基于距离传感器的双边遥操作

为了改善双边遥操作的力反馈性能,本文根据从端操作臂上的传感器检测的目标距离信息,设计了新 的PD 双边控制器．证明了系统的稳定性条件,并通过单自由度双边遥操作实验系统,对提出的控制方法进行了实 验验证．实验结果表明,当从端操作臂靠近目标时,主端操作臂产生了逐渐增大的反馈力．这种控制策略为操作者 安全实现遥操作任务提供了有效手段．     

一种三维力反馈训练仿真控制系统设计

针对空间站舱外任务需要研究人员通过遥操作控制平台对空间站机械臂遥操作来完成,而空间站机械臂研制成本高,无法实现现场调试,直接投入使用风险性高,系统安全性与可靠性无法保障的缺陷与不足,设计了一种面向空间站机械臂的遥操作力反馈训练的仿真控制系统.重点阐述了该系统的工作原理以及系统硬件和软件设计思路.该系统的力反馈手柄具有3个自由度,充分模拟操作空间;力反馈手柄末端位置信息和力反馈信息,由微控制器STM32系列单片机与PC实现数据传输.实验结果验证了该系统面向空间站虚拟机械臂的力反馈控制仿真功能、系统硬件和软件的可靠性,为空间站机械臂的虚拟仿真提供了一种可行方案.     

一种七自由度力反馈手控器测控系统设计

多自由度力反馈手控器是遥操作的重要人机接口设备,提出了一种七自由度力反馈手控器测控系统的设计方案,实现对手控器末端位置的测量和向手控器输出反馈力/力矩.详细介绍了该手控器的位置检测原理、力反馈控制原理和控制器的软硬件设计.在完成系统调试后对手控器系统进行了测试,测试结果表明:设计的手控器系统测量精度达到±0.5 mm,三维平动力反馈控制精度达到5％ FS,满足多自由度力反馈遥操作的需求.     

带有力觉和触觉临场感的灵巧手主从系统的设计

针对遥控作业中控制者操作时缺乏力觉和触觉临场感等问题，介绍了设计的带有力觉和触觉临场感主、从灵巧手系统，讨论了在从机械手上触觉和力觉的感知以及在主机械手上触觉和力觉的再现等问题，提出了利用模糊控制实现触觉再现以及改进的力反馈－位置型结构来实现力觉再现的新方法，最后进行了实验验证．     

一套研究双向控制实验系统的实现

主要介绍了一套单自由度主从式力觉临场感遥操作的实验平台,该实验平台具有操作简单和直观的特点,操作者可两手同时接触主端和从端的操作器,通过控制主手运动,使从手跟踪其运动,并且能够同时正面地感受到主从两端操作器的力反馈情况。文中对硬件和软件方面的设计分别进行了分析,最后针对某一算法进行有时延和无时延的力觉临场感实验,并进行研究。该套实验系统的设计目的是为了进行遥操作中双向控制算法的研究,实验结果表明该套实验系统能够有效地实现控制算法,从而证明其有效性。     

临场感智能采灰器的设计

为了提高煤灰测验工作中的煤灰采样效率问题,介绍了单自由度主从式力觉临场感和视觉临场感遥操作电厂智能采灰器的设计和低成本实现方法.由操作者操纵的力反馈操纵杆装有直流力矩电机,与环境作用的采样器选用输出力大、可靠性高的液压伺服驱动.采用一种二通道位置-力控制结构,并且力控制采用了积分分离PID控制.最后通过实验进一步分析说明所设计的体系结构的合理性和可行性.     

单自由度力觉临场感比率遥操作实验系统研制

介绍了单自由度主从式力觉临场感比率遥操作实验系统的设计和低成本实现方法。由操作者操纵的主手装有直流力矩电机，与环境作用的小尺度从手选用可细分控制的步进电机驱动。采用一种2通道位置-力控制结构，进行了有时延和无时延的力觉临场感比率遥操作实验。实验结果表明了该系统的有效性。     

外骨骼式遥操作主手设计及主从异构映射算法研究

为了更好地促进机器人适应复杂的遥操作任务,开发了能够精确获取人体上肢运动信息的外骨骼式遥操作主手,并通过异构映射算法,实现对6自由度协作机械臂的遥操作．首先,基于人体仿生结构,设计了可穿戴式8自由度外骨骼主手（臂部7自由度和手部1自由度）;其次,通过改进的D-H（Denavit-Hartenberg）方法建立遥操作系统的运动学模型,基于Matlab的机器人工具箱进行了工作空间仿真,并设计主从异构映射算法;最后,实验验证外骨骼主手在遥操作系统中的可操作性,以及工作空间异构映射算法的可行性．实验表明,外骨骼主手能够控制从端机械手臂,且保证末端位置和姿态一致,可在大范围工作空间内复现人体上肢精细运动,主从跟随误差达2 mm,工作空间类似于直径1.08 m的半球形．因此,可穿戴式的外骨骼主手使操作者能更加直观地参与到遥操作系统当中,辅助操作者更加高效地完成精细复杂任务．     

一种基于电流变液体的力反馈装置

针对虚拟现实和遥操作机器人技术的需要,提出了一种基于电流变液体力反馈装置的设计方法.该装置的核心材料是一种新型智能材料电流变液体,在施加电场的情况下,其流变特性如粘度会发生剧烈的变化.着重叙述了装置的实现原理、结构模型,分析了装置各参数对反馈力的影响,设计出装置结构并在此基础上对装置进行了力学实验,实验结果证明了文章所提出的力反馈实现方法的有效性.     

基于RTW的空间机器人遥操作实时仿真系统

搭建了一套实时仿真系统以作为空间机器人遥操作的研究平台.系统以两台PC机分别模拟主从端的运行情况,主端PC连接通用力反馈游戏手柄作为主手输入设备,从端PC挂接嵌入式处理器(PC/104)用作空间机械手的实时仿真;主从端信号传输时延根据TCP/IP协议由软件模拟产生.利用Madab中的RTW/xPC Target工具箱将空间机械手模型编译为实时可执行代码,下载到嵌入式处理器(PC/104)实时执行,保证了手柄输入和空间机械手Simulink模型间的时钟同步.结合给定模型数据,完成了空问机械手实时位置跟踪实验,证明了系统搭建方案的可行性.系统对空间机器人遥操作的研究起到了很好的支撑作用.     

Position referenced force augmentation in teleoperated hydraulic manipulators operating under delayed and lossy networks: A pilot study

Position error between motions of the master and slave end-effectors is inevitable as it originates from hard-to-avoid imperfections in controller design and model uncertainty. Moreover, when a slave manipulator is controlled through a delayed and lossy communication channel, the error between the desired motion originating from the master device and the actual movement of the slave manipulator end-effector is further exacerbated. This paper introduces a force feedback scheme to alleviate this problem by simply guiding the operator to slow down the haptic device motion and, in turn, allows the slave manipulator to follow the desired trajectory closely. Using this scheme, the master haptic device generates a force, which is proportional to the position error at the slave end-effector, and opposite to the operator’s intended motion at the master site. Indeed, this force is a signal or cue to the operator for reducing the hand speed when position error, due to delayed and lossy network, appears at the slave site. Effectiveness of the proposed scheme is validated by performing experiments on a hydraulic telemanipulator setup developed for performing live-line maintenance. Experiments are conducted when the system operates under both dedicated and wireless networks. Results show that the scheme performs well in reducing the position error between the haptic device and the slave end-effector. Specifically, by utilizing the proposed force, the mean position error, for the case presented here, reduces by at least 92% as compared to the condition without the proposed force augmentation scheme. The scheme is easy to implement, as the only required on-line measurement is the angular displacement of the slave manipulator joints.     

遥控系统理想性能的实现和实验研究

本文对主从遥控系统理想性能的实现进行了理论分析和实验研究。对于位置／力控制的遥控机器人，理想性能就是要实现主从操作器的位置跟踪和力跟踪。文中首先通过分析得到了一组控制规律，利用这组控制规律就可以实现理想性能，而且这组控制规律由于引入了力微分信号而比较简单。接着以无源性为基础，对系统的稳定性进行了研究。最后通过实验可知在从操作器同环境有或无作用的情况下，主从遥控系统都可以实现理想性能。     

基于软体手的机器人遥操作人机交互系统研制

为了提升抓取软体物体、易碎物体的完整性,设计制作了一种基于软体手的机器人遥操作人机交互系统。研制了一种嵌入了弯曲传感器的软体主手,获取人手的弯曲电信号,以此判断人手的弯曲程度,实现对软体从手系统的遥操作。并在远端软体从手中嵌入压力传感器,获取软体从手抓取目标时的表面压力电信号,以此来判断软体手抓取目标时的力度,实现力反馈。软体手人机交互系统能够减小传统刚体机械手抓取目标的限制,可有效抓取软体或易碎目标,实验表明了其有效性。     

基于AR 模型的预测算法在力觉临场感遥控机器人系统中的应用

为解决力觉临场感遥控机器人系统的时延问题 ,本论文提出了将预测器引入该系统的新思路 .该预测器是基于AR模型对从手与环境间的作用力进行预测的 .本论文模拟了具有预测器的单自由度力觉临场感遥控机器人系统 ,并对该预测器的算法进行了仿真研究 .在时延条件下 ,该思路可实现对从机械手较为准确的控制     

基于人机交互的重载机械臂控制方法

针对目前重载机械臂控制系统存在的人机交互性不足问题及重载带来的刚柔耦合问题,设计了一种基于动力学模型的人机交互闭环力!/!位控制算法,并依据该算法设计了7自由度重载机械臂控制系统.首先分析了国内外重载机械臂的工作特点和存在的问题,提出基于力!/!视觉反馈的人机交互方式来增强系统的人机交互性;然后为抑制刚柔耦合带来的控制问题,建立了重载机械臂刚柔耦合动力学模型,提出基于人机交互的重载机械臂力!/!位闭环控制算法.最后搭建重载机械臂控制系统,搭建的控制系统包括人机交互子系统、环境感知子系统、驱动子系统、信息处理子系统及通信子系统.在此基础上,进行重载机械臂控制系统作业试验.试验结果表明,该控制系统能够完成人机交互作业功能,相对于传统重载机械臂作业手段,有效提高了作业效率70%,保障了作业人员安全,验证了所提出控制系统的人机友好性、可行性和实用性.     

Nonlinear adaptive control of master–slave system in teleoperation

This paper is devoted to the nonlinear control design problem to achieve stability of master–slave manipulators in teleoperation system and its transparency in the sense of motion/force tracking. Nonlinear adaptive controllers are bilaterally designed for both master and slave sites to guarantee the stability of whole system and motion tracking performance. Global boundedness of the overall adaptive system and asymptotic motion (velocity/position) tracking are established. Especially, the concept of “virtual master manipulator” is introduced to increase degree of freedom of control design for force tracking performance. The resulting force tracking error depends only on the acceleration of the designed virtual master manipulator. Accurate dynamic parameters of manipulators, their acceleration information as well as models of human operator and environment are not required in the control design. Another important feature of our approach is the relaxation for the trade-off between motion and force tracking performances.     

A haptic interface for computer-integrated endoscopic surgery and training

Haptic feedback has the potential to provide superior performance in computer-integrated surgery and training. This paper discusses the design of a user interface that is capable of providing force feedback in all the degrees of freedom (DOFs) available during endoscopic surgery. Using the Jacobian matrix of the haptic interface and its singular values, methods are proposed for analysis and optimization of the interface performance with regard to the accuracy of force feedback, the range of applicable forces, and the accuracy of control. The haptic user interface is used with a sensorized slave robot to form a master–slave test-bed for studying haptic interaction in a minimally invasive environment. Using the master–slave test-bed, teleoperation experiments involving a single degree of freedom surgical task (palpation) are conducted. Different bilateral control methods are compared based on the transparency of the master–slave system in terms of transmitting the critical task-related information to the user in the context of soft-tissue surgical applications.     

空间遥操作机器人主从双边自适应内模控制

天地大时延严重破坏具有力反馈的空间遥操作机器人系统的稳定性和透明性;针对天地大时延和未知的从手操作环境,基于内模控制和自适应控制思想设计一种自适应内模控制器;推导从手环境参数辨识模型,基于带遗忘因子的递推最小二乘滤波辨识环境模型,并利用辨识信息构建自适应内模控制器;基于单参数SNPIDC算法分别设计主手和从手自适应控制器;大量的仿真结果证明,在设计的主从双边自适应内模控制器作用下,空间遥操作机器人系统稳定性好,对未知环境适应能力强,系统透明性好,阻抗匹配程度高,且操作人员临场感强。     

生物软组织力反馈触觉建模测试系统研制

设计了一种结构新颖的用于生物软组织力反馈触觉建模的测试系统。阐述了系统结构与工作原理,介绍了系统的机械设计、硬件电路和系统软件。系统采用计算机测量并控制带有力和位置传感器的单自由度机械手,通过插针实验与动物软组织交互得到软组织的力反馈触觉模型。以猪肝为标本进行实验,实验结果和现有的理论模型较为符合,该系统可以用于软组织触觉建模实验研究。