杆,克服了传统的电机驱动主手刚度过小,力反馈效果不明显等缺点,在国内的力反馈操纵杆研究领域迈出了开创性的一步。针对力反馈操纵杆采用液压驱动,操作者在正常情况下无法直接扳动该操纵手柄这一特点,在综合比较分析传统的力直接反馈型、力偏差型以及对称型三种双向伺服控制算法特点的基础上,提出了并列型以及改进并列型双向伺服控制策略,并进行了试验研究。为提高遥操作的视觉临场感,提出虚拟现实辅助遥操作的控制策略,不仅为操作者提供友好的人机交互界面,弥补单一视频反馈无线通讯伴随的图像抖动及模糊不清,而且在一定程度上缓和了遥操作系统中普遍存在的大时延问题所带来的不利影响。试验表明这种具有高度临场感提示的操作方式与单纯依靠从现场传来的视觉图像而进行的遥控操作相比,可以大大提高工作效率,用于抢险可以节约宝贵的时间。随着社会的进步与经济的发展,人们对抢险工作提出了越来越高的要求,具有临场感提示的遥操纵机器人系统将在未来抢险作业、海底资源开发等领域中发挥重要的作用,并创造出重大的经济效益与社会效益。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 临场感遥操作机器人的研究背景
• 1.2 遥操作机器人的研究概述
• 1.3 临场感技术研究概述
• 1.4 遥操作力反馈操纵杆的研究
• 1.5 临场感遥操作系统目前主要研究进展及存在的问题
• 1.5.1 监控和协作控制
• 1.5.2 具有VR 辅助的遥操作
• 1.5.3 具有通信时延的遥操作
• 1.6 本文的主要内容
• 第二章 临场感遥操作机器人系统组成
• 2.1 临场感遥操作系统概述
• 2.2 临场感遥操作机器人系统总体构成
• 2.2.1 主手操纵杆子系统
• 2.2.2 从机械手子系统
• 2.2.3 电液控制子系统
• 2.2.4 位移伺服控制子系统
• 2.2.5 力觉临场感子系统
• 2.2.6 无线通信及视频处理子系统
• 2.2.7 视觉虚拟现实子系统
• 2.3 本章小结
• 第三章 四自由度机械手运动学与动力学分析
• 3.1 四自由度机械手的运动学方程
• 3.1.1 机械手连杆的几何参数
• 3.1.2 机械手的连杆坐标系
• 3.1.3 连杆变换矩阵及正向运动学
• 3.1.4 机械手关节液压缸伸长与摆角的关系
• 3.2 四自由度机械手的动力学方程
• 3.3 本章小结
• 第四章 遥操作机器人控制软件设计
• 4.1 控制器主要软件模块及功能
• 4.2 无线网络通讯环节的软件设计
• 4.2.1 网络通信协议的选取
• 4.2.2 控制命令与反馈信息的传输
• 4.2.3 视频图像的传输
• 4.2.4 通讯程序实现要点
• 4.3 多线程及异步程序设计技术
• 4.4 基于设备驱动程序的实时控制
• 4.4.1 虚拟设备驱动程序简介
• 4.4.2 VxD 的开发与设计
• 4.4.3 驱动程序与应用程序的通讯
• 4.4.4 应用程序对中断事件的响应
• 4.5 本章小结
• 第五章 面向对象的机器人虚拟仿真环境设计
• 5.1 OPENGL 系统介绍
• 5.1.1 OpenGL 体系结构
• 5.1.2 OpenGL 工作流程
• 5.2 图形机器人模型的建立
• 5.2.1 机器人基本几何体的三维构建
• 5.2.2 立体感图形的生成
• 5.2.3 机器人模型的运动实现
• 5.3 图形机器人的碰撞检测
• 5.3.1 图形机器人抓取物体的精确碰撞检测
• 5.3.2 图形机器人移动物体的精确碰撞检测
• 5.4 图形机器人的碰撞检测实验
• 5.5 本章小结
• 第六章 液压缸位置伺服控制系统设计
• 6.1 电液位置伺服系统组成
• 6.2 电液控制系统模型
• 6.3 电液比例控制器设计
• 6.4 PID 串联校正控制器设计
• 6.4.1 PID 控制算法介绍
• 6.4.2 位置控制环节的数字PD 串联校正
• 6.5 本章小结
• 第七章 主－从遥操作双向伺服控制
• 7.1 双向伺服控制理论
• 7.2 主－从双向伺服控制类型
• 7.3 操纵杆伺服控制及力觉临场感试验
• 7.3.1 液压驱动操纵杆的伺服控制原理
• 7.3.2 操纵杆的力觉反馈
• 7.4 单自由度主－从遥操作试验
• 7.4.1 试验方案
• 7.4.2 力传感器信号处理
• 7.4.3 力觉双向伺服算法比较试验
• 7.5 两自由度液压操纵杆主－从遥操作试验
• 7.5.1 机械手力觉临场感试验
• 7.5.2 工程机器人位置跟随试验
• 7.6 具有通信时延的遥操作及试验研究
• 7.6.1 基于虚拟现实的遥控作业试验平台
• 7.6.2 大时延环境下的遥操作实验
• 7.7 本章小结
• 第八章 全文总结
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的学术论文及科研成果
• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT