移動操作機器人及其共享控制的力反饋遙操作研究.pdf

1、移動操作機器人相比于固定操作機器人具有更大的操作空間和更強的操作靈活性，成為機器人領域研究的熱點方向之一。機器人借助傳感器完全自主的完成指定的作業(yè)任務，特別是極限環(huán)境下的作業(yè)任務是智能機器人研究的最終目標。限于目前的科技水平，機器人很難完全自主的完成所有作業(yè)任務。將機器人的局部自主與網(wǎng)絡遙操作相結合，組成基于共享控制方式的遙操作系統(tǒng)，實現(xiàn)人機智能的結合能極大的提高機器人實現(xiàn)復雜、動態(tài)、極限作業(yè)任務的能力?；诠蚕砜刂品绞降囊苿硬僮鳈C器人

2、遙操作系統(tǒng)研究的幾個重要問題包括移動操作機器人研制、提高移動操作機器人自主能力的方法研究和輔助操作者提高操作效率的方法研究。本文針對這幾個方面，首先研制一臺移動操作機器人，然后從提高機器人自主性方面研究該機器人的自主運動規(guī)劃方法，最后從輔助操作者提高操作能力方面研究了移動車和操作臂的時延力反饋遙操作控制問題。
　　針對共享控制遙操作應用背景，研制了一臺輪式全方位移動操作機器人。該移動操作機器人具有冗余的網(wǎng)絡通信結構，能夠可靠的與控

3、制網(wǎng)絡通信。移動車采用三輪全驅結構，能夠實現(xiàn)全方位運動，車體設計成圓桶型結構，適合于狹窄的運動空間。車輪模塊采用差動驅動結構，結構簡單，布線方便，車輪的轉向不受角度范圍的限制。操作臂設計成串聯(lián)六自由度結構，末端三個關節(jié)的軸線交于一點具有解析逆解，方便控制。移動操作機器人上配置了紅外測距、超聲測距、超聲定位、數(shù)字羅盤、編碼器、攝像頭、溫度、六維力/力矩等多種傳感器，為實現(xiàn)機器人的局部自主提供了硬件條件。該全方位移動操作機器人具有9個自由度

4、，屬于冗余機器人，針對冗余機器人逆運動學求解問題提出了一種基于遺傳信賴域算法的冗余機器人逆運動學求解方法，并利用關節(jié)局部優(yōu)化及解析方法將遺傳信賴域算法的求解簡化為兩維目標函數(shù)的最優(yōu)化問題，提高了優(yōu)化算法的搜索速度。
　　移動操作機器人自主運動規(guī)劃是其自主性的重要內容，運動規(guī)劃包括路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃。傳統(tǒng)人工勢場法用于移動機器人路徑規(guī)劃容易出現(xiàn)局部極小點、目標不可達和規(guī)劃路徑抖動等問題，為了克服傳統(tǒng)方法的缺點提出了一種基于信賴域算法

5、優(yōu)化的改進人工勢場法的自主路徑規(guī)劃方法。首先建立改進的人工勢場模型，然后在改進人工勢場模型基礎上將各種勢場強度用代數(shù)和方式疊加，最后用信賴域算法搜索機器人在一個采樣周期中移動范圍內的勢場強度之和最小的點，多個最小點構成全局優(yōu)化路徑。信賴域算法具有快速收斂特性，能夠滿足算法的實時性要求。對于操作臂的軌跡規(guī)劃問題，為了保證控制的實時性，采用基于關節(jié)空間的軌跡規(guī)劃方法實現(xiàn)操作臂的軌跡規(guī)劃。
　　操作臂體現(xiàn)移動操作機器人的操作能力，對其進

6、行高效的遙操作控制能夠提高移動操作機器人共享控制遙操作系統(tǒng)的操作性能。力反饋為操作者提供力覺臨場感，能夠大大提高操作者操作的效率。網(wǎng)絡傳輸時延卻影響了系統(tǒng)的作業(yè)性能，甚至引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，必須對其進行時延控制?；跓o源性理論的波變量法能夠保證系統(tǒng)在任意時延下的穩(wěn)定性，但是其透明性較差。本文針對具有多個自由度操作臂的力反饋遙操作控制問題，首先擴展了通用的多自由度遙操作系統(tǒng)的波變換公式。為了克服波變量方法透明性差的問題，將波預測方法用于變時

7、延遙操作系統(tǒng)，并針對變時延和預測模型不精確等給遙操作系統(tǒng)主從端帶來的穩(wěn)態(tài)位置誤差問題，提出了一種從端校正控制方法。該方法與主端校正控制方法相比，不但能消除由于變時延和數(shù)據(jù)丟包引起的穩(wěn)態(tài)位置誤差，而且能夠修正由于預測模型不精確引起的穩(wěn)態(tài)位置誤差。針對從端機器人模型不斷變化的遙操作任務，提出使用適應性波預測器的方法來應對模型的變化，并設計了適應性波預測器的運行策略。實驗證明了方法的有效性。
　　移動車體現(xiàn)了移動操作機器人的移動能力，對

8、移動車的遙操作能夠補充其自主運動的不足，并且移動車和操作臂的遙操作相結合能夠充分發(fā)揮移動操作機器人遙操作系統(tǒng)的“移動”和“操作”特性。首先研究了移動車力反饋遙操作控制的策略，并針對移動車的力反饋遙操作問題，提出了將波預測方法用于三通道遙操作控制結構，充分利用波變量方法、預測技術和三通道結構豐富的通道參數(shù)，在保證時延遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎上提高其透明性。
　　建立了基于網(wǎng)絡的遙操作實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了移動操作機器人在較大范圍內搬運放置物體