基于虛擬現(xiàn)實(shí)與局部自主的空間機(jī)器人遙操作技術(shù)研究.pdf

1、利用空間機(jī)器人代替宇航員進(jìn)行太空作業(yè)，不僅可以使宇航員避免在惡劣太空環(huán)境中作業(yè)時(shí)可能受到的傷害，還可以降低成本、提高空間探索活動(dòng)的效率。由于空間工作環(huán)境非結(jié)構(gòu)化及工作任務(wù)多變的特點(diǎn)，同時(shí)受計(jì)算機(jī)、控制、人工智能和機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵支撐技術(shù)發(fā)展水平的制約，目前研制出在空間環(huán)境下完全自主工作的機(jī)器人還很難實(shí)現(xiàn)。因此，切實(shí)可行的方法是充分利用人的智能進(jìn)行高層任務(wù)規(guī)劃，采用地面遙操作空間機(jī)器人的方式完成空間作業(yè)。本文針對(duì)衛(wèi)星在軌維護(hù)任務(wù)，建立了衛(wèi)星自維

2、護(hù)的地面遙操作演示平臺(tái)，對(duì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)和局部自主的空間機(jī)器人遙操作進(jìn)行了研究。
　　本文建立了一套衛(wèi)星在軌自維護(hù)的地面遙操作演示系統(tǒng)。利用人為增加時(shí)延的方法，位于武漢的操作者通過(guò) Internet遙操作位于哈爾濱的機(jī)器人完成衛(wèi)星維護(hù)任務(wù)，模擬了地面遙操作空間機(jī)器人的大時(shí)延情況，并利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三維圖形預(yù)測(cè)顯示，有效地克服了大時(shí)延對(duì)遙操作的影響。利用反饋的機(jī)器人實(shí)際位置和視覺(jué)識(shí)別操作對(duì)象結(jié)果，在虛擬環(huán)境下重新構(gòu)建了虛擬的實(shí)際

3、機(jī)器人和操作對(duì)象場(chǎng)景，有效地克服了低帶寬對(duì)流暢視頻傳輸?shù)南拗?，使操作者直觀形象地感知遠(yuǎn)端實(shí)際狀態(tài)。
　　在遙操作的主操作端，遙操作的操作安全性與操作性能之間是互斥的。手動(dòng)操作的操作性能差但處理異常能力（安全性）強(qiáng)，離線任務(wù)規(guī)劃的操作性能好但處理異常能力差。本文提出了在主端利用柔性虛擬夾具方法輔助遙操作，通過(guò)柔性系數(shù)調(diào)節(jié)機(jī)器人傾向于理想運(yùn)動(dòng)方向的程度，有效地將離線任務(wù)規(guī)劃與操作者手動(dòng)控制結(jié)合起來(lái)，在遙操作的安全性與操作性能之間進(jìn)行折

4、衷，保證了遙操作的操作精度與異常處理能力。并在此基礎(chǔ)上，將虛擬力反饋、顏色識(shí)別及虛擬厚度方法融合到柔性虛擬夾具中，進(jìn)一步提高了操作性能。
　　在遙操作的從機(jī)器人端，實(shí)現(xiàn)了基于關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)力矩、腕力傳感器和視覺(jué)的多傳感器機(jī)器人局部自主功能，提高了機(jī)器人的智能水平。在自由運(yùn)動(dòng)階段，采用基于視覺(jué)的機(jī)器人最優(yōu)接近速度控制。在約束運(yùn)動(dòng)階段，針對(duì)空間機(jī)器人經(jīng)常與高剛度環(huán)境接觸情況，基于力外環(huán)思想，本文提出了基于阻抗內(nèi)環(huán)的力跟蹤方法，對(duì)比實(shí)驗(yàn)

5、證明該方法保證了機(jī)器人與高剛度環(huán)境接觸時(shí)較好的力控制性能。
　　基于虛擬現(xiàn)實(shí)遙操作的前提是虛擬模型與實(shí)際場(chǎng)景的一致性。然而，受空間環(huán)境變化及傳感器測(cè)量誤差等影響，虛擬模型與實(shí)際場(chǎng)景之間存在著不可避免的模型誤差。本文將模型修正法與機(jī)器人的控制方法結(jié)合起來(lái)，一方面在遙操作主端利用反饋的機(jī)器人實(shí)際位置和視覺(jué)識(shí)別結(jié)果分別對(duì)虛擬機(jī)器人和虛擬操作對(duì)象的位姿進(jìn)行修正，盡可能地減小虛擬模型與實(shí)際場(chǎng)景的差別；另一方面，對(duì)于仍殘存的模型誤差，在從機(jī)器

6、人端采用對(duì)模型誤差具有一定的魯棒性的阻抗控制、混合阻抗控制方法，進(jìn)一步消除殘存的模型誤差。實(shí)驗(yàn)證明了該方法能夠消除模型誤差對(duì)遙操作的影響。
　　在本文的最后，對(duì)于結(jié)構(gòu)化空間環(huán)境，采用基于虛擬現(xiàn)實(shí)的遙操作方式克服了約14秒的大通訊時(shí)延對(duì)遙操作的影響，順利地完成了打開(kāi)衛(wèi)星天線的衛(wèi)星維護(hù)任務(wù)。對(duì)于存在誤差的非結(jié)構(gòu)化空間環(huán)境，分別進(jìn)行了打開(kāi)衛(wèi)星太陽(yáng)能帆板和擦拭衛(wèi)星鏡頭的兩個(gè)典型衛(wèi)星維護(hù)遙操作實(shí)驗(yàn)，克服了模型誤差對(duì)遙操作的影響，驗(yàn)證了本文提