纹理触觉再现技术的研究现状及发展

物体一个非常重要的触觉特征是它具有表面纹理信息,人们可以通过触摸物体获得这种感觉.在虚拟现实或遥操作领域,将虚拟的或远地的物体的纹理信息再现并作用于操作者手部,不仅可以增强系统的临场感,而且可以帮助操作者识别不同特性的虚拟物体.触觉再现技术近几年已成为虚拟现实和遥操作领域研究的前沿技术,文中介绍了当今世界上仅有的几种可以再现纹理触觉的方法,并比较他们各自的优缺点.最后,指出纹理触觉再现技术的发展思路.     

大时延环境下的虚拟现实临场感遥操作系统

系统地讨论了基于虚拟现实技术的机器人无线遥控系统,并以液压伺服驱动的工程机器人为研究对象,搭建了具有临场感的机器人遥操作平台.针对遥操作中普遍存在的时延问题,采取视频监控与虚拟现实相结合的技术,通过在控制回路中引入仿真机器人和虚拟环境来解决.基于虚拟现实的遥操作,操作人员直接面向虚拟场景中的图形机器人来完成遥控作业任务,而现场端的视频信息反馈只起到辅助监控的目的,这样就可以利用图形机器人对操作者输入指令的即时响应来避开底层通讯时延的影响,现场机器人的动作是经过一定时间延迟后图形机器人运动的再现.实验表明,本系统可以较好地实现大时延遥操作中的临场感作业.     

遥操作机器人位置反馈型H_∞双向伺服控制系统研究

针对目前遥操作机器人双向伺服控制策略中存在的主、从手间位置跟随性差,以及抓取刚性物体时主手所受反馈力冲击过大等问题,提出了一种位置反馈型H∞双向伺服控制算法.同时,采用状态观测器消除操纵杆液压系统动态特性差异及系统的阻尼、摩擦力、惯性阻力等干扰因素.搭建二自由度同构型主从遥操作系统试验台,并进行了现场试验.结果表明,所提出的位置反馈型H∞双向伺服控制策略能有效地改善高刚性操纵杆力觉临场感和主从位置跟随特性,并能很好地解决反馈力瞬间冲击问题,为力觉临场感遥操作机器人走向实用化提供了宝贵经验和关键技术.     

遥操作工程机器人运动提示系统研究

为了实现在无线网络环境下遥操作工程机器人的运动临场感,设计一种基于WLAN的遥操作工程机器人运动提示系统。给出了构成该系统的三自由度运动提示平台、液压系统、无线通信系统和测控系统的组成及原理,对运动提示方法、平台运动学及其跟随特性进行了理论分析和实验研究。结果表明,系统组成方案可行,运动提示平台跟随特性较好,跟随精度可满足工程要求。研究结果可为无线网络环境下具有临场感的遥操作工程机器人系统的开发提供借鉴指导。     

基于虚拟现实的力觉临场感系统及其稳定性分析

时延是影响力觉临场感遥操作系统正常作业的突出问题,而虚拟现实技术是解决时延问题的有力手段.本文通过将虚拟预测环境作为时间前向观测器,构造了基于虚拟现实的力反馈遥操作系统的动力学方程,并在此基础上提出了基于虚拟预测环境误差补偿的控制方法.同时,通过构造了系统的李亚普诺夫函数,对系统的稳定性作了进一步分析.实验结果表明这一方法在保证稳定性的基础上很好的缓解了时延带来的影响,提高了系统的可操作性.     

基于虚拟现实的空间机器人遥操作地面实验研究

以空间机器人在轨服务为背景,建立了基于虚拟现实的机器人臂/灵巧手遥操作地面实验系统,模拟了空间机器人遥操作的情形.系统主要包括虚拟环境建模、人-机交互接口设计、机器人运动学建模和时延模拟环节.利用该遥操作系统,在模拟的地面-空间大时延（约10 s）遥操作条件下,完成了销孔装配的典型空间装配任务.验证了在结构化环境中遥操作时,虚拟现实技术克服大时延影响的有效性.     

基子虚拟现实机器人灵巧手遥操作平台的设计

该文主要介绍了虚拟现实机器人灵巧手遥操作平台的设计思想,包括硬件的配置和软件模块的配置.该系统具有两个特点一是通过鼠标和键盘直接控制虚拟手,使系统更加实用;二是建立灵巧手抓取物体前的评估机制,提高灵巧手的抓取成功率.     

基于虚拟现实机器人灵巧手遥操作平台的设计

该文主要介绍了虚拟现实机器人灵巧手遥操作平台的设计思想，包括硬件的配置和软件模块的配置。该系统具有两个特点：一是通过鼠标和键盘直接控制虚拟手，使系统更加实用；二是建立灵巧手抓取物体前的评估机制，提高灵巧手的抓取成功率。     

遥操作水下工程机器人触觉可视化系统的研究

为了解决在浑浊的水下作业环境无法获取清晰的视频图像等问题,设计一种遥操作水下工程机器人的触觉可视化系统。采用SolidWorks建模与Opengl函数建模的混合建模方法及Denavit-Hartenberg(D-H)描述方法构建虚拟工程机器人,利用工程机器人末端的力传感器信号将手爪与目标物体的触觉信息显示在虚拟现实操作环境中。实验表明:该系统可实时显示机器人的位姿、目标物体物理特性及其与手爪之间的位置和作用关系。研究结果可为在水下恶劣环境下作业的遥操作工程机器人的虚拟现实系统设计提供指导。     

针对狭窄空间作业的机器人动态视觉系统研究

为应对配网狭窄作业空间内视场遮挡对作业机器人环境感知和定位功能的影响,这里研究了基于遥操作和虚拟/增强现实(VR/AR)技术的高临场感动态视觉感知与定位系统.受人体仅通过弯曲身体就可对物体多角度观测的启发,设计搭建了包含VR头戴设备、六自由度机器人和双目相机的动态视觉感知系统,提出了针对该系统的异构型主从遥操作逆运动学模型,并建立了观测目标绝对位置粗定位模型.试验表明,这里建立的动态视觉系统具有较高临场感,双目相机对VR设备的位置跟踪平均误差≤1.7mm,姿态跟踪平均误差＜2.36°;另一方面,系统在5个不同角度下对一个距离1.1米的红色固定小球球心的空间定位偏差≤1％,能为操控人员提供较精确较高的目标粗定位信息.     

基于Internet力觉临场感遥操作机器人系统的研究

虽然Internet技术扩大了遥操作机器人系统的应用范围,同时也带来了新的问题——时延。针对不同性质的时延本文综述了基于Internet力觉临场感遥操作机器人系统的国内外发展状况、系统构成以及为解决时延问题提出的遥操作系统的主要控制方法并指出了各方法的优缺点,最后展望了其发展前景。     

挖掘机器人遥操作的实现

针对现有半自主遥控挖掘机器人存在的不足,提出一种基于动作的挖掘机器人遥操作控制方案。首先在综合论述该遥操作系统控制原理基础上,重点阐述了挖掘机各工作装置遥操作的实现,并搭建基于动作的挖掘机器人遥操作实验平台进行实验验证。结果表明:该遥操作系统不仅设备简单轻便,操作灵活,而且主-从端跟随性能良好,能达到挖掘机遥操作作业的基本要求,为挖掘机器人遥操作系统的开发与设计提供参考。     

力觉临场感遥操作机器人技术研究进展

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.对临场感遥操作机器人技术的发展和现状作了回顾,对力觉临场感谣操作机器人的三大关键技术:传感技术、力反馈与触觉再现技术、大时延下的虚拟预测环境建模技术等进行了综述;对临场感遥操作机器人技术的最新前沿即基于生物电信息的人机交互技术进行了介绍;最后并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10年来开展临场感遥操作机器人技术研究及应用所取得的成果.     

基于SEM的微纳遥操作系统控制策略研究

为改善基于扫描电镜微纳遥操作系统的力觉临场感与稳定性,针对微纳遥操作系统提出一种基于滑模的阻抗控制策略。主操作手端应用阻抗控制策略,以提高主操作手的顺应性;从操作手端采用基于滑模的阻抗控制策略,解决从操作手端参数的不确定性问题。由于实现上述控制策略需要的微分控制信号难以直接获取,故在主/从控制策略中结合跟踪微分器技术进行在线获取。针对微纳遥操作系统工作于低频带,具有极大的力反馈增益(105以上)特点,利用 Liewellyn稳定判据推导出小延时下系统稳定条件。仿真和实验表明：所提出控制策略具有良好的鲁棒性,能够提供精确的力觉临场感。位置跟踪阶段最大位移误差小于0.5μm;接触阶段操作者能够精确地感知从操作手端1μN接触力。     

力-位置型力觉临场感机器人变增益控制及其稳定性研究

对于力觉临场感机器人系统,在保证系统稳定性的基础上,提高操作透明性是其完成精细任务的关键。本文通过对力-位置型力觉临场感遥操作场机器人系统控制结构的分析,提出了一种变增益力-位置型控制结构,通过改变从端的位置控制增益,提高了遥操作系统的可操作性。同时通过建立系统的动力学方程,利用李亚普诺夫函数分析了系统在约束运动下的稳定性。实验结果表明,这种控制结构在保证系统稳定的基础上实现了良好的控制透明性。     

基于虚拟现实的机器人遥操作关键技术研究

机器人遥操作是实现空间、医疗及深海等领域作业的重要手段,基于虚拟现实的机器人遥操作是克服时延的有效方法,具有透明性强、稳定性高的优点,成为当前机器人遥操作的主要方式。首先分析了基于虚拟现实的机器人遥操作系统的关键组成部分,并对其关键模块的具体作用进行了介绍;其次,归纳分析了各类虚拟现实环境建模方法,主要从几何建模和动力学建模方面展开,阐述了每种方法的应用领域、主要特点;此外,进一步分析了遥操作虚拟夹具设计的构建方法及适用领域。最后对当前存在的难点进行总结,指出今后研究的思路。     

一种基于行为的机器人自主控制器

为提高遥操作中从端机器人的局部自主能力,设计了一种机器人自主控制器.该控制器集成了行为选择、基本行为以及命令融合等功能模块,并基于自适应神经模糊推理系统实现了各种基本行为.最后利用该自主控制器进行了基于网络遥操作的精细作业实验,实验表明,将基于行为的自主控制器引入机器人遥操作作业中,可有效提高机器人系统的作业性能.     

具有力觉感的主从医疗机器人双向控制系统的动力学模型研究

本文基于对主从机器人控制系统的动力学分析,研究了借助力觉临场感技术实现主从医疗机器人遥操作的控制理论和设计方法。在力和运动的双向控制中采用了新型控制方案,从理论上分析了该方案的可行性,显示了临场感技术在增强人机交互能力方面的优越性。     

具有力觉感的主从医疗机器人双向控制方法研究

基于对主从机器人控制系统的动力学分析,研究了借助力觉临场感技术实现主从医疗机器人遥操作的控制理论和设计方法.在力和运动的双向控制中采用了新型控制方案,从理论上分析了该方案的可行性,显示了临场感技术在增强人机交互能力方面的优越性.     

H∞控制的主从遥操作力觉双向伺服控制系统研究

针对力反馈双向液压伺服控制中存在的反馈力冲击大及位置跟随特性差的问题,提出了一种以主／从动机械手之间的力偏差为从动端控制信号,由位置偏差和力偏差形成主动机械手控制量的新型力觉反馈控制策略。结合遥操作工程机器人主从控制的特点,通过对液控操纵杆系统进行H∞控制的状态观测器补偿,改善了液压马达的动态特性差异。进行了力觉双向伺服控制实验,实验结果表明,该控制策略明显改善了主一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,同时该控制策略具有控制简单、收敛速度快、实时性好等特点。