面向遥操作的虚拟向导共享控制方法研究

论文摘要

利用机器人遥操作技术代替人类在太空、深海、有毒及核辐射环境下工作,可以避免人类在恶劣环境下受到伤害,降低作业成本,提高操作效率。由于工作环境未知及工作任务复杂多变,同时受传感器、控制、计算机信息技术和人工智能等关键支撑技术的制约,研制出高智能、全自主工作的机器人很难实现。目前切实可行的解决方案是将人的智能和机器人的局部自主功能有机的结合起来,即共享控制的思想,利用人的智能参与完成机器人任务规划。本文建立基于虚拟环境的人机共享控制系统,不仅可以解决机器人遥操作系统中的时延问题,而且借助于虚拟向导提供的力觉反馈实现了人的控制与机器人系统自主决策的有机融合。首先建立了基于虚拟环境的人机共享控制系统平台。设计了虚拟环境的总体框架结构,利用Java/Java3D面向对象技术构造出虚拟场景的基本类结构,进行了虚拟环境建模。利用JNI方法设计了力反馈式主手设备与虚拟环境的交互接口,操作者可以操纵力觉反馈主手对虚拟机器人进行关节驱动,实现了本地人机交互控制。建立了遥操作移动机器人-虚拟向导系统的模型。建模主要包括两个部分:几何模型和运动学模型。建立系统几何模型时,本文采用Pro/E建模,再利用Java3D中objLoder接口导入进行组装。对于系统的运动学模型,本文分析了机器人的正逆运动学模型以及机器人-虚拟向导相对运动学模型。运动学建模详细分析了机器人与虚拟向导之间的交互状态,是进行力觉反馈的基础。根据机器人末端与虚拟向导交互状态,判定机器人末端位姿与虚拟向导设定位姿的偏差,提出了基于弹簧力的位置校正、姿态校正和车体移动控制（包括路径向导和避障）的力觉反馈计算模型。建立虚拟向导力反馈系统基于二端口网络的动力学模型,进行Simulink仿真,结果表明系统能够保持时延条件下的稳定性和透明性,操作者能够对机器人末端进行力和位置的跟踪,获得稳定的力觉反馈。最后,进行了基于虚拟向导的人机交互仿真实验研究,并对实验过程中测得的数据进行分析,验证了虚拟向导的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 机器人遥操作控制方法综述
• 1.3 国内外虚拟向导共享控制方法的研究发展综述
• 1.3.1 国外虚拟向导共享控制方法研究
• 1.3.2 国内虚拟向导共享控制方法研究
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 基于虚拟环境的人机交互控制系统
• 2.1 引言
• 2.2 虚拟环境系统设计
• 2.2.1 虚拟环境软件结构设计
• 2.2.2 虚拟环境应用程序设计
• 2.2.3 虚拟环境建模
• 2.3 人机交互系统设计
• 2.3.1 人机交互界面
• 2.3.2 人机交互设备
• 2.3.3 人机交互运动控制
• 2.3.4 系统应用程序设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 机器人-虚拟向导系统建模
• 3.1 引言
• 3.2 虚拟机器人建模
• 3.2.1 机器人三维模型的构建
• 3.2.2 机器人操作臂正运动学分析
• 3.2.3 机器人操作臂逆运动学分析
• 3.2.4 机器人平面移动运动学分析
• 3.3 虚拟向导建模
• 3.3.1 虚拟向导的创建
• 3.3.2 虚拟向导坐标系的建立
• 3.4 机器人-虚拟向导之间的相对位姿模型
• 3.4.1 机器人-虚拟向导位姿变换
• 3.4.2 机器人末端工具在虚拟向导空间中的运动
• 3.5 机器人末端在虚拟向导约束空间中的判定
• 3.5.1 线型虚拟向导的判定
• 3.5.2 面型虚拟向导的判定
• 3.5.3 体型虚拟向导的判定
• 3.6 本章小结
• 第4章 虚拟向导力反馈系统设计与研究
• 4.1 引言
• 4.2 虚拟向导力的建模
• 4.2.1 虚拟向导力计算模型
• 4.2.2 虚拟向导力控制模型
• 4.2.3 基于位置偏差的力反馈
• 4.2.4 基于姿态偏差的力反馈
• 4.2.5 基于车体移动控制的线向导力觉反馈
• 4.3 虚拟向导力反馈系统分析与仿真
• 4.3.1 力反馈系统分析
• 4.3.2 系统稳定性仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于虚拟向导人机交互仿真实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 人机交互实验
• 5.2.1 操作实验任务
• 5.2.2 实验操作说明与流程
• 5.3 实验研究
• 5.3.1 线型向导
• 5.3.2 面型向导
• 5.3.3 体型向导
• 5.3.4 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢