移動(dòng)操作機(jī)器人及其共享控制的力反饋遙操作研究.pdf

1、移動(dòng)操作機(jī)器人相比于固定操作機(jī)器人具有更大的操作空間和更強(qiáng)的操作靈活性，成為機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方向之一。機(jī)器人借助傳感器完全自主的完成指定的作業(yè)任務(wù)，特別是極限環(huán)境下的作業(yè)任務(wù)是智能機(jī)器人研究的最終目標(biāo)。限于目前的科技水平，機(jī)器人很難完全自主的完成所有作業(yè)任務(wù)。將機(jī)器人的局部自主與網(wǎng)絡(luò)遙操作相結(jié)合，組成基于共享控制方式的遙操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)智能的結(jié)合能極大的提高機(jī)器人實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、極限作業(yè)任務(wù)的能力?；诠蚕砜刂品绞降囊苿?dòng)操作機(jī)器人

2、遙操作系統(tǒng)研究的幾個(gè)重要問(wèn)題包括移動(dòng)操作機(jī)器人研制、提高移動(dòng)操作機(jī)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(duì)這幾個(gè)方面，首先研制一臺(tái)移動(dòng)操作機(jī)器人，然后從提高機(jī)器人自主性方面研究該機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)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(dòng)車和操作臂的時(shí)延力反饋遙操作控制問(wèn)題。
　　針對(duì)共享控制遙操作應(yīng)用背景，研制了一臺(tái)輪式全方位移動(dòng)操作機(jī)器人。該移動(dòng)操作機(jī)器人具有冗余的網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)，能夠可靠的與控

3、制網(wǎng)絡(luò)通信。移動(dòng)車采用三輪全驅(qū)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)，車體設(shè)計(jì)成圓桶型結(jié)構(gòu)，適合于狹窄的運(yùn)動(dòng)空間。車輪模塊采用差動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布線方便，車輪的轉(zhuǎn)向不受角度范圍的限制。操作臂設(shè)計(jì)成串聯(lián)六自由度結(jié)構(gòu)，末端三個(gè)關(guān)節(jié)的軸線交于一點(diǎn)具有解析逆解，方便控制。移動(dòng)操作機(jī)器人上配置了紅外測(cè)距、超聲測(cè)距、超聲定位、數(shù)字羅盤(pán)、編碼器、攝像頭、溫度、六維力/力矩等多種傳感器，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的局部自主提供了硬件條件。該全方位移動(dòng)操作機(jī)器人具有9個(gè)自由度

4、，屬于冗余機(jī)器人，針對(duì)冗余機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解問(wèn)題提出了一種基于遺傳信賴域算法的冗余機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方法，并利用關(guān)節(jié)局部?jī)?yōu)化及解析方法將遺傳信賴域算法的求解簡(jiǎn)化為兩維目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)化問(wèn)題，提高了優(yōu)化算法的搜索速度。
　　移動(dòng)操作機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是其自主性的重要內(nèi)容，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃包括路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃。傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法用于移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃容易出現(xiàn)局部極小點(diǎn)、目標(biāo)不可達(dá)和規(guī)劃路徑抖動(dòng)等問(wèn)題，為了克服傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)提出了一種基于信賴域算法

5、優(yōu)化的改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法的自主路徑規(guī)劃方法。首先建立改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)模型，然后在改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)模型基礎(chǔ)上將各種勢(shì)場(chǎng)強(qiáng)度用代數(shù)和方式疊加，最后用信賴域算法搜索機(jī)器人在一個(gè)采樣周期中移動(dòng)范圍內(nèi)的勢(shì)場(chǎng)強(qiáng)度之和最小的點(diǎn)，多個(gè)最小點(diǎn)構(gòu)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(shí)時(shí)性要求。對(duì)于操作臂的軌跡規(guī)劃問(wèn)題，為了保證控制的實(shí)時(shí)性，采用基于關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃方法實(shí)現(xiàn)操作臂的軌跡規(guī)劃。
　　操作臂體現(xiàn)移動(dòng)操作機(jī)器人的操作能力，對(duì)其進(jìn)

6、行高效的遙操作控制能夠提高移動(dòng)操作機(jī)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(jué)臨場(chǎng)感，能夠大大提高操作者操作的效率。網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)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(duì)其進(jìn)行時(shí)延控制?；跓o(wú)源性理論的波變量法能夠保證系統(tǒng)在任意時(shí)延下的穩(wěn)定性，但是其透明性較差。本文針對(duì)具有多個(gè)自由度操作臂的力反饋遙操作控制問(wèn)題，首先擴(kuò)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(wèn)題，將波預(yù)測(cè)方法用于變時(shí)

7、延遙操作系統(tǒng)，并針對(duì)變時(shí)延和預(yù)測(cè)模型不精確等給遙操作系統(tǒng)主從端帶來(lái)的穩(wěn)態(tài)位置誤差問(wèn)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(shí)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(yù)測(cè)模型不精確引起的穩(wěn)態(tài)位置誤差。針對(duì)從端機(jī)器人模型不斷變化的遙操作任務(wù)，提出使用適應(yīng)性波預(yù)測(cè)器的方法來(lái)應(yīng)對(duì)模型的變化，并設(shè)計(jì)了適應(yīng)性波預(yù)測(cè)器的運(yùn)行策略。實(shí)驗(yàn)證明了方法的有效性。
　　移動(dòng)車體現(xiàn)了移動(dòng)操作機(jī)器人的移動(dòng)能力，對(duì)

8、移動(dòng)車的遙操作能夠補(bǔ)充其自主運(yùn)動(dòng)的不足，并且移動(dòng)車和操作臂的遙操作相結(jié)合能夠充分發(fā)揮移動(dòng)操作機(jī)器人遙操作系統(tǒng)的“移動(dòng)”和“操作”特性。首先研究了移動(dòng)車力反饋遙操作控制的策略，并針對(duì)移動(dòng)車的力反饋遙操作問(wèn)題，提出了將波預(yù)測(cè)方法用于三通道遙操作控制結(jié)構(gòu)，充分利用波變量方法、預(yù)測(cè)技術(shù)和三通道結(jié)構(gòu)豐富的通道參數(shù)，在保證時(shí)延遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上提高其透明性。
　　建立了基于網(wǎng)絡(luò)的遙操作實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)操作機(jī)器人在較大范圍內(nèi)搬運(yùn)放置物體