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基于多种感觉反馈的工程机器人遥操作技术研究

王梦  
【摘要】:工程机器人遥操作系统是在第二次世界大战之后,美国将其作为放射性物质处理计划的一部分,并开发出了世界上第一个比较全面的远距离操作系统。在此之后,各个国家开始将远程控制系统作为重点项目,全面展开对其研究和发展,并将其运用于多种不同的行业领域,如灾后修复重建工作,太空及深海作业任务,核设施作业,医疗,建筑,机床等。机器人遥操纵技术将人的智慧参与到机器人的实时控制中,由处在安全场所的操作人员,操纵机器人进入危险场所进行远距离作业,极大提高了复杂环境下机器人作业的适应性与鲁棒性。在机器人的遥操纵过程中,操作者由于与现场机器人相距较远而无法亲身感知作业现场的真实环境,只能依据作业现场反馈的图像、声音、力觉以及触觉等信息来完成遥控作业任务。因此,反馈信息为操作者所带来的临场感与存在感高低是影响最终操作性能的重要因素。对多种反馈方式的实用性与有效性的研究也是至关重要的。 本文基于课题组对工程机器人遥操作系统的现有研究成果,对该系统的反馈方式做了进一步的研究和改进。结合虚拟现实技术,力反馈,听觉反馈和视觉反馈方式,在工程机器人进行远距离操作时,尽可能多的以多种形式为操作者提供作业现场信息,增强操作者的视觉及力觉临场感,以提高整体操作性能及操作安全性和有效性,并尽量减少操作者的主观工作量和作业完成时间等,对各个反馈方式为工程机器人遥操作系统所带来的影响进行了分析和验证。 本文结合遥操作工程机器人系统的研究背景和虚拟现实技术的研究现状,基于主从位置-速度控制方法,提出了一种采用声音节奏和视觉柱状图来精确地反映从端机械手驱动力变化情况的方法,结合声音节奏和柱状图提示共同加强力反馈。在机械手抓取和释放物体的瞬间,对驱动力的突然变化为操作者提供声音和视觉提示,在抓取物体的过程中,对驱动力的缓慢和细微变化以声音节奏和柱状图的形式提供给操作者。使操作者可以实时而精确的获知驱动力变化情况,以采用合适大小的作用力抓取物体。不仅避免了作用力过大导致物体受到挤压或损坏,作用力过小导致突然释放物体,还帮助操作者节约了作业完成时间及主观工作量。最后进行了多种反馈方式组合,多种材料物体的抓取操作实验和心理测试实验进行了验证,并采用NASA-TLX和Weber分数指标分别衡量了抓握风险指数、作业完成时间、工作量及操作者的感知度。


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