刘冬雨[1]2010年在《面向卫星在轨维护的机器人臂/手遥操作的研究》文中提出利用空间机器人代替宇航员进行太空作业,不仅可以使宇航员避免在恶劣太空环境中作业时可能受到的伤害,还可以降低成本、提高空间探索活动的效率。受计算机、控制、人工智能和机构等关键支撑技术发展水平的制约,目前研制出在空间环境下完全自主工作的机器人还很难实现。因此,切实可行的方法是利用人的智能进行高层次的任务规划和命令设计,采用地面遥操作空间机器人的方式完成空间作业。本文针对卫星在轨维护任务,建立了地面遥操作演示平台,对基于虚拟现实和基于Smith预估的空间机器人遥操作进行了研究。本文首先建立了面向卫星在轨维护的遥操作机器人臂/手系统的模型。建模主要分为两部分:几何模型的建立和数学模型的建立。在建立几何模型时,本文采用Pro/E建模,再利用VC++和Open Inventor进行装配。对于机器人系统的数学模型,本文主要分析了运动学和静力学。运动学是进行机器人控制的基础,文中对空间机器人和灵巧手的正逆运动学进行了详细的分析。静力学是分析机器人交互力作用的基础,本文使用构造性的微分变换法给出了空间机器人的力雅可比。建立了一套卫星在轨维护地面遥操作的演示实验平台。设计了基于虚拟现实的人机交互软件,将空间鼠标、力反馈手柄、力反馈数据手套等遥操作设备集成到实验系统中。建立了基于网络通信的机器人遥操作系统框架,利用人为增加时延的方法,使操作者通过网络模拟地面遥操作空间机器人的大时延情况。采用基于虚拟现实的预测显示技术,有效克服了大时延对遥操作中视觉临场感的影响。介绍了虚拟现实技术,并进行了销孔装配遥操作实验。实验中使用机器人的实体几何模型实现预测仿真,消除时延对操作者视觉临场感的影响;利用反馈的机器人实际位置传感信息,在虚拟环境下构建了机器人的反馈场景,克服了低带宽对流畅的视频流传输的限制,使操作者直观感知远端实际状态。采用基于Smith预估和在线辨识修正的控制结构,有效克服了大时延对遥操作中力觉临场感的影响。建立了通用的接触环境模型,给出其参数辨识的方法,并结合拉弹簧遥操作实验对模型辨识方法进行了简化。详细地分析了时延条件下双向遥操作不稳定的原因,使用Matlab对提出的控制方法的稳定性进行了仿真,分析了遥操作系统的透明性。最后,通过拉弹簧实验验证了上述理论。
熊友军[2]2005年在《基于增强现实的遥操作关键技术研究》文中认为由于现有的人工智能的局限性,在可以预见的相当长一段时间内还不能满足特定环境中的智能设备的安全有效的全自主作业,这使得智能设备的发展方向从早期的全自主方式向有人参与的方向发展,将人的智能同智能设备的自主性能有机的结合起来,形成了现在的遥操作系统。遥操作系统可以拓展人类的感知和操作能力,代替人类在危险、恶劣以及极限环境下的完成作业任务,因而在诸多领域具有广阔的应用前景,是当前的一个重要前沿课题和研究热点。增强现实技术是一种高级的人机交互技术,具有实时注册、虚实结合、人机交互叁个特点。本文针对遥操作系统的通讯时延,提出将增强现实技术引入到遥操作系统中提高系统的可操作性和安全性。围绕系统中的增强现实的遥操作环境的构建问题、友好人机交互技术问题、遥操作的预测控制技术及网络时延等展开了研究,主要研究内容如下:针对遥操作中对未知远程环境的先验知识匮乏或非结构化环境建模困难,提出了一种基于视觉的增强现实跟踪注册方法,构建了增强现实的遥操作系统; 对影响注册精度的相机径向畸变进行了研究,提出了一种改进算法,提高了注册精度。研究了基于头盔显示器的立体视觉显示原理,为遥操作者提供具有临场感的视觉反馈。为了改善遥操作的可操作性,研究了操作者——虚拟执行机构的多通道人机交互技术。提出了一种基于数据手套的手势输入技术,设计了手势输入的数据手套接口组件; 研究了基于位置跟踪技术的机械臂的控制技术,实现了基于鸟群电磁跟踪系统的虚拟执行机构的控制; 研究了虚拟手建模和人手到虚拟手的运动映射关系,提出了一种虚拟手的人机交互技术,并采用数据手套、FOB鸟群传感器、虚拟手技术等建立了操作者-虚拟执行机构的多通道的人机交互,提高了系统的可操作性。对典型的网络遥操作系统的时延进行了分类,研究了各类时延产生的机理,建立了遥操作的网络时延模型,分析了时延对遥操作的视觉、力觉反馈、操作安全性和可操作性的影响。进行了大量网络时延测试实验并在此基础上对网络时延模型进行了修正,为遥操作的预测控制提供参考。遥操作中的时延问题使得操作者不能获得实时的操作反馈,操作者基于时延的反馈信息遥操作,一方面易造成操作疲劳,另一方面对系统动态响应性差,易造成误操作。为了提高系统的安全性,提出了增强现实环境中的遥操作预测控制技术,
王建超[3]2007年在《基于虚拟现实的机器人遥操作系统设计》文中研究指明在危险、恶劣以及人类难以到达的环境中作业时,机器人可以作为人类智能的延伸,拓展人的感知和操作能力。由于现有的人工智能的局限性,实现机器人安全有效的全自主操作还不现实,因此本文将人的智能同机器人的自主性有机的结合起来,深入研究基于虚拟现实的机器人遥操作系统。虚拟现实技术是一门新兴的学科,是迄今为止最强的人机接口技术。将虚拟现实技术引入机器人遥操作系统,不仅增强了远端执行机构的作业能力,也拓展了设备的应用领域,使操作者能安全舒适的操纵机器人完成任务。本文在国家863计划项目“极限环境下面向危险品检测的多感官机器人系统”(2006AA04Z221)的支持下,主要开展了以下几方面的研究:1.在分析典型的遥操作控制方式的基础之上,提出了本系统的控制思想,即利用虚拟现实技术在遥控端设计一个在结构和功能上与真实机器人相对应的虚拟机器人,通过对虚拟机器人的控制实现对真实机器人的遥操作,并建立了系统的分层控制模型。2.在信息传输系统的设计中,将信息分为视频信息和非视频信息两类,采用两路并传的方式来提高传输速度。非视频信息主要包括控制指令、机器人的环境和位姿信息等,采用TCP/IP协议在符合IEEE802.11b规范的WLAN上传输;视频信息利用工作在223~235MHz频段的数传电台传输,并利用多缓冲区、多线程技术提高了视频传输质量。由于在传输过程中,通信延迟不可避免,本部分分析了通信延迟产生的原因和类型,并在实验室环境下对通信延迟进行了模拟,给出了解决方法。3.在系统的实现部分,在分析了真实机器人的硬件组成和控制结构的基础上,建立了机器人的运动学模型和几何模型,利用OpenGL和Visual C++构建了虚拟环境,使用双投影仪系统和数据头盔实现了立体成像,通过佩戴数据手套实现了方便、自然的人机交互。
朱猛[4]2008年在《基于虚拟现实的临场感遥操作工程机器人系统研究》文中研究说明本文在分析国内外临场感遥操作机器人系统的基础上,设计了一种基于虚拟现实的临场感遥操作工程机器人系统。该系统采用主从操作方式,在系统主端建立工作现场的虚拟操作仿真环境为操作者提供临场感,使用力反馈操纵杆对从端的四自由度电液伺服工程机械手进行控制。主从端之间使用Internet作为控制信息与反馈信息的通信工具。系统工作时,工作现场端机械手上的位移传感器采集其位姿信息,同时立体视觉系统采集被操作物体的特征点坐标信息,这些信息通过Internet传输给主端的虚拟仿真环境,更新虚拟仿真环境中机械手及被操作物体的状态,以此作为系统的视觉反馈。从机械手上安装的压力传感器检测的机械手工作阻力信息经过相应的力反馈控制算法计算得到反馈力,并通过Internet传输给力反馈操纵杆,以此作为系统的力觉反馈。这种基于虚拟现实的遥操作方式与以现场图像作为视觉反馈的遥操作方式相比,能够大大地减小视觉反馈的时延,和实现视觉反馈与力觉反馈的同步。与基于虚拟预测环境技术进行预操作的遥操作方式相比,能够提供更真实的视觉反馈,避免了因视觉反馈不真实而造成的操作准确度不佳或操作失误。试验结果显示本系统的视觉反馈方式能够有效地减小遥操作系统中的时延,在实验室局域网的随机网络时延的情况下操纵杆具有符合实际情况的力反馈效果,并且操纵杆、真实机械手和虚拟机械手之间的位置同步性能良好,证明了本系统方案的可行性及有效性。
蒋再男[5]2009年在《基于虚拟现实与局部自主的空间机器人遥操作技术研究》文中研究指明利用空间机器人代替宇航员进行太空作业,不仅可以使宇航员避免在恶劣太空环境中作业时可能受到的伤害,还可以降低成本、提高空间探索活动的效率。由于空间工作环境非结构化及工作任务多变的特点,同时受计算机、控制、人工智能和机构等关键支撑技术发展水平的制约,目前研制出在空间环境下完全自主工作的机器人还很难实现。因此,切实可行的方法是充分利用人的智能进行高层任务规划,采用地面遥操作空间机器人的方式完成空间作业。本文针对卫星在轨维护任务,建立了卫星自维护的地面遥操作演示平台,对基于虚拟现实和局部自主的空间机器人遥操作进行了研究。本文建立了一套卫星在轨自维护的地面遥操作演示系统。利用人为增加时延的方法,位于武汉的操作者通过Internet遥操作位于哈尔滨的机器人完成卫星维护任务,模拟了地面遥操作空间机器人的大时延情况,并利用虚拟现实技术实现了叁维图形预测显示,有效地克服了大时延对遥操作的影响。利用反馈的机器人实际位置和视觉识别操作对象结果,在虚拟环境下重新构建了虚拟的实际机器人和操作对象场景,有效地克服了低带宽对流畅视频传输的限制,使操作者直观形象地感知远端实际状态。在遥操作的主操作端,遥操作的操作安全性与操作性能之间是互斥的。手动操作的操作性能差但处理异常能力(安全性)强,离线任务规划的操作性能好但处理异常能力差。本文提出了在主端利用柔性虚拟夹具方法辅助遥操作,通过柔性系数调节机器人倾向于理想运动方向的程度,有效地将离线任务规划与操作者手动控制结合起来,在遥操作的安全性与操作性能之间进行折衷,保证了遥操作的操作精度与异常处理能力。并在此基础上,将虚拟力反馈、颜色识别及虚拟厚度方法融合到柔性虚拟夹具中,进一步提高了操作性能。在遥操作的从机器人端,实现了基于关节位置、关节力矩、腕力传感器和视觉的多传感器机器人局部自主功能,提高了机器人的智能水平。在自由运动阶段,采用基于视觉的机器人最优接近速度控制。在约束运动阶段,针对空间机器人经常与高刚度环境接触情况,基于力外环思想,本文提出了基于阻抗内环的力跟踪方法,对比实验证明该方法保证了机器人与高刚度环境接触时较好的力控制性能。基于虚拟现实遥操作的前提是虚拟模型与实际场景的一致性。然而,受空间环境变化及传感器测量误差等影响,虚拟模型与实际场景之间存在着不可避免的模型误差。本文将模型修正法与机器人的控制方法结合起来,一方面在遥操作主端利用反馈的机器人实际位置和视觉识别结果分别对虚拟机器人和虚拟操作对象的位姿进行修正,尽可能地减小虚拟模型与实际场景的差别;另一方面,对于仍残存的模型误差,在从机器人端采用对模型误差具有一定的鲁棒性的阻抗控制、混合阻抗控制方法,进一步消除残存的模型误差。实验证明了该方法能够消除模型误差对遥操作的影响。在本文的最后,对于结构化空间环境,采用基于虚拟现实的遥操作方式克服了约14秒的大通讯时延对遥操作的影响,顺利地完成了打开卫星天线的卫星维护任务。对于存在误差的非结构化空间环境,分别进行了打开卫星太阳能帆板和擦拭卫星镜头的两个典型卫星维护遥操作实验,克服了模型误差对遥操作的影响,验证了本文提出的空间机器人遥操作方法的正确性和有效性。
李焱[6]2002年在《大时延遥操作技术及虚拟现实技术研究》文中研究指明大时延遥操作技术是空间机器人领域的一项关键技术。大时延遥操作的一个核心问题是如何在大时延和有限带宽的条件下，保证遥操作的平稳性，同时提高遥操作的透明性。为了解决这一问题，本文的基本思想是利用机器人的局部自主能力，把时间延迟排除在底层控制回路之外，保证遥操作的平稳性；同时，利用基于虚拟现实的人机接口技术提高遥操作的透明性。碰撞检测技术是虚拟现实应用中的一项关键技术，对于复杂虚拟环境，碰撞检测往往成为系统的计算瓶颈。本文针对遥科学实验应用，对多体快速碰撞检测技术进行了研究。本文的主要研究内容分为叁个部分：大时延遥操作系统框架研究、遥编程技术研究，以及快速碰撞检测技术研究。 为了建立灵活的人机协调机制，本文基于监控思想，提出了一个基于Petri网的大时延遥操作系统框架。该框架涵盖了任务建模、任务协调，以及任务监控等几个方面；本文研究了基于Petri网的的任务建模方法。针对自由运动，提出了一个基于路径关键点提取的动作级任务建模方法；针对复杂任务，提出了一个根据子任务的Petri网系统模型，通过变迁细化方法建立任务的分层Petri网模型的方法；本文提出了一个基于Petri网的任务协调方法，该方法根据任务空间的谓词/变迁网描述，通过状态识别和动作识别，实现了从操作员的连续动作到任务的动作序列的转化。 本文对遥编程所涉及的一些关键技术，包括：虚拟预测仿真、程序自动生成，以及误差校正，进行了研究。本文实现了一个遥编程系统，并基于遥编程建立了一个大时延遥操作试验系统。进行了典型的大时延遥操作仿真试验，成功完成了高精度遥操作任务。 本文研究了基于空间分割的快速碰撞检测方法，其中包括：基于均匀空间分割的快速碰撞检测和基于非均匀空间分割的快速碰撞检测。提出了一种基于均匀空间分割的快速碰撞检测算法USSCD，与经典的ICOLLIDE算法进行了对比试验，试验结果表明，在物体均匀分布的情况下，随物体数量的增多，USSCD表现出明显的优势；提出了一类非均匀空间分割方法，在该方法中，空间分割由基于密度的非均匀空间分割和对每个子空间进行均匀分割两个步骤实现；提出了一种基于投影的非均匀空间分割方法。在该方法中，通过物体的轴向投影直方图表征空间分布密度，通过区域生长实现空间分割；提出了一种基于聚类的自适应空间分割方法。该方法由两个部分构成，首先，通过一个基于局部密度的聚类算法对物体进行聚类；然后，根据聚类结果，通过简化分割方法实现空间分割。
周赟[7]2007年在《基于虚拟现实的机械臂遥操作系统研究》文中进行了进一步梳理遥操作系统可以拓展人类的感知和操作能力,代替人类在危险、恶劣以及极限环境下的完成作业任务。由于互联网的通用性、交互性和经济性,以互联网为通讯媒介的遥操作技术成为研究的一个前沿课题。本文讨论和构建了基于虚拟现实的机械臂遥操作系统体系结构,规划设计了各个组成模块的功能。对常用的叁维建模方法进行了阐述。然后针对机械臂进行建模,包括几何建模和运动学建模。研究了虚拟场景的组成,介绍了虚拟场景的开发环境,阐述了本系统虚拟场景的构建方法。分析了虚拟环境的构成特点,具体剖析了虚拟环境的树形场景结构、场景中运动和关节运动实现机制、以及碰撞检测的思想与算法流程等。网络时延的存在为遥操作系统的感知和控制带来了许多问题,本文对网络时延进行了测试和分析,对典型的网络遥操作系统的时延进行了分类,分析了时延对遥操作的安全性和可操作性的影响。预测显示是克服基于网络的遥操作系统中网络传输时延的不确定性关键技术之一。本文提出了一种基于时间和位置的预测显示方式,根据当前状态和反馈回的轨迹点,对远端的机械臂状态进行预测,并在叁维仿真场景中显示。最后,构建了基于虚拟现实的机械臂遥操作系统的原型系统,并在此基础上分别作了实验验证,实验结果说明基于虚拟现实的遥操作及预测显示能较好的克服时延对遥操作性能的影响,提高了遥操作效率。
雷振伍[8]2004年在《大时延遥操作的叁维预测显示及力反馈控制研究》文中研究表明本文以美国ROCKY7行星探测机器人为原型，初步研究了预测显示技术的基本实现方法，对滑模控制在带时延主从控制系统中的应用作了大量的仿真及实验研究。仿真结果表明，基于阻抗—滑模控制器的主从系统能有效降低系统对通讯延迟的敏感性，对变化的时延同样具有鲁棒性。目前，探测和开发月球已成为人类最重要的活动之一。为完成月球表面的探测任务，月球探测车是不可缺少的探测工具和手段。通过月球探测车在月球表面的探测活动，人们可以获取月球表面的环境资料，收集月球表面的岩石和土壤标本，为载人登月打下基础，并为月球基地的建立提供技术保障。月球车遥操作中最主要的问题是空间与地面通信中的时间延迟以及有限的数据传输带宽。通信延迟包括遥控指令的延迟和遥测信号的延迟，主要是由光传播速度造成的。时延使连续遥操作闭环反馈控制系统变得不稳定。目前，3D 预测仿真图形是解决大时延遥操作的主要方法，为此需建立月球车和月球环境的预测仿真图形显示系统，在良好人机界面的条件下进行遥操作。同时，双向控制策略能给予操作者力觉临场感，尤其适用于操作任务较复杂的主从控制系统，所以对双向控制方法的研究也十分必要。本文不仅研究了叁维可控建模的方法，对双向控制技术也进行了深入的剖析。本文首先介绍了遥操作技术的研究背景及意义，综述了遥操作技术的研究方向和研究现状，其中重点阐述了预测显示技术和双向控制技术。对于各种技术之间存在的相同点和不同点，文章做了概括性的分析，并将它们分为两大类，即基于模型类和基于双向控制类。<WP=67>然后介绍了月球表面探测的关键性问题，详细阐述了月球车共享控制的基本思想。对月球车远程控制系统的结构进行了深入的分析。根据基于模型和基于双向控制两种控制方式的优缺点，提出了一种新的控制策略，通过在主端增加一个“参考机器人”，操作者与“参考机器人”构成延迟较小的主从控制系统，有效降低了系统对模型的依赖程度，同时操作者的力觉临场感得到显着增强。本文还提出了基于遥编程和基于阻抗—滑模的两种控制结构。其中前者属于基于模型控制范畴，而后者属于双向控制策略。接着阐述了3D预测显示技术的基本思想，提出了一种叁维可控模型的实现方法，这种方法先在3DSMax环境建立对象的叁维静态模型，然后将叁维图像转化为stl文件。读取stl文件的数据信息并写入VC程序，通过OpenGL提供的函数实现对叁维模型的控制。同时还设计了预测显示界面的人机交互模块，利用MFC类库编写VC程序实现人与月球车的人机交互。最后对双向控制系统存在的透明度和稳定性问题，利用无源理论对两者进行了理论分析。分析结果表明带时延的双向控制系统与有源二端口网络相对应，控制系统因而不稳定。在系统阐述滑模控制基本理论后，提出了一种主端阻抗控制，从端滑模控制的双向控制策略。其中阻抗控制器能够柔顺操作者发出的控制力，而滑模控制器将通讯延迟作为系统结构的 一个变化参数，抵消系统延迟的影响。仿真结果表明，基于阻抗—滑模的双向控制方法能有效增强系统对时延的不敏感性，系统的透明度也有不错的表现。
陈圣旺[9]2012年在《基于模型校正的空间机器人遥操作技术研究》文中进行了进一步梳理当前，利用空间机器人对在轨飞行器进行维护等的需求随着空间活动的增加而变得更急迫。因受到计算机、人工智能等关键技术发展水平的限制，还无法实现完全自主地让空间机器人来完成在空间环境下的任务。因此，在原有机器人的智能基础上加上人的智能的空间机器人遥操作是完成当前各种空间任务的有效手段。本文研究了机器人运动学参数辨识的方法，同时搭建了一套遥操作地面实验平台，以验证手控器能稳定可靠操控机器人及虚拟现实技术可以有效解决时延问题。叁维预测仿真图像系统的搭建是用Pro/E建模，之后将模型3dMax中进行运动关系的定义，最后在VC++和OSG环境下对虚拟场景进行渲染处理。叁维预测仿真图像系统是为操作者提供没有时延的机器人运动视觉信息，同时该系统具有为机器人运动提供碰撞检测信息和一些条件下的虚拟夹具。机器人运动学参数辨识采用了最小二乘算法和PSO算法，对两种算法的辨识结果进行对比，以确定两种算法分别的辨识效果及适用范围。在遥操作地面实验平台上，手控器作为遥操作主端机械臂，其给出从端机械臂运动的位姿量，借助于运动学逆解解得机械臂六个关节的角运动量。逆解得到的六个关节运动量直接传给叁维预测仿真图像系统，让其预测机器人的运动情况，而从端机械臂接收到的是有延时的六个关节角的转动量，从端机械臂在运动的同时将与工作环境交互的力信息反馈回主端的手控器。本文最后通过带时延的遥操作插孔实验来验证上述理论和搭建系统的可靠。
董德尊[10]2004年在《大时延遥操作机器人接触作业的遥编程技术研究》文中指出空间机器人遥操作技术的一个关键问题是,在大时延和有限带宽的条件下,保证遥操作机器人进行安全高效的接触作业。本文研究的是通过遥编程控制技术解决这一问题,为此,本文研究了基于传感器事件的任务监控技术,复杂任务的离散事件建模和在不确定环境中的接触状态识别,设计了基于遥编程的大时延遥操作试验系统。 本文对精密插方孔装配设计了一种基于Petri网的离散事件建模方法,并对方法进行了实验验证,该方法有助于大时延遥操作的时延隐藏,提高系统的效率。接触作业状态监控的关键问题是接触状态识别,本文提出了一种利用力/位置感知信息,同时考虑环境不确定因素的情况下,识别平面操作过程中接触格式的新方法,并通过实验验证了方法的有效性。 本文设计并实现了一个基于遥编程的大时延遥操作客户端系统。操作员能够面向虚拟环境离线编程,从而实现对遥操作任务的预演。同时基于遥传感器反馈信息的识别,实现了对远端任务执行进程的监控和状态流图显示。在模拟的大时延情况下,操作员能够在客户端通过局域网控制实验室中的机器人完成精密插孔装配等任务。
参考文献：
[1]. 面向卫星在轨维护的机器人臂/手遥操作的研究[D]. 刘冬雨. 哈尔滨工业大学. 2010
[2]. 基于增强现实的遥操作关键技术研究[D]. 熊友军. 华中科技大学. 2005
[3]. 基于虚拟现实的机器人遥操作系统设计[D]. 王建超. 河北工业大学. 2007
[4]. 基于虚拟现实的临场感遥操作工程机器人系统研究[D]. 朱猛. 吉林大学. 2008
[5]. 基于虚拟现实与局部自主的空间机器人遥操作技术研究[D]. 蒋再男. 哈尔滨工业大学. 2009
[6]. 大时延遥操作技术及虚拟现实技术研究[D]. 李焱. 国防科学技术大学. 2002
[7]. 基于虚拟现实的机械臂遥操作系统研究[D]. 周赟. 华中科技大学. 2007
[8]. 大时延遥操作的叁维预测显示及力反馈控制研究[D]. 雷振伍. 吉林大学. 2004
[9]. 基于模型校正的空间机器人遥操作技术研究[D]. 陈圣旺. 哈尔滨工业大学. 2012
[10]. 大时延遥操作机器人接触作业的遥编程技术研究[D]. 董德尊. 国防科学技术大学. 2004
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