基于虚拟现实的力觉临场感遥操作研究

论文摘要

工作在交互方式下的具有临场感的遥操作机器人是在危险或者未确定环境下完成作业任务的有效手段。系统通过基于多传感器的人机界面将远地传来的力觉和视觉信息等反馈给操作者,操作者作为控制回路的一部份,连续或者间断的控制从端的机器人完成复杂精细的操作任务。力觉临场感是临场感技术的最主要形式之一,基于力觉临场感的遥操作是系统完成接触作业,如抓取、装配等的重要保证。对于力觉临场感机器人系统,在保证系统稳定性的基础上,提高操作透明性是其完成精细任务的关键。本文通过对力-位置型力觉临场感遥操作场机器人系统控制结构的分析,提出了一种变增益力-位置型控制结构,通过改变从端的位置控制增益,提高了遥操作系统的可操作性。同时通过建立系统的动力学方程,利用李亚普诺夫函数分析了系统在约束运动下的稳定性条件。由于力觉临场感机器人大多工作在太空、海洋等远距离场合,主从端的时延就成为遥操作机器人工作中的主要问题。虚拟现实是克服时延的有力手段,通过建立与远地环境一致的虚拟预测环境,操作者可以和虚拟预测模型交互,利用虚拟机器人提供的反馈信息,获得实时的交互临场感,从而解决了时延的问题,但是这种方式依赖于虚拟模型的精度。为了获得准确的虚拟模型,我们分析了虚拟预测模型的建模技术,提出多传感器反馈信息和先验知识相结合的方法,利用远地反馈的视觉、力觉和位置信息建立和修正遥操作机器人的环境对象模型,提高虚拟预测环境几何建模的精度。将增强现实技术应用到遥操作机器人系统中,提出了采用虚拟预测图形与视频图像融合技术,将机器人的仿真模型与机器人的视频图像在同一显示窗口中进行精确的叠加和融合,并利用融合结果对虚拟模型进行在线修正。采用滑动平均最小二乘法（SALS）来实时辨识远地工作环境的质量、阻尼和刚度,建立和修正远地环境的动力学模型。分析了环境的动力学模型,改进了分区描述环境的非线性动力学特性的方法,将从手与环境的接触过程分为碰撞、平稳接触和离开三个阶段,分别对这三个阶段建立了动力学模型。建立了环境在稳定接触过程中的阻抗模型,提出了虚拟力的计算方法。本文通过将虚拟预测环境作为时间前向观测器,构造了基于虚拟现实的力反馈遥操作机器人系统的动力学方程,并在此基础上提出和分析了基于虚拟预测环境误差补偿的控制方法。同时,通过构造了系统的李亚普诺夫函数,对系统的稳定性条件作了进一步分析。最后,分析了系统基于虚拟现实误差补偿控制方法的透明性条件。本文结合国家航天863项目“空间遥操作机器人虚拟预测环境的建模与控制”,建立了一套基于虚拟现实的单自由度力觉临场感遥操作系统,针对质量-弹簧-阻尼环境模型,利用计算机网络模拟空间站和地面之间的大时延,实现了主从机械手的遥控作业。分析和验证了所提出的各种控制算法的有效性。实验结果表明,在时延为030秒的情况下,系统具有良好的稳定性,达到了较好的位置及力跟踪效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 力觉临场感遥操作机器人研究背景及意义
• 1.2 遥操作机器人控制算法研究进展
• 1.3 基于虚拟现实的遥操作机器人的应用
• 1.3.1 虚拟现实的兴起
• 1.3.2 虚拟现实在遥操作机器人领域的应用
• 1.4 目前存在的问题
• 1.5 本文研究的意义和主要内容
• 1.6 本文的主要创新点
• 第二章 力反馈遥操作的变增益控制
• 2.1 引言
• 2.2 力觉临场感系统操作性能评价方法
• 2.3 几种不同控制结构力觉临场感系统的操作性能分析
• 2.4 力-位置型控制结构的透明性分析
• 2.5 稳定性研究
• 2.6 实验分析
• 2.6.1 单自由系统的受力分析
• 2.6.2 控制方式的选择
• 2.7 本章小结
• 第三章 虚拟环境建模方法
• 3.1 引言
• 3.2 三维几何模型的建立
• 3.2.1 三维建模工具
• 3.2.2 机器人三维建模
• 3.2.3 三维模型的读取与绘制
• 3.3 增强现实技术
• 3.3.1 实现结构
• 3.3.2 摄像头的标定
• 3.3.3 图像图形的叠加
• 3.4 本章小结
• 第四章 虚拟力反馈
• 4.1 引言
• 4.2 虚拟环境碰撞模型
• 4.3 虚拟力反馈
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于虚拟预测环境模型的在线修正
• 5.1 引言
• 5.2 模型误差的影响
• 5.2 虚拟预测环境几何建模及其误差修正
• 5.2.1 摄像头畸变修正
• 5.2.2 图形图像的融合
• 5.2.3 从手力、位置信息融合修正
• 5.2.4 修正效果
• 5.3 虚拟预测环境动力学建模及其误差修正
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于虚拟预测模型的遥操作系统稳定性和透明性研究
• 6.1 引言
• 6.2 误差补偿控制
• 6.3 系统稳定性分析
• 6.4 系统透明性研究
• 6.5 本章小结
• 第七章 实验研究
• 7.1 引言
• 7.2 基于虚拟现实的遥操作机器人系统结构
• 7.3 基于虚拟现实的单自由度力觉临场感系统
• 7.3.1 硬件系统
• 7.3.2 软件系统
• 7.4 网络通讯的实现
• 7.5 实验系统的功能
• 7.6 工作环境设置
• 7.7 系统工作方法
• 7.8 实验设置
• 7.9 实验结果
• 7.10 实验结果分析
• 7.11 本章小结
• 第八章 结论
• 8.1 本文工作总结
• 8.2 今后的工作
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间参加的科研项目、发表论文和成果