基于虛擬現(xiàn)實(shí)的力覺臨場(chǎng)感遙操作研究.pdf

1、工作在交互方式下的具有臨場(chǎng)感的遙操作機(jī)器人是在危險(xiǎn)或者未確定環(huán)境下完成作業(yè)任務(wù)的有效手段。系統(tǒng)通過(guò)基于多傳感器的人機(jī)界面將遠(yuǎn)地傳來(lái)的力覺和視覺信息等反饋給操作者，操作者作為控制回路的一部份，連續(xù)或者間斷的控制從端的機(jī)器人完成復(fù)雜精細(xì)的操作任務(wù)。力覺臨場(chǎng)感是臨場(chǎng)感技術(shù)的最主要形式之一，基于力覺臨場(chǎng)感的遙操作是系統(tǒng)完成接觸作業(yè)，如抓取、裝配等的重要保證。 對(duì)于力覺臨場(chǎng)感機(jī)器人系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，提高操作透明性是其完成精細(xì)

2、任務(wù)的關(guān)鍵。本文通過(guò)對(duì)力-位置型力覺臨場(chǎng)感遙操作場(chǎng)機(jī)器人系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的分析，提出了一種變?cè)鲆媪?位置型控制結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變從端的位置控制增益，提高了遙操作系統(tǒng)的可操作性。同時(shí)通過(guò)建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，利用李亞普諾夫函數(shù)分析了系統(tǒng)在約束運(yùn)動(dòng)下的穩(wěn)定性條件。 由于力覺臨場(chǎng)感機(jī)器人大多工作在太空、海洋等遠(yuǎn)距離場(chǎng)合，主從端的時(shí)延就成為遙操作機(jī)器人工作中的主要問(wèn)題。虛擬現(xiàn)實(shí)是克服時(shí)延的有力手段，通過(guò)建立與遠(yuǎn)地環(huán)境一致的虛擬預(yù)測(cè)環(huán)境，操作者可

3、以和虛擬預(yù)測(cè)模型交互，利用虛擬機(jī)器人提供的反饋信息，獲得實(shí)時(shí)的交互臨場(chǎng)感，從而解決了時(shí)延的問(wèn)題，但是這種方式依賴于虛擬模型的精度。為了獲得準(zhǔn)確的虛擬模型，我們分析了虛擬預(yù)測(cè)模型的建模技術(shù)，提出多傳感器反饋信息和先驗(yàn)知識(shí)相結(jié)合的方法，利用遠(yuǎn)地反饋的視覺、力覺和位置信息建立和修正遙操作機(jī)器人的環(huán)境對(duì)象模型，提高虛擬預(yù)測(cè)環(huán)境幾何建模的精度。將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中，提出了采用虛擬預(yù)測(cè)圖形與視頻圖像融合技術(shù)，將機(jī)器人的仿真模型與機(jī)

4、器人的視頻圖像在同一顯示窗口中進(jìn)行精確的疊加和融合，并利用融合結(jié)果對(duì)虛擬模型進(jìn)行在線修正。采用滑動(dòng)平均最小二乘法(SALS)來(lái)實(shí)時(shí)辨識(shí)遠(yuǎn)地工作環(huán)境的質(zhì)量、阻尼和剛度，建立和修正遠(yuǎn)地環(huán)境的動(dòng)力學(xué)模型。分析了環(huán)境的動(dòng)力學(xué)模型，改進(jìn)了分區(qū)描述環(huán)境的非線性動(dòng)力學(xué)特性的方法，將從手與環(huán)境的接觸過(guò)程分為碰撞、平穩(wěn)接觸和離開三個(gè)階段，分別對(duì)這三個(gè)階段建立了動(dòng)力學(xué)模型。建立了環(huán)境在穩(wěn)定接觸過(guò)程中的阻抗模型，提出了虛擬力的計(jì)算方法。 本文通過(guò)將虛

5、擬預(yù)測(cè)環(huán)境作為時(shí)間前向觀測(cè)器，構(gòu)造了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的力反饋遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，并在此基礎(chǔ)上提出和分析了基于虛擬預(yù)測(cè)環(huán)境誤差補(bǔ)償?shù)目刂品椒āＭ瑫r(shí)，通過(guò)構(gòu)造了系統(tǒng)的李亞普諾夫函數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件作了進(jìn)一步分析。最后，分析了系統(tǒng)基于虛擬現(xiàn)實(shí)誤差補(bǔ)償控制方法的透明性條件。 本文結(jié)合國(guó)家航天863項(xiàng)目“空間遙操作機(jī)器人虛擬預(yù)測(cè)環(huán)境的建模與控制”，建立了一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)的單自由度力覺臨場(chǎng)感遙操作系統(tǒng)，針對(duì)質(zhì)量．彈簧．阻尼環(huán)境模型