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.     

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.     

显微外科手术机器人协同工作空间分析

介绍了自主研发的"妙手"主从遥操作显微外科手术机器人系统,该系统的主手为两个Phantom Desktop装置.确定合理的主手布局对于提高整个系统的易操作性有重要的作用.运用蒙特卡罗法对主手的单个和协同工作空间进行了分析.通过不同布局时主手协同工作空间的对比分析,得出如下结论:当两只主手相对布置、两主手中心点之间相距300mm时,可获得最大的形状规则的共同工作空间.研究结果不仅对改进"妙手"系统的性能有重要意义,而且对于研制开发双操作臂主手也有重要的参考价值.     

基于工作空间的主从式机器人比例系数分析

传统的主从同构式医疗机器人系统不能同时满足对主手操作舒适性和从手专用性的要求。主从异构式医疗机器人系统可以根据主手操作舒适性和从手专用性分别设计主手和从手,满足了对主手和从手的不同要求。主从比例系数是主从异构式机器人系统的一个重要参数。以“妙手”系统为研究对象,在确保主手和从手均满足显微血管缝合手术工作空间要求的基础上,通过对主手协同工作空间和从手协同工作空间分析,确定了主手与从手的比例系数。该系数保证系统能够顺利完成手术动作。     

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.     

基于3DS MAX和OpenGL的遥操作机器人图形建模

以MOTOMAN-SV3X机器人为原型,针对遥操作虚拟预测环境建模的需要,首先将机器人进行分解,在3DS MAX中建立各个局部几何模型,然后在Visual C 6.0环境下读取模型参数,借助OpenGL图形库建立机器人及其工作环境的几何模型,并建立机器人运动的层次关系,实现虚拟从机器人的平滑运动显示.最后,成功完成了虚拟环境中物体抓取的仿真实验.该方法将3DS MAX的强大功能与OpenGL的灵活交互相结合,满足了虚拟预测环境建模的形象和逼真的要求,缩短了开发周期,同时具有良好的人机交互功能.     

多机器人遥操作系统分布式虚拟环境平台

针对多机器人遥操作系统,建立了多用户分布式虚拟环境。分析了多机器人遥操作系统组成以及分布式客户端操作的特点,构建了分层软件结构,并研究了虚拟环境场景控制、分布式网络传输、分布式虚拟环境一致性以及虚拟环境建模等问题。该分布式虚拟环境能够适应遥操作系统的应用,提高用户的工作效率和协作性。     

遥操作机器人系统的位置差-力差双向控制策略研究

针对目前遥操作机器人双向控制策略中所存在的力反馈冲击过大及主、从手间的位置跟随特性差等问题,综合传统的位置对称型和力偏差反馈型控制方法的优点,提出新型的位置差-力差双向遥操作机器人控制策略.通过仿真验证了所设计控制器的有效性.仿真结果表明,所设计的控制器,既解决了力反馈冲击问题,又提高了主、从位置跟随精度,从而提高了遥操作机器人系统的操作性能.     

虚拟指尖力传感器的建模与实现

为了在灵巧手动力学研究领域提供更多的研究工具,根据真实三维指尖力传感器的原理,运用力传感器弹性体建模的方法,构造了虚拟指尖力传感器的模型。为了求解力传感器模型的弹性体变形量,采用了一种动力学方程数值积分方法。该虚拟指尖力传感器,通过在机器人灵巧手虚拟现实遥操作平台上的运用,实现了对抓取滑动的判断,并验证了模型的精度。最后,基于滑动的判断,系统确定了一种抓取策略,针对虚拟环境中灵巧手的自主抓取问题进行了有益的探索。     

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.     

多关节连续体机器人的运动分析与遥操作技术

设计了一种多关节线驱动连续体机器人,该机器人共有4个弯曲自由度和1个进给自由度。建立了该连续体机器人的运动学模型,利用MATLAB对其工作空间进行了分析。针对Geomagic Touch设计了三种主从映射算法,实现了连续体机器人的主从异构遥操作控制。通过实验验证了主从控制算法的正确性,展示了连续体机器人良好的弯曲能力,表明该连续体机器人具有一定的控制精度和良好的跟随能力。     

Sensor-less force-reflecting macro–micro telemanipulation systems by piezoelectric actuators

This paper establishes a novel control strategy for a nonlinear bilateral macro–micro teleoperation system with time delay. Besides position and velocity signals, force signals are additionally utilized in the control scheme. This modification significantly improves the poor transparency during contact with the environment. To eliminate external force measurement, a force estimation algorithm is proposed for the master and slave robots. The closed loop stability of the nonlinear micro–micro teleoperation system with the proposed control scheme is investigated employing the Lyapunov theory. Consequently, the experimental results verify the efficiency of the new control scheme in free motion and during collision between the slave robot and the environment of slave robot with environment, and the efficiency of the force estimation algorithm.     

基于WEB的机器人遥操作系统虚拟现实的Java 3D实现

基于WEB的机器人遥操作系统结合传统机器人控制技术及INTERNET技术，已成为机器人研究开发的一个热点之一。该文从一个全新的机器人控制角度，借助适用于Internet环境的跨平台的三维图形开发工具Java 3D进行三维建模，来实现虚拟现实的基于Web的机器人遥操作系统。     

一种新的力觉临场感遥操作机器人系统的控制方法

在分析已有控制方法的基础上，提出了一种新型的控制方法，其主要特点是从手由主从手之间的力偏差信号控制，主手由二者的力偏差和位置偏差控制；建立了系统的动力学模型，并根据二端口网络理论，从理论上研究了新方法在理想透明性能情况下应满足的关系，结果对于力觉临场感遥操作机器人控制器的设计应用具有一定参考价值。     

基于力估计与切换控制的六足机器人三边遥操作

传统三边遥操作系统的力传感器对主从端交互力进行测量时局限性较大,且在共享权重切换时易导致系统不稳定,本 文设计基于力估计与权重切换控制的六足机器人三边遥操作控制架构。 针对系统各端口交互力信息缺失的问题,设计一种非 线性交互力估计器,实现对各端口间交互力的实时估计。 聚焦双操作者控制权重动态调整过整中的柔顺切换问题,本文基于共 享控制策略,设计权重因子自适应切换算法。 为保证所提出系统的稳定性及透明度,融合力估计器及权重切换算法,设计遥操 作系统的控制器。 通过力反馈设备分别和 Vortex 与 ElSpider 六足机器人搭建半物理仿真平台与实物实验平台,对本文提出控 制方法进行验证。 相对于传统三边遥操作,实验表明在平坦地形下速度跟踪性提高了 45. 12% ,力跟踪提高了 64. 71% ;在崎岖 地形下速度跟踪提高了 39. 02% ,力跟踪提高了 29. 41% 。     

基于Java3D的机械臂三维虚拟场景创建及运动学仿真

针对常规方法所构建的机械臂运动仿真可视化虚拟环境并非基于网络特性的问题,研究并采用了Java3D与VRML相结合的方法。通过Loader接口导入VRML造型文件并将其添加到Java3D场景图中进行装配,借助Java语言强大的事件处理模型,结合Java3D中的Interpolator内插器对象和Alpha对象,实现了简单的人机交互操作。最后以实验室的某型号四自由度机械臂为例,成功实现了一个基于Java3D的交互式可视化机械臂运动仿真虚拟环境创建,并采用标准的D-H参数法进行了机械臂正、逆运动学分析与仿真。研究结果表明,该基于Java3D开发的机械臂三维运动仿真系统,不仅效果逼真,而且适于网络的传输,实现了既定的效果;该研究工作在机械臂仿真中具有较大的应用价值。     

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。