移動操作機(jī)器人及其共享控制的力反饋遙操作研究.pdf

1、移動操作機(jī)器人相比于固定操作機(jī)器人具有更大的操作空間和更強(qiáng)的操作靈活性，成為機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方向之一。機(jī)器人借助傳感器完全自主的完成指定的作業(yè)任務(wù)，特別是極限環(huán)境下的作業(yè)任務(wù)是智能機(jī)器人研究的最終目標(biāo)。限于目前的科技水平，機(jī)器人很難完全自主的完成所有作業(yè)任務(wù)。將機(jī)器人的局部自主與網(wǎng)絡(luò)遙操作相結(jié)合，組成基于共享控制方式的遙操作系統(tǒng)，實現(xiàn)人機(jī)智能的結(jié)合能極大的提高機(jī)器人實現(xiàn)復(fù)雜、動態(tài)、極限作業(yè)任務(wù)的能力?；诠蚕砜刂品绞降囊苿硬僮鳈C(jī)器人

2、遙操作系統(tǒng)研究的幾個重要問題包括移動操作機(jī)器人研制、提高移動操作機(jī)器人自主能力的方法研究和輔助操作者提高操作效率的方法研究。本文針對這幾個方面，首先研制一臺移動操作機(jī)器人，然后從提高機(jī)器人自主性方面研究該機(jī)器人的自主運(yùn)動規(guī)劃方法，最后從輔助操作者提高操作能力方面研究了移動車和操作臂的時延力反饋遙操作控制問題。
　　針對共享控制遙操作應(yīng)用背景，研制了一臺輪式全方位移動操作機(jī)器人。該移動操作機(jī)器人具有冗余的網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)，能夠可靠的與控

3、制網(wǎng)絡(luò)通信。移動車采用三輪全驅(qū)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位運(yùn)動，車體設(shè)計成圓桶型結(jié)構(gòu)，適合于狹窄的運(yùn)動空間。車輪模塊采用差動驅(qū)動結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，布線方便，車輪的轉(zhuǎn)向不受角度范圍的限制。操作臂設(shè)計成串聯(lián)六自由度結(jié)構(gòu)，末端三個關(guān)節(jié)的軸線交于一點(diǎn)具有解析逆解，方便控制。移動操作機(jī)器人上配置了紅外測距、超聲測距、超聲定位、數(shù)字羅盤、編碼器、攝像頭、溫度、六維力/力矩等多種傳感器，為實現(xiàn)機(jī)器人的局部自主提供了硬件條件。該全方位移動操作機(jī)器人具有9個自由度

4、，屬于冗余機(jī)器人，針對冗余機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)求解問題提出了一種基于遺傳信賴域算法的冗余機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)求解方法，并利用關(guān)節(jié)局部優(yōu)化及解析方法將遺傳信賴域算法的求解簡化為兩維目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)化問題，提高了優(yōu)化算法的搜索速度。
　　移動操作機(jī)器人自主運(yùn)動規(guī)劃是其自主性的重要內(nèi)容，運(yùn)動規(guī)劃包括路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃。傳統(tǒng)人工勢場法用于移動機(jī)器人路徑規(guī)劃容易出現(xiàn)局部極小點(diǎn)、目標(biāo)不可達(dá)和規(guī)劃路徑抖動等問題，為了克服傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)提出了一種基于信賴域算法

5、優(yōu)化的改進(jìn)人工勢場法的自主路徑規(guī)劃方法。首先建立改進(jìn)的人工勢場模型，然后在改進(jìn)人工勢場模型基礎(chǔ)上將各種勢場強(qiáng)度用代數(shù)和方式疊加，最后用信賴域算法搜索機(jī)器人在一個采樣周期中移動范圍內(nèi)的勢場強(qiáng)度之和最小的點(diǎn)，多個最小點(diǎn)構(gòu)成全局優(yōu)化路徑。信賴域算法具有快速收斂特性，能夠滿足算法的實時性要求。對于操作臂的軌跡規(guī)劃問題，為了保證控制的實時性，采用基于關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃方法實現(xiàn)操作臂的軌跡規(guī)劃。
　　操作臂體現(xiàn)移動操作機(jī)器人的操作能力，對其進(jìn)

6、行高效的遙操作控制能夠提高移動操作機(jī)器人共享控制遙操作系統(tǒng)的操作性能。力反饋為操作者提供力覺臨場感，能夠大大提高操作者操作的效率。網(wǎng)絡(luò)傳輸時延卻影響了系統(tǒng)的作業(yè)性能，甚至引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，必須對其進(jìn)行時延控制。基于無源性理論的波變量法能夠保證系統(tǒng)在任意時延下的穩(wěn)定性，但是其透明性較差。本文針對具有多個自由度操作臂的力反饋遙操作控制問題，首先擴(kuò)展了通用的多自由度遙操作系統(tǒng)的波變換公式。為了克服波變量方法透明性差的問題，將波預(yù)測方法用于變時

7、延遙操作系統(tǒng)，并針對變時延和預(yù)測模型不精確等給遙操作系統(tǒng)主從端帶來的穩(wěn)態(tài)位置誤差問題，提出了一種從端校正控制方法。該方法與主端校正控制方法相比，不但能消除由于變時延和數(shù)據(jù)丟包引起的穩(wěn)態(tài)位置誤差，而且能夠修正由于預(yù)測模型不精確引起的穩(wěn)態(tài)位置誤差。針對從端機(jī)器人模型不斷變化的遙操作任務(wù)，提出使用適應(yīng)性波預(yù)測器的方法來應(yīng)對模型的變化，并設(shè)計了適應(yīng)性波預(yù)測器的運(yùn)行策略。實驗證明了方法的有效性。
　　移動車體現(xiàn)了移動操作機(jī)器人的移動能力，對

8、移動車的遙操作能夠補(bǔ)充其自主運(yùn)動的不足，并且移動車和操作臂的遙操作相結(jié)合能夠充分發(fā)揮移動操作機(jī)器人遙操作系統(tǒng)的“移動”和“操作”特性。首先研究了移動車力反饋遙操作控制的策略，并針對移動車的力反饋遙操作問題，提出了將波預(yù)測方法用于三通道遙操作控制結(jié)構(gòu)，充分利用波變量方法、預(yù)測技術(shù)和三通道結(jié)構(gòu)豐富的通道參數(shù)，在保證時延遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上提高其透明性。
　　建立了基于網(wǎng)絡(luò)的遙操作實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了移動操作機(jī)器人在較大范圍內(nèi)搬運(yùn)放置物體