HIT/DLR机器人灵巧手遥操作系统的研究

论文摘要

作为机器人末端操作器,机器人多指灵巧手具有多自由度、多手指协调的特点,是提高传统机器人操作性能和作业水平的有效途径之一。采用遥操作方式,将人作为系统中的一个环节参与灵巧手的抓取控制是一种简单有效的方法,利用人的抓取操作经验进行高层次的任务规划和命令设计,利用灵巧手完成任务执行。本文在分析了临场感灵巧手遥操作系统和解决机器人遥操作时延问题的研究基础上,对HIT/DLR机器人灵巧手遥操作系统及相关的关键技术进行了深入细致的研究。本文针对数据手套关节角度输出精度低等缺点,建立了人手的运动学模型和各指尖位置的误差模型。基于指尖位置闭环的方法完成了人手模型的参数识别,提高了人手模型几何参数的精度,得到了较精确的人手手指指尖位置。建立了HIT/DLR灵巧手的运动学模型,分析了人手模型和灵巧手模型的结构差异及其造成的映射困难。采用改进的基于指尖位置的映射方法将人手的运动映射到灵巧手上,并进行了映射算法的验证和三维图形仿真,试验表明了映射结果能满足基于数据手套的灵巧手遥操作的要求。临场感技术是灵巧手遥操作中交互技术的核心,针对目前机器人遥操作系统中沉浸感不强等不足,本文建立了立体视觉反馈、力觉反馈和听觉反馈的多通道临场感灵巧手遥操作系统。论文分析了系统的体系结构,完成了Rx60工业机器人臂和HIT/DLR灵巧手的底层控制,实现基于数据手套和空间鼠标的机器人臂和灵巧手操作;阐述了立体视觉原理,设计了两自由度视觉平台、双目全局视觉和手眼视觉采集系统,并结合不同机器人遥操作任务和临场感要求,分别实现了分路式和分时式立体视觉显示系统;实现了基于CyberGrasp力反馈装置的力觉临场感;最后完成了基于临场感技术的机器人灵巧手遥操作实验,实验结果表明临场感技术能使操作者产生身临其境的感觉,提高操作者的感知能力和操作效果。针对临场感灵巧手遥操作实验中操作者容易疲劳和大时延灵巧手遥操作问题,本文根据共享控制的思想,提出分层的HIT/DLR灵巧手局部自主抓取操作的控制框架。操作者利用具有的抓取经验知识,完成灵巧手抓取类别的分类、灵巧手预抓取姿态、臂手协调趋近、预接触点等上层抓取规划;在底层控制中,根据不同抓取阶段设计相应的关节控制器,灵巧手自主地完成手指运动规划、接触力规划和最后的抓取操作;中间层设计的观测器根据触发

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 机器人灵巧手发展综述
• 1.2.1 灵巧手研制现状
• 1.2.2 灵巧手抓取操作控制方式
• 1.3 临场感灵巧手遥操作技术综述
• 1.3.1 操作端控制设备及运动映射
• 1.3.2 力觉临场感和视觉临场感
• 1.4 时延机器人遥操作技术综述
• 1.4.1 改进主从遥操作方式
• 1.4.2 监控遥操作方式
• 1.4.3 共享遥操作方式
• 1.4.4 虚拟现实系统
• 1.4.5 不同控制方式的比较
• 1.5 课题来源及主要研究内容
• 第2章 基于数据手套的人手与灵巧手运动映射
• 2.1 引言
• 2.2 人手建模及模型运动学分析
• 2.2.1 人手建模
• 2.2.2 人手运动学分析
• 2.2.3 模型中的几何参数
• 2.3 人手模型几何参数的识别
• 2.3.1 指尖位置误差模型
• 2.3.2 模型几何参数识别
• 2.3.3 谱条件数和参数的比例缩放
• 2.3.4 参数识别结果的评价
• 2.4 HIT/DLR 灵巧手运动学分析
• 2.5 人手与灵巧手运动映射
• 2.5.1 人手与灵巧手的结构差异
• 2.5.2 改进的基于指尖位置的映射方法
• 2.6 基于指尖位置映射方法的仿真试验
• 2.6.1 指尖位置映射算法的验证
• 2.6.2 人手运动到灵巧手运动映射的仿真试验
• 2.7 本章小结
• 第3章 灵巧手遥操作系统中临场感技术的研究
• 3.1 引言
• 3.2 临场感灵巧手遥操作系统的体系结构
• 3.3 远端机器人系统的控制
• 3.3.1 HIT/DLR 灵巧手控制
• 3.3.2 Rx60 机器人臂控制
• 3.4 灵巧手遥操作系统中的临场感技术
• 3.4.1 力觉临场感
• 3.4.2 立体视觉临场感
• 3.4.3 听觉临场感
• 3.5 临场感灵巧手遥操作试验
• 3.5.1 力觉临场感试验
• 3.5.2 搭积木遥操作试验
• 3.6 本章小结
• 第4章 灵巧手局部自主抓取操作的研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于共享控制的灵巧手抓取操作
• 4.2.1 灵巧手抓取操作任务
• 4.2.2 局部自主抓取操作的分层控制结构
• 4.3 基于经验的灵巧手抓取规划
• 4.3.1 灵巧手抓取类别与任务的描述
• 4.3.2 预抓取姿态
• 4.3.3 预抓取接触点的确定
• 4.4 灵巧手局部自主抓取操作
• 4.4.1 灵巧手自由空间运动及其控制
• 4.4.2 灵巧手接触抓取过程及其控制
• 4.4.3 灵巧手操作过程及其控制
• 4.4.4 中间控制层观测器的设计
• 4.5 灵巧手局部自主抓取操作实验
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于虚拟现实的大时延灵巧手遥操作系统
• 5.1 引言
• 5.2 基于虚拟现实技术的大时延遥操作方法
• 5.2.1 遥操作系统的大时延问题
• 5.2.2 基于虚拟现实的大时延遥操作
• 5.3 基于虚拟现实技术的遥操作系统设计
• 5.3.1 虚拟环境建模
• 5.3.2 虚拟环境中目标位置的标定
• 5.3.3 人机交互接口设计
• 5.3.4 重构虚拟操作场景
• 5.3.5 任务规划和分段控制
• 5.3.6 基于局部自主和任务层模块化的灵巧手遥操作
• 5.4 机器人遥操作工作模式及模式切换
• 5.4.1 遥操作工作模式研究
• 5.4.2 基于Petri 网的操作模式的转换模型
• 5.5 基于虚拟现实技术的大时延遥操作实验
• 5.5.1 拉抽屉遥操作试验
• 5.5.2 擦镜头遥操作试验
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明
• 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
• 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理
• 致谢
• 个人简历