基于虛擬現(xiàn)實的力覺臨場感遙操作研究.pdf

1、工作在交互方式下的具有臨場感的遙操作機器人是在危險或者未確定環(huán)境下完成作業(yè)任務的有效手段。系統(tǒng)通過基于多傳感器的人機界面將遠地傳來的力覺和視覺信息等反饋給操作者，操作者作為控制回路的一部份，連續(xù)或者間斷的控制從端的機器人完成復雜精細的操作任務。力覺臨場感是臨場感技術的最主要形式之一，基于力覺臨場感的遙操作是系統(tǒng)完成接觸作業(yè)，如抓取、裝配等的重要保證。 對于力覺臨場感機器人系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎上，提高操作透明性是其完成精細

2、任務的關鍵。本文通過對力-位置型力覺臨場感遙操作場機器人系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的分析，提出了一種變增益力-位置型控制結(jié)構(gòu)，通過改變從端的位置控制增益，提高了遙操作系統(tǒng)的可操作性。同時通過建立系統(tǒng)的動力學方程，利用李亞普諾夫函數(shù)分析了系統(tǒng)在約束運動下的穩(wěn)定性條件。 由于力覺臨場感機器人大多工作在太空、海洋等遠距離場合，主從端的時延就成為遙操作機器人工作中的主要問題。虛擬現(xiàn)實是克服時延的有力手段，通過建立與遠地環(huán)境一致的虛擬預測環(huán)境，操作者可

3、以和虛擬預測模型交互，利用虛擬機器人提供的反饋信息，獲得實時的交互臨場感，從而解決了時延的問題，但是這種方式依賴于虛擬模型的精度。為了獲得準確的虛擬模型，我們分析了虛擬預測模型的建模技術，提出多傳感器反饋信息和先驗知識相結(jié)合的方法，利用遠地反饋的視覺、力覺和位置信息建立和修正遙操作機器人的環(huán)境對象模型，提高虛擬預測環(huán)境幾何建模的精度。將增強現(xiàn)實技術應用到遙操作機器人系統(tǒng)中，提出了采用虛擬預測圖形與視頻圖像融合技術，將機器人的仿真模型與機

4、器人的視頻圖像在同一顯示窗口中進行精確的疊加和融合，并利用融合結(jié)果對虛擬模型進行在線修正。采用滑動平均最小二乘法(SALS)來實時辨識遠地工作環(huán)境的質(zhì)量、阻尼和剛度，建立和修正遠地環(huán)境的動力學模型。分析了環(huán)境的動力學模型，改進了分區(qū)描述環(huán)境的非線性動力學特性的方法，將從手與環(huán)境的接觸過程分為碰撞、平穩(wěn)接觸和離開三個階段，分別對這三個階段建立了動力學模型。建立了環(huán)境在穩(wěn)定接觸過程中的阻抗模型，提出了虛擬力的計算方法。 本文通過將虛

5、擬預測環(huán)境作為時間前向觀測器，構(gòu)造了基于虛擬現(xiàn)實的力反饋遙操作機器人系統(tǒng)的動力學方程，并在此基礎上提出和分析了基于虛擬預測環(huán)境誤差補償?shù)目刂品椒āＭ瑫r，通過構(gòu)造了系統(tǒng)的李亞普諾夫函數(shù)，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件作了進一步分析。最后，分析了系統(tǒng)基于虛擬現(xiàn)實誤差補償控制方法的透明性條件。 本文結(jié)合國家航天863項目“空間遙操作機器人虛擬預測環(huán)境的建模與控制”，建立了一套基于虛擬現(xiàn)實的單自由度力覺臨場感遙操作系統(tǒng)，針對質(zhì)量．彈簧．阻尼環(huán)境模型