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基于虚拟夹具的机器人遥操作运动导航与力反馈技术研究

李彦青  
【摘要】:机器人遥操作系统在科学研究和工业生产中有着广泛应用。对机器人遥操作技术的理论研究,有助于提高遥操作系统的透明性和操作便捷性。本文着重研究机器人遥操作系统的主-从端位置映射和力映射方法、基于虚拟夹具的机器人运动导航和集成虚拟环境的遥操作系统设计等方面的关键技术。 主-从机器人之间的位置映射和力映射算法直接影响系统的可行性、透明性和稳定性。为了使主机器人的运动范围最大程度地覆盖从机器人工作空间,提出了融合触觉辅助的工作空间漂移控制策略,扩展了主机器人的运动映射范围。为增强遥操作系统对不同环境的适应性,提出基于环境刚度估计的力映射函数设计方法,根据环境刚度估计值调节从端到主端的力映射函数参数。当刚度估计值小于预定义的环境刚度阈值时,定义环境为“柔软”的,采用非线性力映射方法,以提高操作者对环境刚度变化的感知。 为了辅助操作者更为精确便捷地完成遥操作任务,定义了五种不同的虚拟夹具基约束类型,及各种约束引导方向的计算方法,对不同任务下操作者的不同运动模式,在线生成虚拟夹具引导路径,为从机器人运动提供导航;针对远程作业过程中从机器人对操作对象的定位存在误差导致虚拟夹具引导方向计算不准确的问题,提出虚拟夹具引导路径的主动柔顺控制方法,根据环境作用力修正虚拟夹具引导路径,以消除虚拟夹具引导方向的计算误差。 针对虚拟夹具约束力削弱遥操作系统透明性这一问题,提出一种基于虚拟夹具约束方向力反馈的双边遥操作控制结构,通过将约束力沿虚拟夹具引导方向和约束方向进行分解的策略,消除其在虚拟夹具引导方向上的分量。通过MATLAB/Simulink模块对该控制结构进行仿真分析,验证其提高系统透明性的效果。 开发了集成虚拟环境的机器人遥操作系统。利用虚拟样机技术在系统主端建立从机器人及其工作环境的虚拟模型,对从机器人的运动进行仿真,并实时估算任务过程中的环境作用力,更新虚拟机器人及操作对象的状态,实时反馈给操作者。由于操作者与虚拟环境之间无明显时延,虚拟仿真环境能为操作者提供实时、稳定的视觉和力觉反馈,从而削弱网络时延对系统透明性的影响。


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