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.     

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。     

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.     

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。     

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.     

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.     

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。     

力觉临场感遥控作业虚拟现实系统研究

虚拟现实技术是目前解决力觉临场感遥控作业系统时延问题的一种强有力工具．本文研究了遥控作业虚拟现实系统的构成和实现原理,针对力觉临场感遥控作业系统时延问题提出了一种力觉虚拟现实实现算法,并构造实验系统验证了该算法的有效性．     

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．     

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     

力觉临场感系统的小时延稳定性分析

从建立力觉临场感系统的时延动力学方程出发,利用差分微分方程组对力觉临场系统的时延稳定性进行分析,采用李亚普诺夫函数进行讨论,根据从机械手的动态状态自由运动状态及与环境作用状态两种情况分别进行讨论,确定了时延界限,实验结果验了时延界限的正确性。     

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。     

力觉临场感系统在时延下新的无源控制算法

通讯时延影响了力觉临场感系统的运行性能和稳定性。本文利用无源Ｎ端口网络的理论，分析了时延对力觉临场感系统的影响，提出了一套评价系统运行性能的计算方法，并以此为基础，给出了一种新的无源控制算法，既保证了系统的稳定性，又使得系统的运行性能最优。     

电液伺服遥操作机器人的力觉临场感研究

该文借鉴电机驱动主从随动控制系统的研究方法，并结合液压系统的特殊性，对电液伺服遥操作主从机械人的力觉临场感进行了分析。综合了对称型双向伺服控制系统和力直接反馈型双向伺服控制系统的优点，以从端受力形成力反馈控制量的增益，位置误差和位置误差的变化率形成力反馈控制量，提出了改进对称型控制算法，即力一位置综合型双向伺服控制算法。实验结果验证了新方法的有效性。     

力觉临场感遥控作业系统的研究进展

力觉临场感遥控作业系统是一种新型的高级遥控机器人系统，它通过操作者时机器人实现带感党的控制来完成复杂环境下的作业，本文介绍了临场感遥控作业系统的组成和当前对力觉临场感技术研究的几个主要方面及存在的困难，为进一步研究指明了方向。