力覺臨場感的應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、臨場感技術(shù)是八十年代隨著遙控機器人的發(fā)展根據(jù)遙控作業(yè)的需要而提出的與交互技術(shù)密切相關(guān)的新概念，它通過各種傳感器測得遙遠處從機械手與環(huán)境的各種信息，包括從機械手與環(huán)境的圖象信息、從機械手與環(huán)境作用的力覺信息、觸覺信息、運動覺信息，并反饋給本地操作者處，而在本地通過一定的裝置再現(xiàn)出遙遠處的各種信息，使操作者產(chǎn)生身臨其境的感覺。力覺臨場感技術(shù)是臨場感技術(shù)的主要形式之一，對遙控作業(yè)的完成有著重要的意義。由于臨場感技術(shù)可極大地提高遙控機器人的作業(yè)

2、能力，因而美國、日本、德國等技術(shù)先進國家相繼投入了大量的力量從事臨場感技術(shù)和臨場感系統(tǒng)的研究。我國在這方面的研究剛剛起步，開展研究具有臨場感性能的遙控機器人，無論對太空、原子能、深海等具體應(yīng)用，或?qū)ξ覈s超世界尖端技術(shù)均有著十分重要的意義。 本文結(jié)合課題組申請的國家863智能機器人傳感器網(wǎng)點實驗室的有關(guān)課題，就力覺臨場感遙控機器人系統(tǒng)的本質(zhì)和實際工程實現(xiàn)展開深入的研究。在力覺臨場感方式下，作為其主要輔助信息源的視覺臨場感或現(xiàn)場的

3、計算機輔助視覺顯示方式是必不可少的，否則操作者難以形成現(xiàn)場環(huán)境的總體印象。分析了力覺臨場感系統(tǒng)的一般構(gòu)成方法，給出了每個子系統(tǒng)的動力學(xué)模型。為整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析及系統(tǒng)設(shè)計提供了基礎(chǔ)。然后回顧了幾種典型的操作者動力學(xué)模型，首次提出了適用于力覺臨場感系統(tǒng)分析與設(shè)計的基于任務(wù)的操作者五級級聯(lián)動力學(xué)模型。并對提出的通用操作者五級級聯(lián)動力學(xué)模型進行了簡化分析，得出了更具實用價值的簡化形式，為后面的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。實際使用中存在著這樣的任務(wù)，單純

4、的臨場感操作或單純的自主機器人控制都難以解決，因此很有必要建立一種人機系統(tǒng)來克服各自不足，一方面要充分發(fā)揮人的智慧，另一方面也要充分提高從端局部自動化的程度，從而提高整個遙控機器人的系統(tǒng)性能。智能遙控機器人就是在臨場感系統(tǒng)中增強系統(tǒng)的自主智能，由操作者和自主智能模塊共同控制從手的運動，達到減輕操作者的負擔(dān)和補償自主智能不足的目的。本文提出了一種簡單而實用的控制結(jié)構(gòu)——構(gòu)造式虛擬力反饋，融合人機智能，以取得較好的性能。構(gòu)造式虛擬力反饋旨在

5、提供操作者一種從臂對控制命令響應(yīng)的直觀性和自然的感覺。構(gòu)造式虛擬力反饋可以實現(xiàn)一種按照從臂的位置誤差和接觸力定義的新的運動學(xué)耦合。本文詳細討論了構(gòu)造式虛擬力反饋的實現(xiàn)方法并給出了系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。由于人的感知能力是有一定的頻率、大小范圍限制的，外界的信號(如力等)超過一定的范圍，人就無法承受或感知不到，必須把這類信號轉(zhuǎn)換到操作者易于接受的范圍，操作者才能正確感知并作出決策。本文給出了比率遙操作系統(tǒng)的系統(tǒng)模型，定義了比率遙操作系統(tǒng)的理想響應(yīng)

6、，導(dǎo)出了實現(xiàn)理想響應(yīng)的條件，提出了實現(xiàn)理想響應(yīng)的控制策略和實際控制策略，介紹了魯棒穩(wěn)定性分析方法。最后給出了比率遙操作系統(tǒng)感覺最優(yōu)的定義，并設(shè)計了控制策略，進行了穩(wěn)定性分析。 在機器人系統(tǒng)中，通過傳感器可以獲知自身及外界環(huán)境信息。經(jīng)常需要利用多個傳感器的信息，經(jīng)融合處理，以獲得比單一傳感器所能提供的更為可靠的信息。本文詳細討論了分散式濾波器結(jié)構(gòu)，融合系數(shù)的計算；通過引入Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以提高主從濾波器組尋優(yōu)融合算法的計