力觉临场感遥操作机器人(3):环境的动力学描述

力觉临场感遥操作机器人系统是一个典型的人-机-环交互系统.环境是遥操作机器人系统最终的环节,也是操作者感知和作用的对象,环境的动力学特性对整个遥操作机器人系统的控制性能会产生直接的影响.通过分析环境在力觉临场感遥操作机器人系统中的动力学特性,建立了环境在碰撞接触、线性平稳接触和非线性平稳接触3类情况下的动力学模型,并给出了模型的等效阻抗形式,为力觉临场感遥操作机器人系统的分析提供了基础.     

力觉临场感遥操作机器人(1):技术发展与现状

人机交互式机器人作为最具实用价值的特种机器人已成为当前机器人学研究的前沿和热点.临场感(Telepresence)技术是人机交互的核心.首先,回顾了力觉临场感遥操作机器人技术的产生、发展和现状,介绍了力觉临场感遥操作机器人在核领域、空间探测领域与远程医疗领域的应用情况;其次,对力觉临场感遥操作机器人的4大关键技术:传感技术、力反馈与触觉再现技术、大时延控制技术和虚拟预测环境建模技术等进行了综述;还介绍了东南大学仪器科学与工程学院机器人传感与控制研究所近20年来开展临场感遥操作机器人技术研究,以及在核探测、康复医疗领域应用的情况.通过回顾与分析,指出了力觉临场感遥操作机器人技术今后需要研究的几个重点问题.     

基于无线通信的临场感遥操作机器人研究

以临场感遥操作机器人为研究对象,重点论述临场感遥操作机器人的无线通信系统.该系统在硬件上使用了无线发射、接收装置与无线网卡进行数据通信,软件上使用WinSock通信方式与多线程技术相结合,实现了临场感遥操作机器人的远程控制.     

遥操作工程机器人改进力反馈控制方法

针对力觉临场感遥操作工程机器人双向液压伺服控制系统,在采用p-f型控制结构时,容易产生反馈力冲击问题,提出了基于T-S型模糊推理逻辑构造一个非线性模糊变增益力反馈系数,构成改进的力反馈控制方法。设计了RBF-PID型参数可调控制器,形成双向液压伺服控制系统,通过实验验证了改进方法的有效性。实验结果表明,改进的力反馈控制方法既能保证从手对主手的位置跟随精度,又能使主手连续的跟随从手受力情况,减小了反馈力冲击现象,增加了力反馈的平顺性。提高了力反馈遥操作工程机器人系统的操作性能和透明度。     

遥操作工程机器人力觉双向伺服控制系统

针对并行机构的力反馈双向液压伺服控制中所存在的反馈力冲击大及位置跟随差的问题,提出了一种以主、从手之间的力偏差作为主动端控制信号,位置偏差和力偏差形成从手控制量的改进并行型力觉反馈控制算法;结合遥操作工程机器人主从控制的特点,建立了该算法的动力学模型;搭建并分析了两自由度双向伺服控制实验系统。实验结果表明,该控制算法明显改善了主、从控制系统的操纵性能,操作者能够获得真实的力觉临场感,同时具有控制简单、收敛速度快、实时性好的特点。     

异构型遥操作系统的定位与接触控制研究

与同构型机器人遥操作系统不同,在异构型机器人遥操作系统中,操作者往往对目标物的精确定位和接触力的判断不足,当从机器人接触到外部环境时缺乏良好的临场感,导致操作精度不足。针对此类问题,该文提出了一种基于机器人工作空间转换与直接力反馈结构相结合的目标物定位与接触遥操作控制方法。该方法首先将机器人的关节空间转换到工作空间,再对异构型主从机器人不同的工作空间进行映射匹配,然后在直接力反馈式的遥操作结构下与力传感器共同作用,并辅以摄像机,使得操作者可以精确地操作远端环境中的机器人,从而准确地接触到目标物及获取目标物的位置,进一步准确判断从机器人在外部环境中所接触到的物体属性。该方法借助力反馈进行目标物定位与物体属性判断,较之复杂的机器人视觉标定方法更加简单易于操作,其有效性也在搭建的异构型机器人遥操作实验平台上得到了验证。     

基于临场感的遥操作机器人共享控制研究综述

共享控制策略作为基于临场感的遥操作机器人的主要控制模式,能够充分利用操作者的感知、判断和决策能力,也能发挥出机器人自身的优势. 阐述遥操作机器人临场感技术;综述遥操作共享控制策略的发展现状,主要基于触觉反馈引导、运动学限制规避以及共享因子分配等,对各控制策略的原理进行介绍,并梳理和分析遥操作共享控制策略发展中的瓶颈和不足,如共享因素的单一化或僵硬化、时延问题和机器人自主判断能力有限等问题. 针对研究存在的局限性,从3个方面对未来的发展提出展望,分别为提升干预水平、加强机器人意图预测、结合机器学习, 具有一定的指导意义.     

移动机器人遥操作中力反馈技术的研究

在已有的遥操作系统中增加力反馈,通过计算移动机器人与周围障碍物之间的虚拟交互力,并将其映射到操纵杆上变成操作者可以感知的力,这样操作者能感觉到机器人与环境之间的作用力,从而有效地完成操作任务.实验结果表明该方法能够有效控制机器人行走,显示了在非结构性环境下临场感在增强人机交互能力方面的优越性.     

分层码率控制策略在机器人遥操作中的应用

为实现卫星自维护遥操作系统中稳定可靠的视频反馈目标,提出一种基于分层码率控制的视频传输策略.利用实时探测到的带宽选择不同码率的视频流分层,使得视频传输对于不同的网络带宽具有自适应性.试验结果表明,该策略能够在波动带宽下给予遥操作者稳定流畅的视频反馈,有效地提高了遥操作系统的视觉临场感性能.     

空间机器人遥操作系统设计及研制

针对空间机器人的特点设计了多种遥操作控制模式,提出了空间机器人遥操作分层控制结构LATSR(Layered Architecture for Teleoperation of Space Robot),并研制了一套遥操作系统,包括任务规划子系统、主从控制子系统、预测仿真子系统、信息处理子系统和地面验证子系统.最后利用该系统开展了多项遥操作实验,对整个系统及各子系统的功能和性能进行了检验.该系统具有灵活的操作接口,既为一般用户提供了简便的用户界面,也为机器人专家提供了底层控制能力.     

血管介入手术主从导管机器人滑模控制

在微创血管介入手术中,主从遥操作导管机器人系统的通信时延以及参数不确定性很容易导致其稳定性下降,操作性及透明性降低.针对这一问题,建立了主从导管机器人系统的动力学模型,主手端采用滑模阻抗控制,从手端采用终端滑模控制,该控制方式降低了时延对系统操作性能的影响.通过系统轴向运动的仿真结果表明,该系统能够较好地实现从手对主手的位移以及力的跟踪,系统具有较强的鲁棒性和良好的透明性.     

基于Internet的遥机器人控制系统

为减小基于Internet的遥机器人系统中网络延时给机器人可控性带来的极大影响,基于所开发的智能运动控制器,以KLD-400机器人为被控对象搭建了一个具有力觉反馈的虚拟现实遥机器人系统,用3DS MAX＋OpenGL＋Visual C＋＋6．0完成了机器人三维图形仿真系统的设计．通过模拟仿真实现对机器人的预测控制,并对遥操作过程中控制信息的传输时延进行了补偿,提高了遥操作的可靠性和准确性．视频信息的传输采用多线程多缓冲技术,保证了视频传输的实时性,并实现了视频图像与仿真图形的融合．实验结果证明了该系统的优越性．     

基于适应性虚拟向导的遥操作机器人系统

为了克服遥操作系统中网络时延的影响,采用Java3D技术建立一种基于虚拟向导的遥操作机器人虚拟环境.针对机器人执行任务时自由空间及障碍物的不同,提出了自动、半自动及手动三种控制模式,并建立了“手爪导向球”、“路径点导向向导”、“同步影像向导”多种适应性虚拟向导,辅助操作者引导手爪运动,从而提高了系统的操作效率及安全性.通过对典型操作实例的分析,验证了该方法的有效性.     

基于人机合作的遥操作机器人系统控制模型

人机合作及其合作方式是遥操作机器人系统需要考虑并加以解决的关键问题,其本质应当归结为操作者与机器人智能水平的分配问题.从系统人机合作的逻辑层次角度对半自主控制模式下的监督与分享控制模型以及完全手动控制模式的直接控制模型进行了分析和研究.通过引入虚拟操作设备及其运行机制,采用系统确认服务模型给出了包含直接控制、监督控制及分享控制3种模式的系统受控Petri网模型,为遥操作机器人系统人机合作问题的解决提供了有意义的参考方案.     

基于虚拟向导的多操作者多机器人遥操作系统

网络传输时延的不确定性和机器人之间的有效协调是基于Internet的多操作者多机器人遥操作系统研究的关键问题.采用Java和Java3D技术构建了基于Web的虚拟操作环境,改变了传统上基于视频信息作为反馈的操作模式,克服了网络传输时延对系统操作性能的影响.提出了基于虚拟向导的概念并加以实现,处于异端的操作者能够准确地预测其他操作者的操作意图并实现有效的协调动作.最后,通过两个典型操作实例的分析,验证了系统的合理性与可行性.     

主从遥操作机器人系统的附加反馈力补偿方法

针对主从遥操作系统在临床微创外科手术应用过程中,主操作手的动力学特性会产生附加反馈力,从而影响操作者感知从操作手与环境交互作用的真实反馈力信息,进一步影响操作者做出正确的力控制行为,降低手术的精度、质量和安全性这一问题,提出了一种基于主操作手的附加力补偿方法,使操作者可以精准感知从操作手端的反馈力.首先,研究分析微创手术机器人系统的动力学特性,揭示主手动力学特性对力觉感知的影响规律,其次针对遥操作机器人系统的主手PHANTo M建立计及关节摩擦力的动力学模型,并采用最小二乘法对模型进行参数辨识和参数验证.在此基础上,提出了具体的附加反馈力补偿策略.最后,采用精确位置监督控制,通过遥操作实验平台,对附加反馈力补偿方法进行对比实验分析.结果表明:经过附加反馈力补偿之后,主操作手X、Y、Z 3个方向上的反馈力精度较未补偿之前分别提升3.9%、5.0%和2.1%,说明该附加反馈力补偿方法可有效地减轻主操作手的惯性力、重力和关节摩擦力对操作者感知从手端反馈力的影响.     

智能机器人视觉和力觉系统在工业中的应用

针对工业机器人在智能生产环节中出现的柔性和自动化程度不高问题,提出基于视觉和力觉的智能机器人系统,在传统工业机器人平台的基础上,添加机器视觉和力控技术,赋予机器人更强的智能性,并结合3D无序抓取、焊缝跟踪和力觉牵引示教案例,验证了智能机器人系统相对传统工业机器人在柔性和自动化程度上的显著优势,极大拓展了工业机器人应用领域的广度与深度。     

一种基于Internet的遥操作机器人系统——Telerobot

随着Internet的广泛应用和遥操作技术的发展,通过Internet控制异地硬件设备已成为可能。采用由Internet服务器和机器人服务器构成的两层服务器结构建立了一个基于Internet的遥操作机器人系统。该系统允许任何地方的使用者通过web浏览器对一台PUMA562机器人进行控制,完成抓取、搬运与推放操作。     

网络机器人遥操作系统H.264帧内编码改进算法

H．264／AVC标准算法是目前最适合低速率下进行图像压缩传输的算法之一,但是帧内图像压缩编码后数据量依然比较大,对于网络机器人遥操作系统应用来说依然影响系统的实时性．结合基于网络的机器人遥操作系统中机器人控制的特点,文中对H．264／AVC标准算法中帧内编码提出了一种改进算法,即对于机器人本体部分图像采用帧内预测编码,而对背景部分图像采取帧问运动补偿编码．利用图像投影原理和机器人运动学方程,能够快速实现机器人部分视频对象分割,从而满足帧内编码改进算法的要求。     

大刚度环境下力反馈主手自适应算法研究

针对机器人力反馈主手在大刚度环境下的稳定性和透明性下降问题,提出了一种力觉渲染与反馈的自适应算法。通过改进虚拟墙壁模型引入力的空间梯度,根据力信号随主手末端位置的变化率来自适应选取不同的控制策略,对大刚度环境下的阻抗显示力反馈主手的力觉输出进行渲染。仿真试验表明,该算法可在消除振荡、保障系统稳定的基础上,恢复输出刚度,提高系统的操作透明性。