融合阻抗控制的虚拟现实遥操作技术研究

以空间机器人在轨服务为背景,建立了卫星自维护系统的地面遥操作平台,利用虚拟现实技术克服了时延对机器人遥操作的影响.为提高遥操作性能、减少操作者压力,提出了在主操作端(主端)利用虚拟夹具法辅助进行任务规划,并在从机器人端(从端)采用对模型误差具有鲁棒性的阻抗控制方法.在主端采用手动操作或虚拟夹具,同时从端采用位置控制或阻抗控制4种组合的情况下,遥操作机器人完成了打开太阳能帆板的任务.实验比较了操作过程中机器人腕部的受力情况.结果证明该方法可以有效地减少操作者压力且提高操作性能.     

多模块式移动机器人系统的自组织协作行为

设计了一种新颖的、由4个基本功能模块组成的模块式移动机器人.针对多模块式移动机器人系统在复杂环境下的自组织协作行为,提出了目标趋向控制、多障碍物避障和自组织协调3种运动策略.分析了多机器人目标趋向运动的方向选择规则;描述了基于“感知 动作”的多障碍物避障控制策略,实现了多机器人连续避障并到达指定目标点;研究了多机器人的协调运动策略,通过多机器人协作完成了单机器人无法完成的搬重物、过台阶等任务.三维仿真结果表明了该控制策略对不同环境、多障碍物条件下多机器人协作行为的适应性.     

基于Petri网的多机器人协作任务分配与导航研究

研究了基于Petri网理论的多移动机器人任务分配和导航策略问题.针对有限空间环境下的物科收集协作任务,提出了一种机器人路径选择方法,并建立了基本路口单元和工作空间的Petri网模型.通过任务分配模型实时规划物科仓库内的机器人,并对具有拐角特征的多机器人路径冲突给出了消解方法,建立了机器人冲突协调模型.通过分析任务冲突协调模型,避免了多机器人运动路径冲突.最后仿真实验验证了提出的多机器人任务规划方法的有效性.     

适于大规模自主移动机器人的体系结构

为解决机器人数目多时控制机器人计算量大的问题,提出一种适于大规模自主移动机器人系统的体系结构,包括系统的群体结构和系统内单个机器人的体系结构。群体结构采用有别于传统意义的混合结构,其中的递阶部分仅为任务层服务,控制信息量较少;运动层的协调由机器人自主实现。因此,该群体结构适于大量自主移动机器人组成的系统。在确定了群体结构的基础上,又提出了系统内单个机器人的体系结构,单机器人采用分层的混合结构,结合了反应式和慎思式结构的优点。整个控制结构较好地实现了机器人的运动自主性和任务合作性的有效结合。     

机器人宇航员遥操作中手臂运动映射优化

建立了基于虚拟现实的机器人宇航员遥操作系统,使用运动跟踪器实现了手臂的直观准确的遥操作控制.针对机器人宇航员与人体结构存在一定差异的问题,对传统手臂遥操作的笛卡尔空间运动映射方法存在映射精度和手臂构型的差异进行了分析.在此基础上,提出了一种优化运动映射方法,该方法利用增量控制保证机械臂末端的映射精度,利用工作空间匹配保证手臂构型的一致性,从而实现了操作者直观准确地对机器人宇航员的遥操作.手臂构型和运动跟踪的仿真结果验证了该优化运动映射方法的有效性.     

面向微装配机器人的TSB分级智能控制结构

提出了一种面向微装配机器人的TSB(任务 策略 行为 )分级智能控制结构 ,该结构自上而下有三个控制层组成 :任务层、策略层和行为层 .操作者在任务层通过人机交互接口进行微装配任务规划 ,策略层将抽象的装配规划分解为具体的显微视觉伺服策略控制微装配机械手的运动 ,行为层则涉及微装配机器人基本行为的生成与执行监督 .TSB控制结构通过人机交互的方式将操作者的任务规划能力和机器人显微视觉伺服策略结合起来 ,实现了微装配机器人的半自主控制 .     

基于惯性动作捕捉的主从遥操作关节空间直接控制方法

为了克服传统主从遥操作方法需要进行大量的正/逆运动学解算且操作复杂、不直观的缺点,利用惯性动作捕捉设备将人体手臂动作信息引入遥操作控制回路中,提出了一种基于惯性动作捕捉的主从遥操作关节空间直接控制方法.然后,提出了一种基于四元数的关节空间非奇异映射算法,用于构建虚拟手臂模型,并利用该模型直接控制远端机器人的关节空间.试验结果表明,该方法可以直接控制远端机器人的关节空间,关节空间控制误差小于0.2°;末端位置控制精度小于10 mm,与基于手控器的传统主从遥操作方法相当.因此,基于惯性动作捕捉的主从遥操作方法不仅可以对远端机器人末端位置进行精确控制,而且可以直接控制远端机器人的关节空间,提高操作者的直观性和灵活性.     

受限网络带宽下遥操作机器人的视频传输控制

针对搭载多个视像传感器的遥操作机器人系统,提出一套适用于遥操作系统网络应用层的视像传输带宽分配算法.根据遥操作机器人当前执行的任务计算得到各视像的传输权重,采用多目标优化方法,在总传输数据量不超过系统传输带宽的前提下,依据权重公平将传输带宽分配给各个视像传感器.该算法对于带宽受限的传输网络,通过修改视像采集分辨率与帧率达到控制传输带宽的目的,避免了因网络拥堵导致的传输丢帧现象,从而保障传输视像的实时性和完整性,使系统可以依赖于视觉图像质量完成遥操作任务.设计的算法已运用于实际变电站环境中的巡检机器人,为系统提供流畅完整的视频传输服务,验证了算法的实用性.     

基于Matlab和VR技术的移动机器人建模及仿真

利用Matlab建立移动机器人的动力学模型,在虚拟现实(VR)环境下,实时仿真移动机器人路径跟踪的运动特性,为基于Internet的机器人遥操作试验搭建了仿真平台.实验结果表明,虚拟模型准确地模拟了真实移动机器人的动力学特征;通过对模型的参数修改,为实现对真实机器人的最优控制和设计提供了可信的参考方案.     

多移动机器人双边遥操作系统中反馈力信息设计与研究

为了研究在多移动机器人双边遥操作系统中反馈力对机器人运动性能的影响,设计了一种一对多的遥操作系统半物理仿真平台.同时基于主从端之间速度偏差与障碍物排斥力设计了2种不同的反馈力.在该双边遥操作系统中,主端操作员通过力反馈人机交互设备控制从端多机器人系统的平均速度,从端机器人系统能够响应主端操作员的命令,同时操作员可以借助反馈力感知从端多机器人系统的运动状态.半物理实验结果表明,相比于没有力反馈信息的遥操作系统,多机器人系统的运动性能得到了提高;相比基于障碍物排斥力设计的反馈力,基于主从端速度不匹配设计的反馈力,更有利于从端的多机器人系统避障、跟踪参考轨迹以及主端给出的参考速度.     

基于OpenGL的虚拟现实技术在遥操作机器人系统的研究与实现

为了创建具有良好沉浸感和真实感的虚拟现实操作环境,从而使操作者更直观地感知遥操作机器人所处的工作环境,并准确地发出执行指令,对空间机器人远距离遥操作中的虚拟现实系统进行了研究与开发.利用3D建模与OpenGL等关键技术创建遥操作虚拟环境,通过手柄对真实机械臂与虚拟环境中的模型同时进行控制驱动.操作人员可以改变虚拟环境中的视点和视角,依靠更加生动的视觉临场感信息,实现单一的视频反馈所不能达到的监控效果.在模拟大时延的条件下,利用现场真实的信息去修正预测误差,提高了系统的鲁棒性和抗干扰能力.系统结构清晰,可以进行模块拓展并方便二次开发.     

基于虚拟斥力的多机器人遥操作算法的研究

针对多机器人遥操作系统多机器人协作中易于发生碰撞的问题,提出基于虚拟斥力的方法实现实时避碰.在每个机器人的周围预先设定安全区域,当有障碍侵入安全区域时,机器人与障碍之间产生虚拟斥力,迫使机器人的轨迹发生调整远离障碍.基于弹簧、阻尼系统建立虚拟斥力模型,将虚拟斥力作为机器人的扰动力,根据障碍类型给出机器人的避障调整函数.利用Rx60、Rx90两个机器人进行遥操作协作实验,实验结果表明基于虚拟斥力的实时避碰算法能够简单而高效地保证协作作业的安全性.     

基于双层协调体系的多移动机器人路径规划方法

针对多移动机器人系统中路径规划全局最优与局部协调的兼容性需求,提出了一种基于双层协调体系的路径规划方法。结合路径组亲和度评价提出改进的免疫协同进化算法并完成全局路径规划,提高了规划效率和全局路径质量;根据初始条件和全局路径信息,判断系统中各机器人可能出现碰撞的位置,提出基于优先级机制的动态窗口法在相应位置附近完成路径的局部协调;最终在全局最优路径基础上实现机器人的局部路径协调避碰。试验结果表明,该路径规划方法使机器人沿全局最优路径行驶时,仍能进行灵活有序的局部路径协调,有效提高了系统的路径规划性能。     

基于混杂动态系统的机器人网络遥操作控制

机器人网络遥操作中的信息传递具有不确定时延特性,使得操作者无法及时、准确地了解现场信息,从而无法就机器人当时所处状态给予有效的控制．针对这种情况,文中从混杂动态系统的角度出发,采用监督控制方法对整个机器人网络遥操作系统进行建模和控制．通过在远端（机器人端）建立监控器来解决不确定时延所造成的问题,实验结果证明了该方法的有效性．     

弧焊机器人工作单元Internet远程控制系统

采用IGRIP（Interactive Graphics Robot Instruction Program）建立了弧焊机器人工作单元空间场景模型,基于Internet实现了机器人的远程运动仿真．在仿真的基础上,采用CORBA-CGI（Common Obiect Request Broker Architecture-Common Gateway Interface）方式实现了弧焊机器人的Internet远程控制．同时,通过现场摄像机,机器人的运动视频可以反馈回操作者的Web页面,这样操作者就可以远程监控机器人的运动．控制实验表明,该机器人远程运动控制方案是可行、有效的．     

移动机器人作战平台立体视觉三维建模方法

虚拟现实技术在移动机器人作战平台遥操作中的应用,可增强操控人员的视觉临场感,提高操控效率.基于立体视觉的三维建模是构建虚拟环境的基础.根据立体视觉的基本原理,研究了立体视觉的三维建模方法.在对比同类型中不同算法基础上,提出适合立体视觉系统的三维建模算法,提出提高空间点求解精度的改进算法,最后用Open Inventor进行三维模型可视化显示.试验结果表明,该方法具有良好的建模效果,能精确反映障碍物深度信息.     

一种适用大规模自主移动机器人的协调机制

通过将显式通信和黑板结构相结合的方式,提出了一种适用大规模自主移动机器人的协调机制,其中包括任务级的协调和运动级的协调.仿真结果表明:该协调机制用较少的通信量实现了高质量的协调,且系统的性能不随执行机器人数目的增加而迅速下降,为大规模自主机器人有效地合作提供了可靠的保证.     

一种基于视觉信息的自主搬运机器人

提出了一种利用视觉信息进行定位和抓取的自主机器人搬运系统,此系统由带有两自由度操作手的轮式移动机器人和远程控制站组成。机器人利用视觉系统识别路标信息,采用MonteCarlo方法进行自定位。当靠近目标物体时,机器人利用视觉系统识别目标,并在利用该信息引导下自动抓取。由于机器人的运行是靠视觉系统获取的路标信息和目标物体信息引导的,同时具有遥操作控制功能,因此该系统能轻松完成复杂环境下搬运物体的任务。     

力觉临场感系统的动力学建模及控制策略

由于对主从机器人系统中主从手的动力学控制可使操作者获得对操作物体的力觉临场感,增强其执行复杂遥操作任务的能力．基于该系统在笛卡尔空间的动力学模型,阐述了该系统的控制结构和控制策略．通过分析系统的动力学特性,表明了在不同控制策略下,主从手的动力学特性对操作者力感觉的影响．指出了力反射伺服型系统可以较有效地抑制系统内的动力学干扰     

Exoskeleton arm with force feedback for robot bilateral teleoperation

A novel 6 degrees of freedom (DOFs) wearable exoskeleton arm, ZJUESA, based on man-machine system is presented. It can be used in robot bilateral teleoperation as master arm with force-feedback. With introducing the revolute-prismatic-spherical (RPS) parallel mechanism and planetary gear mechanism, it is designed based on the anatomy of human upper-limb. With the sensors on this external mechanical structure, the human operator motion is detected and converted to the slave robot control command. Additionally the pneumatic system on it generates a force feedback by using hybrid fuzzy control. As a result, the human operator may have a feeling of doing the work directly.