变时延环境下的任务级遥操作关键技术研究

论文摘要

机器人遥操作能够代替人在远距离、真空、高温和高辐射等人类难于直接触及的环境下从事科学实验、装配作业和维护作业等。由于距离的影响,遥操作中的时延常常是变时延。变时延下的机器人遥操作,关键难点在于如何克服变时延对遥操作的影响。本文研究了变时延下机器人遥操作的若干关键问题。首先从虚拟环境建模和动力学建模两方面,对机器人遥操作系统的构建进行了分析。实体建模到运行仿真,为机器人遥操作系统的建立了平台。在建模过程中考虑了仿真运行的效率问题。采用模型简化的方式,既从视觉上保证了不影响临场感效果,又从物理上不影响仿真执行结果。针对机器人遥操作任务复杂的问题,提出了将复杂遥操作任务进行结构化描述的方法。以同构的六元组结构来描述遥操作任务,便于计算机识别和管理,充分利用从端机器人的自主智能。对复杂遥操作任务进行面向对象的编程和任务分解,并将遥操作任务的操作过程划分为“接近-操作-离开”三阶段。所有的任务均按这种阶段方式进行划分,直至划分到不可再分的“动素”级别。为了在任务级操作过程中加强主端的干预能力,提出了任务级遥操作的切换策略,避免从端在任务执行过程中遇到困难死锁或误操作。提出了将滚动预测用于从端机器人状态预测的方法,利用BP神经网络对机器人的从端当前状态进行预测,减少因时延带来的反馈信息滞后所造成的“运动-等待-运动”操作形式。仿真实验表明这种基于BP神经网络的滚动预测可以有效的减少预则仿真的误差。针对遥操作中力反馈信息滞后和反馈信息采样率低的问题,提出了采用真实材料特性接触力曲线辅助虚拟力计算的方法,提高虚拟力计算的效率；提出虚拟力外推的方法,提高力反馈信息采样频率,以获取平稳的力反馈效果。仿真实验证明,该方法易用、可行。在遥操作回路中引入波变量,以平衡时延对遥操作系统的影响。设计了时延模似器,在局域网对遥操作时延环境进行模拟。在对时延进行有效估计的前提下,基于无源性理论对遥操作系统稳定性进行了分析。能够证明系统在波变量的辅助下可以实现稳定遥操作。最后,开发了“武汉-哈尔滨”机器人远程遥操作系统,在5-7秒变时延条件下进行了四项实验操作。综合验证了任务级遥操作的方法、虚拟力外推算法和滚动预测仿真。实验表明这种遥操作系统可以充分的利用机器人的自主能力应对较为复芬的遥操作任务,又减少了操作者的工作强度和保证了主端操作的临场感。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 机器人遥操作研究概况
• 1.4 变时延环境下机器人遥操作研究进展
• 1.5 本文主要工作
• 1.6 文章结构
• 2 机器人遥操作虚拟环境及动力学建模
• 2.1 引言
• 2.2 机器人遥操作的虚拟环境建模
• 2.3 机器人遥操作对象动力学建模
• 2.4 本章小结
• 3 任务级遥操作的描述与操作策略
• 3.1 引言
• 3.2 复杂遥操作任务的描述方法
• 3.3 操作任务的层次化划分
• 3.4 基于六元组描述的遥操作任务分解
• 3.5 任务级遥操作的操作策略
• 3.6 任务分解实例
• 3.7 本章小结
• 4 基于人工神经网络的滚动预测仿真
• 4.1 引言
• 4.2 从端环境状态预测
• 4.3 基于BP人工神经网络的预测仿真
• 4.4 滚动预测的策略与实现方法
• 4.5 仿真实验
• 4.6 本章小结
• 5 虚拟现实中的力觉临场感
• 5.1 引言
• 5.2 力传感器信息映射
• 5.3 虚拟环境中力觉信息生成
• 5.4 平顺的力反馈输出
• 5.5 力觉临场感实验
• 5.6 本章小结
• 6 变时延下遥操作的稳定性分析
• 6.1 引言
• 6.2 遥操作时延组成
• 6.3 时延估计
• 6.4 基于波变量的稳定性分析
• 6.5 仿真实验
• 6.6 本章小结
• 7 系统开发及应用验证
• 7.1 操作系统框架
• 7.2 系统开发说明
• 7.3 机器人遥操作实验验证
• 7.4 本章小结
• 8 全文总结及研究展望
• 8.1 全文工作总结
• 8.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文目录