时延力觉临场感遥操作机器人系统预测控制研究

通讯时延是造成力觉临场感遥操作机器人系统不稳定和操作性能下降的关键因素 ,针对时延问题 ,提出了一种适用于时延力觉临场感遥操作机器人系统的广义预测控制方法 ,该方法通过预测控制器产成实时的预测力反馈以消除时延的影响 .此外 ,为使该方法应用于遥操作机器人未知环境作业 ,本文采用AUDI辨识算法对环境模型进行辨识 .构造实验系统 ,通过实验验证了该方法的有效性 .     

人机交互力觉临场感遥操作机器人技术研究

 人机交互式机器人是当前机器人学研究的前沿和热点之一,而临场感(telepresence)技术是人与机器人交互的核心。本文通过阐述力觉临场感遥操作机器人技术的产生、发展和现状,介绍了力觉临场感遥操作机器人的系统组成,指出力觉临场感遥操作机器人面临的3 个难题:力感知、力反馈和大时延力控制。针对以上问题,对力觉临场感遥操作机器人的四大关键技术:传感技术、力反馈与触觉再现技术、大时延控制技术、虚拟预测环境建模技术进行了综述;介绍了东南大学仪器科学与工程学院机器人传感与控制技术研究所30 年来开展人机交互遥操作机器人技术研究的进展及其在核探测、康复医疗领域应用的情况。展望了人机交互力觉临场感遥操作机器人技术未来研究与发展的重点。     

基于事件预测的遥操作机器人系统的性能分析

Internet的时变时延及数据丢包严重影响了互联网遥操作机器人系统的操作性能,甚至造成了系统不稳定.为降低时变时延对遥操作机器人系统性能的影响,文中基于具可变滑动窗口的稀疏多元线性回归算法提出了单步时延预测算法,并在此基础上设计了基于事件预测的网络遥操作机器人系统.该系统在主端加入基于时延预测的离散路径管理器,它通过求解超前的优化函数,在线产生一个合适的预测路径的事件参数,从而提高跟踪性能和环境适应能力以应付突发事件的发生.根据Lyapunov稳定性定理,文中还推导得到了该系统的稳定性条件.本地实验和跨地区的遥操作机器人实验结果表明,文中方法能有效解决时变时延以及网络数据丢包引起的稳定性问题和性能下降问题.     

遥操作机器人系统的预测控制

遥操作机器人系统传输通道中存在通讯时延，造成系统不稳定和操作性能降低等问题．为了消除或减少时延的影响，利用前向神经网络建立环境模型，通过神经网络模型预测从机械手受力，并用时间前向观测器预测从机械手状态；然后用力、位置和速度反馈对系统进行设计，使得系统在环境模型未知的条件下稳定，还能获得良好的透明性；最后，将预测方法与无源控制方法进行切换，保证系统在环境剧变时的稳定性．实验结果表明了该方法的有效性．     

具有力觉临场感主从机器人在遥装配作业中的应用

通过建立一套具有力觉临场感的主从机器人系统。研究了非确定性环境下借助临场感技术实现遥操作的控制理论和设计方法。遥装配作业实验结果表明了控制方案的可行性。     

具有触觉视觉临场感的遥操作机器人

为有效控制机器人完成复杂、精巧的任务,提高机器人在非确定环境下的作业效率,提出了一种具有触觉和视觉临场感功能的遥操作机器人控制新方法。机械手抓握或触摸物体时产生触觉,触觉信号经处理后通过数据手套的震动来刺激操控人员,实现触觉临场感,操控者可根据触觉临场感来掌握自己的手部动作;视觉临场感以视频和3D虚拟工作场景的形式再现。实验表明,该方法能有效提高遥操作机器人的操作能力。     

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．     

大时延环境下的分布式遥操作系统

遥操作仿真系统主要用于解决航天机器人遥操作过程中所遇到的大时延问题。本系统由三维实时仿真系统以及实际机器人实验系统两部分组成。操作人员输入的各个控制指令都会立即被三维实时仿真系统中的仿真机器人所响应 ,这些控制指令经过一定的时延以后传入实际机器人实验系统。同时遥操作系统可以通过比较传回的实际机器人状态和仿真机器人的状态来验证操作效果。因此本系统较好地解决了大时延下的遥操作问题     

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.     

基于标准双边控制的改进力反馈遥操作方法

针对空间机器人遥操作过程中的通讯时延问题,提出一种改进的PD双边力反馈遥操作控制系统。首先从理论上推导该控制系统绝对稳定的条件。在保证系统稳定的前提下,进一步研究提高系统透明性的方法并给出控制参数的约束条件。通过与标准PD双边控制方法的对比实验以及固定时延与变时延2种不同条件下的仿真实验,验证该改进方法具有显著提高遥操作系统透明性和跟踪性能的作用。研究结果表明:所推导的稳定性条件和透明性分析结论进一步完善了该PD双边控制方法,可对复杂遥操作系统中应用该方法提供参考。     

3D图形预测仿真及虚拟夹具的大时延遥操作技术

以空间机器人在轨服务为背景,建立了卫星在轨自维护系统的地面遥操作平台.远端由安装在卫星本体上的一个四自由度机器人和灵巧手的臂/手系统组成,当卫星出现故障时,遥操作者通过空间鼠标和力反馈数据手套分别控制远端的臂/手系统排除卫星故障,实现卫星的自我维护.对于地面-太空之间通讯的大时延,利用3D图形预测仿真技术克服时延的影响,并采用虚拟夹具法提高遥操作系统的安全性和操作性能.在大时延及变时延(约7 s)的条件下,实现了武汉遥操作哈尔滨的自维护机器人臂/手系统,成功地完成了打开太阳能帆板的典型卫星在轨维护任务,验证了该方法的有效性,为今后实际空间机器人的地面遥操作提供了经验.     

空间机器人自适应无源控制技术研究

建立了力觉临场感空间机器人的等效二端口网络模型,给出了定量分析系统透明性的方法,分析了通信时延对力觉临场感空间机器人无源性和透明性的影响,提出了一种基于有源阻抗匹配的自适应无源控制方法,这种方法能够保证整个系统有时延下的稳定性和良好的透明性。实验结果表明了该方法的有效性。     

基于在线重建的遥操作预测显示系统

为了提高遥操作的操作效率,采用一种基于单目视觉的预测显示方法来解决时延导致的视觉反馈滞后问题.该方法通过基于地图的相机位姿估计算法来实时跟踪机器人的状态,在线构建机器人工作环境的三维几何结构模型,并结合多纹理映射技术进行渲染,将模型重投影到预测视点下,得到逼真的预测图像.搭建了一个基于客户端-服务器端模式的系统平台,用于未知环境下的遥操作.结果表明,在总长为7.112 m的摄像机运动轨迹中,位姿跟踪的平均误差约为0.015 m.该系统不仅能提供预测图像,而且支持生成任意视点的图像,有利于操作者从各个角度观察机器人工作场景.     

遥操作康复机器人系统的透明性研究

针对遥操作康复机器人系统通信时延引起系统性能下降问题,通过建立系统的等效电路图,采用阻抗匹配的方法分析了系统在有时延和无时延两种情况下的透明性。仿真实验结果表明该方法的有效性,时延下的系统在保证稳定的基础上实现了良好的透明性。     

遥操作康复机器人系统的透明性研究

针对遥操作康复机器人系统通信时廷引起系统性能下降问题,通过建立系统的等效电路图,采用阻抗匹配的方法分析了系统在有时延和无时延两种情况下的透明性.仿真实验结果表明该方法的有效性,时延下的系统在保证稳定的基础上实现了良好的透明性.     

阻尼摄入的比例控制中基于遗传算法的参数整定研究

阻尼摄入的比例控制被广泛地应用于遥操作机器人系统的控制中来确保系统的稳定,但是该方法的参数整定一直是一个难题。文中提出了一个基于遗传算法对阻尼摄入的比例控制进行参数整定的方法。并且,利用MATLAB/SIMULINK建立了遥操作机器人系统的仿真平台,对所提出的方法进行了有时延的自由运动和接触运动仿真实验,并对实验结果进行了分析和比较,证明了方法的有效性。     

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     

遥操作机器人系统克服时延影响的关键技术

综述了遥操作机器人系统克服时延影响的关键技术及其最近的研究进展 ;指出基于虚拟现实技术的遥操作机器人系统是其今后研究和发展的主潮流 ;认为致力于设计并研究对几何建模误差和动力学建模误差均具有鲁棒性的遥操作机器人系统 ,有效地解决系统通信时延问题 ,使其系统稳定 ,并具有良好的可操作性 ,才是切实可行办法     

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.     

竞争型遥操作机器人实验系统研究

基于网络遥操作多机器人系统的作业目的,介绍了竞争型MOMR与协作型MOMR的特点.在此基础上,首次提出了竞争型遥操作机器人系统理想的测试平台一种基于Internet的C/S模式的足球机器人遥操作实验系统,描述了系统开发中的若干关键技术,如系统组成、体系结构、服务器端控制系统结构和遥操作客户端的关键技术等,给出了Internet性能测试实验实例.通过国际遥操作足球机器人比赛,证明了该系统具有良好的交互性、实时性和稳定性.