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.     

融合视觉的柔性虚拟夹具辅助遥操作研究

提出了一种融合视觉的柔性虚拟夹具方法,用于辅助未知环境中的机器人遥操作.通过引入柔性系数实现机器人倾向于理想运动方向程度的调节,保证已知环境中遥操作的安全性和操作性能.利用基于颜色识别的视觉方法对环境中的障碍物大小和位置进行识别,从而实现对柔性虚拟夹具的柔性系数自动选择,扩展该方法应用于未知环境中的遥操作,保证未知环境遥操作的安全性和操作性能.在未知环境中进行了曲线跟踪避障实验,验证了该方法的有效性.     

多移动机器人双边遥操作系统中反馈力信息设计与研究

为了研究在多移动机器人双边遥操作系统中反馈力对机器人运动性能的影响,设计了一种一对多的遥操作系统半物理仿真平台.同时基于主从端之间速度偏差与障碍物排斥力设计了2种不同的反馈力.在该双边遥操作系统中,主端操作员通过力反馈人机交互设备控制从端多机器人系统的平均速度,从端机器人系统能够响应主端操作员的命令,同时操作员可以借助反馈力感知从端多机器人系统的运动状态.半物理实验结果表明,相比于没有力反馈信息的遥操作系统,多机器人系统的运动性能得到了提高;相比基于障碍物排斥力设计的反馈力,基于主从端速度不匹配设计的反馈力,更有利于从端的多机器人系统避障、跟踪参考轨迹以及主端给出的参考速度.     

基于惯性动作捕捉的主从遥操作关节空间直接控制方法

为了克服传统主从遥操作方法需要进行大量的正/逆运动学解算且操作复杂、不直观的缺点,利用惯性动作捕捉设备将人体手臂动作信息引入遥操作控制回路中,提出了一种基于惯性动作捕捉的主从遥操作关节空间直接控制方法.然后,提出了一种基于四元数的关节空间非奇异映射算法,用于构建虚拟手臂模型,并利用该模型直接控制远端机器人的关节空间.试验结果表明,该方法可以直接控制远端机器人的关节空间,关节空间控制误差小于0.2°;末端位置控制精度小于10 mm,与基于手控器的传统主从遥操作方法相当.因此,基于惯性动作捕捉的主从遥操作方法不仅可以对远端机器人末端位置进行精确控制,而且可以直接控制远端机器人的关节空间,提高操作者的直观性和灵活性.     

基于行为优先与任务协调的多移动机器人遥操作

针对单个操作者对多个移动机器人遥操作的困难,提出了基于行为优先和任务协调的多机器人遥操作方法. 通过引入机器人局部自主的概念,运用行为优先决策与任务协调模块使操作者和机器人共享运动控制. 建立了多机器人系统遥操作体系结构,设计了多通道人机交互接口界面. 室外实验表明,提出的方法可以实现人和机器智能的合理分配. 运用该方法,单个操作者可完成对多个移动机器人的遥操作.     

基于虚拟夹具的微创外科手术机器人运动约束研究

机器人辅助微创外科手术(RMIS)技术能够显著提高外科医生对手术的执行能力.然而,现有的机器人主从遥操作模式下所存在的不足之处(如手眼协调性差、可视空间狭窄、力反馈信息的缺失等)容易导致医生产生过度操作而引起机器人执行机构的碰撞干涉(包括机械臂之间的碰撞干涉及内窥镜杆与手术器械杆的碰撞干涉)和手术器械末端脱离手术视野,由此带来的安全性问题不容忽视.本文提出了一种基于虚拟夹具的微创外科手术机器人空间运动约束方法,以"MicroHand S"机器人系统作为应用平台,在进行机械臂构型及运动学分析的基础上,针对上述问题展开研究,通过构建碰撞干涉检测模型实时监测机器人执行机构之间及机器人与环境物体之间的相对距离,并设置相应的安全预警区域,采用人工势场与虚拟代理点相结合的方式对机器人执行机构的运动空间加以限制,从而达到对医生的操作动作进行合理的引导与约束,提高手术效率与操作安全性的目的.该方法无需构建复杂的几何模型,虚拟夹具的定义方便快捷,对于其他主从操作模式下的微创外科手术机器人系统及类似的人机交互环境具有普适意义.最终的虚拟仿真实验结果表明,在有、无虚拟夹具两种操作环境下,实验参与人员的表现有着明显的差异,从而验证了所提出方法的有效性.     

网络遥操作新型七自由度数据臂的设计

为了改善数据臂的操作性能,采用面向手臂关节的设计思想,设计了一种用于网络遥操作的新型七自由度数据臂.利用ADAMS构建了右手臂结构模型,分析了腕关节和肩关节的自由度,并建立数学模型.利用该数据臂控制虚拟机器人在虚拟场景中完成抓取棒料实验,结果表明:该数据臂既可以检测人手臂各关节变化,又可以获得手臂各关节角度和腕部的位置变化,具有部分关节力反馈功能.该数据臂成功应用于网络遥操作主从臂控制仿真平台,取得了良好的效果.     

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.     

基于混杂动态系统的机器人网络遥操作控制

机器人网络遥操作中的信息传递具有不确定时延特性，使得操作者无法及时、准确地了解现场信息，从而无法就机器人当时所处状态给予有效的控制．针对这种情况，文中从混杂动态系统的角度出发，采用监督控制方法对整个机器人网络遥操作系统进行建模和控制．通过在远端（机器人端）建立监控器来解决不确定时延所造成的问题，实验结果证明了该方法的有效性．     

采用受控Petri网的虚拟现实遥操作机器人系统模型

针对机器人遥操作系统分布式操作的特点,采用面向对象的虚拟现实建模方法构建系统的原型,使模型的复杂性不再与具体完成的任务有关.基于时序逻辑的推理规则,利用Petri网作为遥操作控制系统模拟与验证的工具,描述操作任务间的因果关系,并以共享控制模式为模型,描述遥操作控制系统的动态行为.最后,通过实验验证方法的合理性.