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《上海交通大学》 2010年
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排爆机器人遥操作性能研究

曾建军  
【摘要】: 排爆机器人是最典型的遥操作机器人。本文在国家863项目“反恐排爆机器人研究“、国家863项目“消防侦察机器人研究”和国家自然科学基金项目“遥操作机器人操作性能研究”的支持下,从系统的角度对影响排爆机器人遥操作性能的各主要因素进行了分析研究,重点研究排爆机器人排爆作业安全性差、效率低和操作者紧张程度高等几个方面,对排爆机器人的开发设计提供指导性建议。 从排爆机器人半自主爆炸物抓取研究入手,在分析了排爆作业的瓶颈在于如何克服二维图像无法正确指导操作者操作机械臂抓取爆炸物后,作者创新性的提出了基于激光测距的环境建模和爆炸物定位方法,利用智能搜索A*算法,实现了爆炸物的半自主抓取。另外,作者试图通过双目立体视觉来定位爆炸物,但结果表明,由于排爆机器人的移动性、机械臂的不够精确性等原因双目视觉得到的爆炸物位置数据有很大误差,其应用受到了限制。在从半自主抓取爆炸物这个局部研究的基础上展开,引出了下一章的内容,从系统的角度全面考虑排爆机器人遥操作性能。 提出了排爆机器人遥操作性能的概念,并分析了体现遥操作性能的性能指标。在遥操作机器人的性能和功能基础上,人们对其提出了更高的标准,要求其能在更复杂和非结构化的环境下完成更难的工作。影响排爆机器人遥操作性能的6个一级性能指标,每一个都为多个二级性能指标的加权和,找出影响性能的根本原因,提高排爆机器人的整体遥操作性能。这些性能指标的提出为如何提高排爆机器人的遥操作性能指明了方向,并进行了量化分析。根据用途的不同,对排爆机器人进行了分类,给出了每一类对应的两级性能指标的权重参数,并以侦察型排爆机器人为例加以说明。 采用层次分析法,从轮式、履带式、关节式、“关节-轮”式、“关节-履带”式五种机构中为排爆机器人SUPER-Ⅱ的移动载体选择了一种最优机构形式。分析了传统三自由度排爆机械臂的局限性,设计出了六冗余自由度机械臂。增加了一个主工作平面内冗余自由度、一个腰部转动自由度和一个小臂伸缩自由度,很大程度上扩大了机器人的操作空间,增加了排爆操作的精确性,提高了排爆操作的效率,并使得机器人作业范围和柔性大为增强,并得出了该机械臂三维工作空间。 系统阐述了排爆机器人的安全性能。提出了提高机械臂操作安全性能的有效方法之一就是实现机械臂的受控联动。创新性地简化了六自由度机械臂运动学模型,将三臂联动功能引入排爆作业,增加了操作安全性和效率,并推导出了联动方程。基于多传感器融合,特别是腕力传感器的融合,提出了机器人的防倾覆设计。另外,结合机器人两轮编码器数据和超声波传感器数据,根据ICP算法,推导出了排爆机器人在通讯意外中断时可采取的回撤路径算法。专门针对爆炸物抓取设计了一个包括柔力夹紧机构、强力固定机构和安全合抱机构在内的气动驱动手爪,其少自由度和高抓取性能的特点使得爆炸物抓取更为安全而有效。 分析了微控制器在排爆机器人上的应用,包括PLC、单片机、ARM嵌入式和DSP等,通过与工业机器人控制系统的比较,需要将排爆机器人传感系统的研究重点放在其有限软硬件资源上。从遥操作机器人必须要将周围的环境信息实时传达给远地操作者的特点,分析了排爆机器人的传感器接口。为解决环境信息的实时传递,本文以VC++和OpenGL为工具,创新性地将虚拟现实技术中的视觉临场感和力觉临场感引入排爆机器人系统,通过各种传感器将远地排爆机器人与环境的交互信息实时地反馈到本地操作者处,生成和远地环境一致的虚拟环境,使操作者产生身临其境的感受,从而实现对机器人灵活的控制,完成作业任务。 通过搭建排爆操作的坐标系框架,研究了操作者通过观察一个或多个视频画面操作主手来控制从手,将从手期望的运动变换到主手上需要的运动所必然经历的视频画面在心理上变换(比如旋转、平移、缩放、变形)所引起的心理负载。通过构建合理的人机接口来使这些心理的负载更少,以减少操作者的训练时间、提高完成任务的表现、扩充操作者人才库。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP242

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