多移動(dòng)機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航的雙邊遙操作方法研究.pdf

1、與單個(gè)結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜的機(jī)器人相比，多個(gè)結(jié)構(gòu)功能簡單的移動(dòng)機(jī)器人形成的多機(jī)器人系統(tǒng)具有低成本、良好的冗余性、魯棒性以及可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，因此在大范圍監(jiān)測、安全監(jiān)測和協(xié)作搬運(yùn)等任務(wù)中，具有較好的應(yīng)用前景。然而受限于當(dāng)前機(jī)構(gòu)、傳感、控制、人工智能等技術(shù)水平，面向復(fù)雜多變的環(huán)境和任務(wù)，研制具有完全自主能力的機(jī)器人仍存在一定的困難。在這種情況下，將機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的高準(zhǔn)確性和高效率等優(yōu)點(diǎn)與操作員的高級(jí)認(rèn)知和決策能力相結(jié)合，機(jī)器人在操作員的監(jiān)督和輔助下完

2、成復(fù)雜的任務(wù)，形成共享控制的遙操作系統(tǒng)是可行有效的解決方案。而且，如果主端的操作員能夠接收到來自從端的力/觸覺信息，其臨場感與反應(yīng)能力將會(huì)得到顯著提升，這種雙邊遙操作系統(tǒng)，比沒有力/觸覺反饋的系統(tǒng)控制效果更好。本文針對(duì)多移動(dòng)機(jī)器人的雙邊遙操作系統(tǒng)，以多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的編隊(duì)控制方法、雙邊遙操作系統(tǒng)控制方法、反饋力的設(shè)計(jì)以及多移動(dòng)機(jī)器人的協(xié)作搬運(yùn)方法為重點(diǎn)展開研究。
　　首先研究了多移動(dòng)機(jī)器人的編隊(duì)控制方法。在多機(jī)器人系統(tǒng)從初始位置形

3、成目標(biāo)隊(duì)形的過程中需要進(jìn)行位置分配，分別針對(duì)目標(biāo)隊(duì)形的位置不確定和確定兩種情況設(shè)計(jì)了角色分配方案，以求提高整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的效率。編隊(duì)簡化了多機(jī)器人系統(tǒng)的控制，針對(duì)不同的應(yīng)用需求，編隊(duì)控制方法有多種。基于相對(duì)距離和相對(duì)角度的方法將編隊(duì)問題轉(zhuǎn)化為跟隨機(jī)器人對(duì)領(lǐng)導(dǎo)機(jī)器人的軌跡追蹤問題，本文將這種方法應(yīng)用于環(huán)境光照強(qiáng)度的監(jiān)測任務(wù)中。針對(duì)目標(biāo)隊(duì)形位置已知的情況，提出一種基于相對(duì)位移的一致性編隊(duì)協(xié)議;設(shè)計(jì)了機(jī)器人之間的虛擬勢場和虛擬作用力，并且修

4、改了傳統(tǒng)人工勢場法中機(jī)器人與障礙物之間夾角的計(jì)算方法。另外，提出一種基于無線傳感和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)的智能應(yīng)急服務(wù)系統(tǒng)，用基于相對(duì)位移的一致性編隊(duì)協(xié)議實(shí)現(xiàn)了其中多機(jī)器人系統(tǒng)的編隊(duì)控制。
　　其次，提出一種面向多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的雙邊遙操作控制框架。主端機(jī)器人為具有力反饋的人機(jī)交互設(shè)備，從端為多個(gè)差分驅(qū)動(dòng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人。在這種系統(tǒng)中，要求從端的多機(jī)器人系統(tǒng)具有一定的自治能力，同時(shí)又能實(shí)時(shí)響應(yīng)主端操作員的命令。由于主從端機(jī)器人的模型、自由度的數(shù)

5、量和工作空間都不匹配，針對(duì)這種不匹配性，提出由主端機(jī)器人末端觸覺接口點(diǎn)的位置產(chǎn)生從端多機(jī)器人系統(tǒng)的參考平均速度和隊(duì)形信息，并基于無源性理論分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)這種多移動(dòng)機(jī)器人的雙邊遙操作控制，基于Simulink和SimMechanics插件構(gòu)建了半物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
　　在雙邊遙操作系統(tǒng)中，反饋力是主端操作員了解從端機(jī)器人與環(huán)境交互狀態(tài)的重要途徑，因此反饋力的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文研究了反饋力對(duì)系統(tǒng)性能的影響，在不同的仿真場景中

6、進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在雙邊遙操作系統(tǒng)中，當(dāng)采用基于主從端速度不匹配信息設(shè)計(jì)的反饋力時(shí)，從端的多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)與障礙物碰撞概率更小，對(duì)參考速度和參考軌跡的跟蹤誤差更小。為了適應(yīng)不同的場景和任務(wù)，從端的多機(jī)器人系統(tǒng)需要進(jìn)行隊(duì)形切換。為了避免由于目標(biāo)隊(duì)形的突變對(duì)機(jī)器人造成破壞，提出一種平滑過渡的方法，保證從端機(jī)器人的軌跡具有C2階連續(xù)性。
　　最后，面向協(xié)作搬運(yùn)任務(wù)，提出一種基于視覺和力覺反饋的多移動(dòng)機(jī)器人雙邊遙操作系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，

7、從端采用了頭頂攝像頭，一方面用于從端環(huán)境中目標(biāo)的定位，另一方面為主端的操作員提供視覺反饋。主從端之間不可避免會(huì)存在通信時(shí)延，將波變量方法用于多機(jī)器人的雙邊遙操作系統(tǒng)中，消除了由于時(shí)延造成的不穩(wěn)定。為了能夠使得機(jī)器人低速到達(dá)目標(biāo)搬運(yùn)物，避免損壞機(jī)器人與目標(biāo)搬運(yùn)物，設(shè)計(jì)了一種局部作用力進(jìn)行調(diào)節(jié)。在協(xié)作搬運(yùn)過程中，采用支持向量機(jī)的方法識(shí)別不同階段狀態(tài)，給主端的操作員提供更為準(zhǔn)確的信息。通過自由運(yùn)動(dòng)和協(xié)作搬運(yùn)實(shí)驗(yàn)證明了系統(tǒng)的有效性，從端多機(jī)器人