基于多種人機交互設(shè)備的空間遙操作機器人控制技術(shù)研究.pdf

1、近年來，隨著科技的不斷進步，人類的空間活動逐漸頻繁，各國都積極開展對深空和太陽系的一系列探索計劃。由于太空環(huán)境十分惡劣，很多作業(yè)任務(wù)需要空間機器人去完成。然而由于空間環(huán)境的未知性和復(fù)雜性，機器人全自主式工作受到很多限制?；谌藱C交互設(shè)備的遙操作機器人系統(tǒng)安全穩(wěn)定，具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　為了滿足未來我國空間站的需要，本課題對遙操作機器人系統(tǒng)中的人機交互技術(shù)進行了深入研究，并研制開發(fā)了一套空間遙操作機器人地面實驗系統(tǒng)，主要包括兩種

2、不同的人機交互設(shè)備（一個是基于Kinect，另一個是基于穿戴式數(shù)據(jù)手臂）、三維虛擬預(yù)測環(huán)境和人機交互軟件平臺等。該系統(tǒng)可以完成典型的空間遙操作作業(yè)任務(wù)，操作者在地面端使用人機交互設(shè)備能夠準確地控制太空端的空間機器人，力覺和視覺的反饋增強了操作者的臨場感，提高了工作效率。
　　本課題的創(chuàng)新點在于:(1)在基于力反饋人機交互設(shè)備的空間遙操作機器人地面實驗系統(tǒng)的機器人運動解算模塊中引入了ROS（機器人操作系統(tǒng)）提供的KDL（運動學和動力

3、學庫），它是基于數(shù)值計算方法的，通過不斷迭代，找到最合適的解。比傳統(tǒng)的解析方法運算速度快，準確性高，穩(wěn)定性好。KDL里的函數(shù)使用起來也簡單方便。(2)三維虛擬預(yù)測環(huán)境涉及到對空間機器人、工作環(huán)境、目標物體和力覺反饋等進行建模，采用了3DS MAX和OpenGL相結(jié)合的建模方式對太空端場景進行了高度仿真。還設(shè)置了虛擬攝像頭，可以從多個角度拍攝并顯示虛擬預(yù)測環(huán)境。(3)從三維點云圖中提取出目標物體。先根據(jù)HSL色彩特征，濾除非相關(guān)的離群點，

4、再通過RANSAC算法（隨機抽樣一致性算法），從一堆包含“局外點”的三維點云數(shù)據(jù)中，通過迭代的方式，估計目標物體數(shù)學模型的參數(shù)，再與庫中的模型進行匹配，最終得到目標物體的幾何模型參數(shù)。(4)使用kinect對人體全身骨骼進行追蹤，獲取各個骨骼關(guān)節(jié)點的位置信息，再通過人體關(guān)節(jié)運動學的旋轉(zhuǎn)矩陣計算各骨骼關(guān)節(jié)運動的角度。還設(shè)計了實時顯示操作者骨骼動態(tài)圖的交互軟件。(5)計算手臂關(guān)節(jié)的歐拉角時引入了四元數(shù)的方法，把歐拉角轉(zhuǎn)換成四元數(shù)后，只要進行