空間機器人地面遙操作的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、太空具有微重力、高真空、強輻射等特點，其惡劣環(huán)境使人在太空中的活動風(fēng)險極高，空間機器人是開展天體深空探測的主要手段。空間機器人所面臨的復(fù)雜的太空環(huán)境通常是部分或完全未知的，采用全自主的機器人目前并不現(xiàn)實，在這種情況下必須依靠地面的操作人員參與并給出控制指令，通過臨場感手段（視覺、力覺和觸覺等）將人納入到控制回路才能保證任務(wù)的順利完成。空間機器人地面遙操作系統(tǒng)是現(xiàn)階段的主流技術(shù)方式，有著巨大的研究意義和應(yīng)用價值。本文從解決空間機器人地面遙

2、操作中的關(guān)鍵問題出發(fā)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、主從運動匹配、虛擬預(yù)測環(huán)境與力覺/視覺輔助、肌電信號控制及多事件控制結(jié)構(gòu)等方面展開研究工作。
　　從空間機器人地面遙操作的實際任務(wù)出發(fā)，參照空間機器人的結(jié)構(gòu)與工作模式，設(shè)計并構(gòu)建了空間機器人地面遙操作系統(tǒng)，并對其進行建模分析。完成該系統(tǒng)的總體設(shè)計以及主機械臂子系統(tǒng)、虛擬環(huán)境子系統(tǒng)、人機交互子系統(tǒng)、地面運行管理子系統(tǒng)等功能模塊的功能設(shè)計，并可以利用時延仿真子系統(tǒng)進行大時延條件下的典型空間機械臂遙

3、操作作業(yè)任務(wù)和功能驗證。
　　針對遙操作系統(tǒng)中主從異構(gòu)機械手的空間映射問題，對自行設(shè)計的七自由度力反饋手控器進行運動學(xué)分析，為從該人機交互設(shè)備解算出操作者的位置指令并生成準(zhǔn)確的力反饋信息提供了基礎(chǔ)。接著對從端使用的雄克七自由度冗余機械臂進行運動學(xué)分析，解決了該冗余機械臂的運動學(xué)正逆解問題，并采用旋量抑制的方法對該機械臂進行奇異性分析。最后討論了主從異構(gòu)遙操作系統(tǒng)運動匹配的方法。
　　針對空間遙操作系統(tǒng)中的大時延問題，鑒于視覺

4、和力覺作為操作者感知作業(yè)環(huán)境現(xiàn)場的最主要的信息提示方式和手段，建立了基于三維環(huán)境建模與修正的視覺/力覺輔助的遙操作系統(tǒng)。使用KINECT相機采集三維點云信息并重建3D場景，采用窗口自適應(yīng)的滑動最小二乘法在線辨識未知環(huán)境中的模型動力學(xué)參數(shù)并實時更新。此外，利用人工勢場的控制方法，提供相應(yīng)的引力或斥力，提高了操作者控制遠端機器人避障及接近目標(biāo)效率。
　　使用肌電信號作為空間機器人地面遙操作中的控制信號來源之一，通過采集肌電信號并進行特