空間遙操作機(jī)器人虛擬預(yù)測(cè)環(huán)境建模技術(shù)研究.pdf

1、工作在交互方式下的空間遙操作機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)空間危險(xiǎn)和未知環(huán)境下作業(yè)的有力手段。但是，空間站內(nèi)的遙操作機(jī)器人與地面控制站中的操作者之間信號(hào)雙向傳輸存在較大的時(shí)延，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性。基于虛擬預(yù)測(cè)環(huán)境的控制技術(shù)是解決時(shí)延對(duì)系統(tǒng)影響的有效手段，然而這種方法的有效性依賴于環(huán)境模型的精度，虛擬環(huán)境的建模誤差對(duì)空間遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的不良影響將隨時(shí)延的增大而加劇。 為了解決空間遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中的時(shí)延問題，本文結(jié)合國(guó)家航天863項(xiàng)

2、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”的需要，對(duì)空間遙操作機(jī)器人的虛擬預(yù)測(cè)環(huán)境建模技術(shù)、虛擬環(huán)境模型在線修正技術(shù)、通訊時(shí)延以及圖形圖像融合等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了理論研究和實(shí)驗(yàn)研究。首先深入分析了空間遙操作機(jī)器人工作環(huán)境的圖形建模和動(dòng)力學(xué)建模特點(diǎn)，以及環(huán)境的幾何模型和動(dòng)力學(xué)模型的相互依存和影響關(guān)系、虛擬環(huán)境幾何參數(shù)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)的協(xié)同關(guān)系，認(rèn)為虛擬環(huán)境的動(dòng)力學(xué)模型與幾何模型必須協(xié)調(diào)一致，才能更好地滿足基于虛擬預(yù)測(cè)環(huán)境的空間機(jī)器人遙操作；提

3、出了利用視覺、位置和力覺等多傳感器信息建立工作環(huán)境的虛擬幾何模型：首先由環(huán)境的先驗(yàn)知識(shí)和在線檢測(cè)的視覺信息初始化環(huán)境的幾何模型，然后緩慢運(yùn)動(dòng)從手，虛擬環(huán)境根據(jù)接收到的遠(yuǎn)地力和位置信息對(duì)幾何模型進(jìn)行校驗(yàn)，保證虛擬預(yù)測(cè)環(huán)境初始幾何模型的準(zhǔn)確性；將從機(jī)械手與環(huán)境作用過程分為碰撞、穩(wěn)定接觸和離開三個(gè)階段，對(duì)空間遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分區(qū)描述；提出一種新的計(jì)算虛擬預(yù)測(cè)力的方法，把圖形更新和虛擬力計(jì)算分在兩個(gè)不同的回路進(jìn)行，使虛擬力計(jì)算不

4、受圖形更新速度的影響，提高了虛擬預(yù)測(cè)力反饋的頻率。為了提高虛擬環(huán)境模型的精確性，提出一種新的畸變校正和虛實(shí)注冊(cè)方法，將虛擬環(huán)境模型疊加在遠(yuǎn)地視頻圖像上，在同一窗口同時(shí)觀察命令在遠(yuǎn)地真實(shí)工作環(huán)境和虛擬環(huán)境中的執(zhí)行情況，比較二者的差別以便對(duì)虛擬環(huán)境幾何模型進(jìn)行在線修正；根據(jù)力和位置等反饋信息，利用滑動(dòng)平均最小二乘法辨識(shí)環(huán)境的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，用于修正虛擬預(yù)測(cè)環(huán)境的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境動(dòng)力學(xué)模型的在線修正，提高虛擬預(yù)測(cè)力反饋的準(zhǔn)確性。 本

5、文在理論分析的同時(shí)，根據(jù)空間環(huán)境微重力的特點(diǎn)，建立了基于虛擬預(yù)測(cè)環(huán)境的單自由度主從式空間遙操作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有視覺和力覺反饋功能。在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上針對(duì)質(zhì)量-彈簧-阻尼環(huán)境，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了基于虛擬預(yù)測(cè)環(huán)境的遙操作實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)主從手的遠(yuǎn)程控制，對(duì)理論分析結(jié)果和所提出的虛擬預(yù)測(cè)環(huán)境建模算法進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明本文所提出的方法有效地減小了時(shí)延對(duì)空間遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的不良影響，在時(shí)延為0～30秒(雙向時(shí)延)內(nèi)具有良

6、好的力和位置跟蹤，虛擬環(huán)境模型的參數(shù)能夠在線修正，虛擬預(yù)測(cè)力反饋誤差小于5％F.S.。 本文的研究不僅促進(jìn)了虛擬預(yù)測(cè)環(huán)境技術(shù)的理論研究，而且在一定的時(shí)延范圍內(nèi)較好地解決空間遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中通訊時(shí)延影響的難題。本文的研究工作和研究結(jié)果為研制高效率、高操作精度的空間遙操作機(jī)器人系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，對(duì)空間機(jī)器人遙操作具有一定的指導(dǎo)意義，為高性能的空間遙操作機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用提供了技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑。可以預(yù)計(jì)：基于虛擬預(yù)測(cè)環(huán)境技術(shù)的遙操作機(jī)器人系