基于外骨骼技術(shù)的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制.pdf

1、本文的主要工作是對基于外骨骼的遙操作系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了探索性研究.機(jī)器人遙操作系統(tǒng)的本質(zhì)是人機(jī)之間,以及機(jī)器設(shè)備之間的協(xié)同,合作,而Internet技術(shù)代表的是開放,分布式和互聯(lián).在Internet時代,如何構(gòu)造更好的遙操作軟件平臺以適應(yīng)遙操作系統(tǒng)主客體日益發(fā)展變化的性能對于遙操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究至關(guān)重要.因此,本論文拋棄了傳統(tǒng)的基于B/S或者C/S模式的系統(tǒng)架構(gòu),而采用目前比較先進(jìn)的對等網(wǎng)技術(shù)實(shí)了一種基于P2P分布式網(wǎng)絡(luò)模型的模

2、塊化可重用的遙操作系統(tǒng)框架.該框架以資源的動態(tài)發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ),以XML作為模塊和資源的本體描述方法,以事件和管道作為子系統(tǒng)間底層通訊平臺,實(shí)現(xiàn)了模塊間以及各個子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)工作,從而使得整個遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運(yùn)行在一個動態(tài)的、協(xié)同的、并行的、有實(shí)時控制要求的環(huán)境中.外骨骼以其卓越的人機(jī)信息耦合能力,成為實(shí)現(xiàn)該遙操作系統(tǒng)的關(guān)鍵,而難點(diǎn)在于其機(jī)構(gòu)的設(shè)計.在分析現(xiàn)有的外骨骼機(jī)構(gòu)形式和特點(diǎn)后,本文提出了采用"并聯(lián)三自由度機(jī)構(gòu)"+"四連桿機(jī)構(gòu)"+

3、"并聯(lián)三自由度機(jī)構(gòu)"來實(shí)現(xiàn)外骨骼的"肩"、"肘"和"腕"等關(guān)節(jié),以氣缸為驅(qū)動元件的設(shè)計方案.相比其他外骨骼,該機(jī)構(gòu)具有重量輕,可穿戴性強(qiáng),操作靈活等優(yōu)點(diǎn).本文在分析并聯(lián)三自由度機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上建立了其運(yùn)動學(xué)正、逆解方程及其雅克比矩陣計算公式,并利用這些方程和公式計算出了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間和靈活工作空間.通過分析并聯(lián)機(jī)構(gòu)主要機(jī)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)動副限制條件與機(jī)構(gòu)運(yùn)動空間和機(jī)構(gòu)運(yùn)動靈活性之間的關(guān)系,得到了設(shè)計并聯(lián)機(jī)構(gòu)的幾個原則,并在此原則的

4、指導(dǎo)下,設(shè)計加工出了氣動手臂外骨骼的原型機(jī).以Internet為信息媒介的遙操作系統(tǒng)中,由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸存在的不穩(wěn)定時延對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大.為了在根本上解決系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題,本文采用了基于非時間參量的控制和協(xié)調(diào)方法,并對其進(jìn)行了拓展,發(fā)展出了一種基于非時間參量的" 混合"控制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)并利用該方法成功的實(shí)現(xiàn)了對遠(yuǎn)程機(jī)器人的實(shí)時控制.由于外骨骼信息耦合的雙向性,雙向控制是帶有反饋的遙操作系統(tǒng)的基本控制結(jié)構(gòu),其通常是以〈速度、力〉的

5、形式進(jìn)行耦合的.然而對于遙操作系統(tǒng)而言,由于網(wǎng)絡(luò)中的不穩(wěn)定時延,采用力反饋極易導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定以及反饋效果變差.本文提出了以位置反饋取代力反饋,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和良好的反饋效果,而外骨骼位置閉環(huán)控制的實(shí)現(xiàn)以及外骨骼與人體力耦合的本質(zhì)特性使得操作者仍然可以通過施加力來控制遠(yuǎn)程機(jī)械手,保證了操作過程的真實(shí)感和控制效果.最后,本論文對外骨骼遙操作系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)綜合和實(shí)驗(yàn)研究,建立了外骨骼遙操作系統(tǒng)的軟硬件平臺,并建立了單自由度的外骨骼遙操作