應(yīng)急處理遙操作機(jī)器人控制方法研究.pdf

1、在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、恐怖襲擊或核化生污染等突發(fā)事件中往往會(huì)出現(xiàn)情況不明、危險(xiǎn)度較高、不利于人員進(jìn)入的非結(jié)構(gòu)化區(qū)域，而應(yīng)急處理遙操作機(jī)器人是一種能夠進(jìn)入其中執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境探測(cè)、取樣并具有較強(qiáng)應(yīng)急處理能力的機(jī)器人，它的使用可以有效降低事故處理和救援人員所面對(duì)的風(fēng)險(xiǎn)，提高事故響應(yīng)和處理的效率，具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，是當(dāng)今機(jī)器人研究領(lǐng)域的重點(diǎn)之一。本文主線是從減輕操作人員負(fù)擔(dān)的角度出發(fā)，并結(jié)合所研制的兩種不同應(yīng)急處理機(jī)器人樣機(jī)，針對(duì)機(jī)器人在遙操作

2、條件下的局部自主控制方法及相關(guān)問(wèn)題展開(kāi)理論和實(shí)驗(yàn)研究，旨在達(dá)到降低遙操作難度和增強(qiáng)遙操作感受的目的。
　　本文首先根據(jù)應(yīng)急處理遙操作機(jī)器人的任務(wù)和使用環(huán)境條件，設(shè)計(jì)和使用了兩種應(yīng)急處理機(jī)器人，一種為地形適應(yīng)能力較強(qiáng)的小型化履帶式機(jī)器人，該機(jī)器人體積小重量輕，滿足在地形復(fù)雜、空間限制明顯的環(huán)境中的使用要求;另一種為任務(wù)處理能力較強(qiáng)的輪式機(jī)器人，該機(jī)器人移動(dòng)效率高，搭載能力強(qiáng)，機(jī)械臂有很強(qiáng)的的靈活操作能力，滿足快速處理而且目標(biāo)任務(wù)對(duì)處

3、理能力要求較高的任務(wù)需求。兩種機(jī)器人可以根據(jù)任務(wù)要求配備大量不同傳感器進(jìn)行探測(cè)。根據(jù)機(jī)器人的不同結(jié)構(gòu)分別建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并加以分析，并設(shè)計(jì)了層次化的控制系統(tǒng)以及有效的遙操作控制方式和良好的人機(jī)交互界面，便于操作人員遠(yuǎn)程控制機(jī)器人進(jìn)行應(yīng)急處理工作。這兩種應(yīng)急處理遙操作機(jī)器人系統(tǒng)也作為以后工作研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
　　高自由度的遙操作機(jī)器人在被控過(guò)程中，具有動(dòng)作靈活的優(yōu)點(diǎn)，但由于冗余度過(guò)高會(huì)造成自身動(dòng)作不協(xié)調(diào)、控制方法過(guò)于復(fù)雜和操作員負(fù)擔(dān)

4、過(guò)重等缺點(diǎn)。針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種多目標(biāo)優(yōu)化的冗余度解析方法，使得操作人員只需要規(guī)劃和關(guān)注于機(jī)器人的主目標(biāo)任務(wù)，而機(jī)器人能夠自主完成多個(gè)設(shè)定的次級(jí)目標(biāo)任務(wù)，從而能夠在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中、不同任務(wù)約束下、不同功能需求下都能達(dá)到較好的性能。文中分析了非完整約束移動(dòng)機(jī)器人的速度運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，根據(jù)傳感器采集的信息、任務(wù)約束和功能需求將冗余度解析問(wèn)題建模為多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，并根據(jù)可能出現(xiàn)的外部干擾和功能需求設(shè)計(jì)了多個(gè)目標(biāo)子任務(wù)方程來(lái)滿足多目標(biāo)優(yōu)化的需求。

5、該方法將機(jī)械臂和移動(dòng)底盤(pán)作為整體控制，有效提高機(jī)器人的整體協(xié)調(diào)能力，并為其設(shè)計(jì)了一種有效的動(dòng)作路徑跟蹤控制器使機(jī)器人可以同時(shí)完成多項(xiàng)子任務(wù)。
　　遙操作機(jī)器人在翻越障礙或上下樓梯時(shí)會(huì)導(dǎo)致其姿態(tài)的劇烈變化，在極端情況下還會(huì)造成機(jī)器人的傾翻，而機(jī)器人系統(tǒng)的質(zhì)心位置對(duì)防傾翻安全性非常重要，針對(duì)這一特點(diǎn)，在不改變機(jī)器人現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和不附加額外設(shè)備的情況下，利用機(jī)器人配備的機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)系統(tǒng)質(zhì)心位置的調(diào)節(jié)作用，設(shè)計(jì)了一種有效的增強(qiáng)型防傾翻功能

6、方法，提高機(jī)器人的防傾翻安全性。文中對(duì)機(jī)器人的側(cè)翻、仰翻、前傾翻狀態(tài)進(jìn)行分析，并對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的分布情況加以研究，設(shè)計(jì)了一種基于系統(tǒng)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的機(jī)械臂控制方法，根據(jù)機(jī)器人的三種不同傾翻狀態(tài)提出了相對(duì)應(yīng)的增強(qiáng)型防傾翻功能算法。
　　在操作人員利用機(jī)械手爪進(jìn)行遠(yuǎn)程遙操作抓取目標(biāo)物時(shí)，系統(tǒng)的透明性和直觀性尤其重要，對(duì)操作人員來(lái)說(shuō)最佳的操作感受是像用自己的手去抓取目標(biāo)物一樣，然而當(dāng)前的機(jī)械手爪遙操作系統(tǒng)都不能達(dá)到這一要求，另外