力反馈数据手套与遥操作机器人系统研究

论文摘要

遥操作机器人系统是在人们多年研究全自主式机器人并且经历了若干次失败之后提出的一种具有实用意义的机器人方案。本文作为国家863项目“远程操作机器人的智能控制技术及其手控器研究”和国家973项目“力觉触觉虚拟现实研究”的部分内容,主要介绍了基于力反馈数据手套、HC01手控器、MOTOMAN机器人、Internet网等设备构建的交互式遥操作机器人实验平台,并且在此基础上做了一些相关的研究工作。首先,分析了国内外基于Internet遥操作机器人的研究现状和主要存在的问题,认识到影响遥操作机器人系统操作性能（稳定性和透明性）的主要原因是信号传输过程中存在时延,简单总结了目前解决时延的几种方法,通过比较提出解决通信大时延对遥操作机器人系统影响最好的方法是采用虚拟现实技术、临场感技术和交互技术等相结合,根据具体的任务让机器人系统工作在其最合适的工作模式。数据手套是目前常用的人-机交互的手段之一,但其大多不具备力反馈功能。文中分析了现有很少的几种力反馈数据手套的现状,发现它们性能不尽理想,在此基础上研制了一种基于电流变液的力反馈数据手套。该手套以美国Immersion公司生产的具有18传感器的数据手套为基础,增加基于电流变液体的力反馈装置。电流变液由基础液（如油）和悬浮颗粒组成,颗粒的大小在1/101/100微米数量级,受电场的作用,其性能发生较大的变化,主要表现在液体的粘度随电场的变化作相应的快速变化,当电场足够强时变成固体。电流变液体在电场作用下产生电流变效应,其重要特征是使电流变液体的力学性能发生了特殊的变化,即在静态下具有抗剪能力,并且存在一个明显的屈服应力,这个抗剪切应力成为力反馈数据手套方案中力觉再现的力的来源。接着,介绍了基于Internet遥操作机器人实验平台的三套方案。第一套为国家863项目的研究内容,以自行研制的HC01手控器作为主端设备,MOTOMAN-SV3X作为从端设备,基于Internet通讯构成主从式遥操作机器人控制系统。第二套为国家973项目的部分研究内容,利用其研究成果力反馈数据手套替代HC01手控器,位置的测量采用与数据手套配套的flock bird三维六自由度位置跟踪器。考虑到第二套方案中,没有臂部力觉反馈功能,并且位置跟踪器测量基于磁场易受干扰的影响,又提出一种综合方案——将力反馈数据手套和HC01手控器结合起来,力反馈数据手套测量手指部分的位置并产生力觉反馈,手控器测量手部空间位置并产生臂部的力觉反馈。在成功构建遥操作机器人实验平台的基础上着重做了以下几个方面的研究:①通讯时延对系统稳定性和透明性的影响。②手部建模及其交互操作。数据手套的出现为在人机交互中充分发挥手在交互过程中的自然性、灵巧性和适应性创造了条件,使基于手势的交互技术的实现成为可能,文中以美国Immersion公司生产的CyberGlove作为手势输入

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 国内外研究动态
• 1.2.1 遥操作机器人技术
• 1.2.2 力觉临场感技术
• 1.2.3 虚拟现实技术
• 1.3 基于INTERNET遥操作机器人系统目前存在的问题
• 1.3.1 力觉临场感遥操作技术存在的问题
• 1.3.2 解决时延问题的控制算法
• 1.3.3 解决时延问题的虚拟现实技术
• 1.4 课题主要研究的内容及目标
• 1.5 本章小结
• 第二章 基于INTERNET遥操作机器人系统时延研究
• 2.1 引言
• 2.2 基于INTERNET遥操作系统
• 2.3 INTERNET通信时延
• 2.4 通信协议及其编程
• 2.4.1 通信协议
• 2.4.2 通信编程
• 2.4.3 附加固定时延模拟
• 2.4.4 附加随机时延模拟
• 2.4.5 时延测试软件
• 2.5 时延对遥操作机器人系统操作性能及稳定性的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 人体手部运动学模型和交互模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 CYBERGLOVE数据手套简介
• 3.3 手部生理结构
• 3.4 手部运动分析与建模
• 3.4.1 手部运动分析
• 3.4.2 机械手Denavt-Harteberg（D-H）表示法
• 3.4.3 手部运动学模型
• 3.4.4 手部运动学模型matlab仿真
• 3.4.5 手部运动学简化模型
• 3.5 计算机虚拟手模型及其交互操作
• 3.5.1 几何学建模
• 3.5.2 OpenGL编程及其交互操作
• 3.6 本章小结
• 第四章 力反馈数据手套研制
• 4.1 引言
• 4.2 电流变技术
• 4.2.1 电流变液体
• 4.2.2 电流变效应
• 4.2.3 电流变效应的形成机理
• 4.3 力反馈装置的设计
• 4.3.1 力反馈装置的工作原理
• 4.3.2 力反馈装置数学模型
• 4.3.3 各有关参数对反馈力的影响分析
• 4.4 结构设计方案
• 4.5 结构设计改进方案
• 4.6 结构参数设计
• 4.7 力反馈装置控制模块设计
• 4.8 力反馈数据手套总体结构
• 4.9 本章小结
• 第五章 遥操作机器人系统实验平台设计
• 5.1 引言
• 5.2 系统的构成及其工作原理
• 5.3 实验平台的功能
• 5.4 实验平台设计方案一——基于HC01 手控器
• 5.4.1 主机械手子系统
• 5.4.2 从机械人子系统
• 5.4.3 远程视频监控子系统
• 5.4.4 虚拟从手及环境
• 5.5 实验平台设计方案二——基于力反馈数据手套
• 5.6 实验平台设计方案三——综合方案
• 5.7 软件平台的设计
• 5.8 本章小结
• 第六章 遥操作机器人系统多种操作模式研究
• 6.1 引言
• 6.2 系统构成与原理
• 6.3 工作模式研究
• 6.4 工作模式的选择与转换
• 6.4.1 工作模式的选择
• 6.4.2 工作模式的转换
• 6.5 实验研究
• 6.5.1 试验平台
• 6.5.2 远程操作机器人系统的多种模式的实现
• 6.6 本章小结
• 第七章 实验结果与分析
• 7.1 引言
• 7.2 遥操作机器人系统性能指标
• 7.3 测试方法及测试结果
• 7.3.1 手控器关节位置的测量精度测试
• 7.3.2 HC01 手控器力反馈测试
• 7.3.3 主端对从端位置控制精度测试
• 7.3.4 夹持器手指位置控制精度测试
• 7.3.5 网络时延模拟测试
• 7.3.6 力反馈数据手套力反馈效果测试
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论与未来工作展望
• 8.1 本文所做的工作
• 8.2 今后需要进一步开展的工作
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间发表论文清单及研究成果