空間機(jī)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(qiáng)輻射等特點(diǎn)，其惡劣環(huán)境使人在太空中的活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)極高，空間機(jī)器人是開(kāi)展天體深空探測(cè)的主要手段?？臻g機(jī)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(jī)器人目前并不現(xiàn)實(shí)，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(guò)臨場(chǎng)感手段（視覺(jué)、力覺(jué)和觸覺(jué)等）將人納入到控制回路才能保證任務(wù)的順利完成?？臻g機(jī)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(jià)值。本文從解決空間機(jī)器人地面遙

2、操作中的關(guān)鍵問(wèn)題出發(fā)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主從運(yùn)動(dòng)匹配、虛擬預(yù)測(cè)環(huán)境與力覺(jué)/視覺(jué)輔助、肌電信號(hào)控制及多事件控制結(jié)構(gòu)等方面展開(kāi)研究工作。
　　從空間機(jī)器人地面遙操作的實(shí)際任務(wù)出發(fā)，參照空間機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與工作模式，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了空間機(jī)器人地面遙操作系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行建模分析。完成該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)以及主機(jī)械臂子系統(tǒng)、虛擬環(huán)境子系統(tǒng)、人機(jī)交互子系統(tǒng)、地面運(yùn)行管理子系統(tǒng)等功能模塊的功能設(shè)計(jì)，并可以利用時(shí)延仿真子系統(tǒng)進(jìn)行大時(shí)延條件下的典型空間機(jī)械臂遙

3、操作作業(yè)任務(wù)和功能驗(yàn)證。
　　針對(duì)遙操作系統(tǒng)中主從異構(gòu)機(jī)械手的空間映射問(wèn)題，對(duì)自行設(shè)計(jì)的七自由度力反饋手控器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，為從該人機(jī)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(duì)從端使用的雄克七自由度冗余機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，解決了該冗余機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解問(wèn)題，并采用旋量抑制的方法對(duì)該機(jī)械臂進(jìn)行奇異性分析。最后討論了主從異構(gòu)遙操作系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)匹配的方法。
　　針對(duì)空間遙操作系統(tǒng)中的大時(shí)延問(wèn)題，鑒于視覺(jué)

4、和力覺(jué)作為操作者感知作業(yè)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)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(jué)/力覺(jué)輔助的遙操作系統(tǒng)。使用KINECT相機(jī)采集三維點(diǎn)云信息并重建3D場(chǎng)景，采用窗口自適應(yīng)的滑動(dòng)最小二乘法在線辨識(shí)未知環(huán)境中的模型動(dòng)力學(xué)參數(shù)并實(shí)時(shí)更新。此外，利用人工勢(shì)場(chǎng)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(yuǎn)端機(jī)器人避障及接近目標(biāo)效率。
　　使用肌電信號(hào)作為空間機(jī)器人地面遙操作中的控制信號(hào)來(lái)源之一，通過(guò)采集肌電信號(hào)并進(jìn)行特