基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法

针对力反馈遥操作中传统人工势场法无法适应于机械臂整体的避障以及在作业过程中操作者难以控制机械臂到达所需位姿的问题,提出了一种基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法。力反馈设备向操作者提供力觉交互。通过结合人工势场法和虚拟夹具,构建管道形虚拟力场,生成实时虚拟力引导,实现协助操作者完成从端机器人的整体避障任务并在完成避障后引导机器人返回预定义路径并趋近目标点。当进行抓取任务时,构建锥形虚拟力场,实现协助操作者操作机械臂到达目标位置和姿态。此外,提出了一种机器人运动限制方法以降低操作者的操作失误对抓取任务的影响。实验证明,该方法能有效提高目标抓取操作的成功率和操作效率。     

基于人工势场法的虚拟夹具建模技术研究

虚拟夹具是在计算机仿真技术、力反馈技术、人工智能等基础上发展起来的一种新兴机器人遥操作辅助技术.基于人工势场法的虚拟夹具建模技术研究对提高机械臂末端抓手自动防撞具有重要意义,特别是在非结构环境和一些工作空间环境难以建模的情况下,应用虚拟夹具法来限制机械臂末端的运动空间,可防止机械臂与周围环境发生碰撞.为此,使用OpenGL与C++相结合的编程方法设计并实现了三角片元法构建虚拟管道的几何模型,采用人工势场法计算实时虚拟力的虚拟夹具建模算法,通过仿真实验验证该算法能有效限制机械臂末端的运动空间及正确计算虚拟力.     

基于实时点云建模虚拟夹具辅助力觉交互研究

为满足遥操作的精度和实时性要求,应对在操作过程中出现的目标工件形状发生变化或与机械臂末端间出现相对移动等状况,提出一种融合RGB与深度图像信息的点云建模方法。对未知的操作环境进行实时建模,在此基础上实时构建虚拟夹具,继而研究遥操作系统中的力觉交互环节。实验结果表明,基于实时点云建模的虚拟夹具能够有效辅助操作者操纵力反馈设备与点云进行力觉交互,力觉临场感效果良好,可用于规避固定或动态障碍物,完成相对精确的操作任务。     

基于视觉/力觉辅助的遥操作系统研究与实现

针对多变未知的作业环境以及复杂繁多的作业任务,设计一种基于视觉/力觉辅助作业的遥操作系统.首先,利用Kinect摄像头采集作业现场的3D点云数据,结合虚拟现实技术,在计算机上将虚拟机械臂模型叠加到真实环境中,同时显示虚拟模型与现场信息,提高操作人员的现场感知能力;根据获取的障碍物和目标物体位置信息,建立人工势场,增强操作者控制远端机械臂进行避障及接近目标物体操作的能力,完成环绕和避障任务.该方案在7自由度Schunk机械臂上得到了实现.结果表明,此方案可以很好地弥补虚拟环境缺乏现场信息的缺点,提高了遥操作系统的可靠性.     

一种基于多视角图像的目标物体定位方法

在遥操作机械臂时,为了能有一个更加友好的人机交互界面,往往需要在控制界面中构建一个虚拟的机械臂以及机械臂工作空间,所以,在虚拟工作空间中标示出目标物体与虚拟机械臂的相对位置,给操作人员一个直观的提示,是虚拟工作空间重构的关键问题.针对机械臂遥操作,提出了一种基于不同视角图像的快速高效的定位方法,该方法根据目标物体在多个不同视角图像中的位置,计算出目标物体在实际工作空间中的位置,从而在虚拟机械臂工作空间中标示出目标物体与虚拟机械臂的相对位置.最后,构建了机械臂遥操作实物系统,验证了该方法的正确性.     

虚拟现实辅助的空间遥操作系统设计

虚拟现实技术是解决具有大变时延特点的空间机器人遥操作过程的关键技术之一.针对空间遥操作过程的大变时延、带宽有限、单次操作弧段短、人在回路中易出现时空分离感的特点,利用虚拟视觉和虚拟夹具辅助的虚拟力反馈技术设计并开发了一套空间机器人遥操作系统,避免了传统遥操作作业过程的“运动-等待”现象.重点分析了空间遥操作过程的特点,给出了遥操作系统的运行原理,论述了立体视景的构建过程,提出了虚拟力生成原理和速度型虚拟夹具原理,讨论了系统实现过程中的关键技术,并通过目标停靠试验验证了设计的空间遥操作系统能够准确、快速地完成空间r操作任务.     

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.     

虚拟现实辅助机器人遥操作技术研究

本文以水下机器人的遥操作作业为应用背景,提出并实现了虚拟现实技术和视觉感知 信息辅助机器人遥操作实验系统．该系统使用了CAD模型和立体视觉信息完成遥操作机器人 及其作业环境的几何建模和运动学建模,实现了虚拟作业环境的生成和实时动态图形显示． 采用了基于立体视觉的虚拟环境与真实环境的一致性校正、图形图像叠加、作业体与环境位 姿关系建立、基于网络的监控通讯等关键技术．在这个实验系统中,操作人员可利用所生成 的虚拟环境,在多视点、多窗口作业状态图形和图像显示帮助下,实时动态地进行作业观测 与机器人遥操作与运动规划,为先进遥操作机器人系统的实现提供了经验和关键技术．     

绳驱超冗余空间柔性机械臂遥操作系统设计与实验研究

针对绳驱超冗余空间柔性机械臂的运动特点和在大范围工作空间快速运动、避障及狭小空间作业和触碰情况下精细操作等在轨遥操作任务需求,设计并研制了适应多种工况的基于手控器和虚拟现实（VR）手柄组合的遥操作人机交互系统。对狭小空间作业和避障等工况进行分析,提出了基于自由度动态组合和末端―臂形同步规划的遥操作方法。最后,完成了穿越卫星太阳帆板狭缝的典型实验,实验验证了遥操作系统的工程实用性,以及柔性机械臂遥操作运动规划方法的可行性。因此,配合使用多种人机交互方式组合的遥操作系统和相应的运动规划方法,可使操作者以更加直观自然的方式参与到遥操作系统中,有效提高操作员完成复杂遥操作任务的安全性和操作性能。     

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．