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《东南大学》 2006年
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基于虚拟现实的力觉临场感遥操作研究

刘威  
【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0~30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。
【学位授予单位】:东南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TP391.9;TP872

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