空间遥操作机器人力反馈实验系统的研究与实现

本文讨论了在空间遥操作机器人系统中实现力反馈的基本结构及控制方案,并 基于虚功原理给出了实现手控器腕关节力反馈的具体算法．     

力反馈柔性虚拟夹具辅助遥操作

针对未知环境遥操作的操作安全性与操作性能之间相互矛盾的问题,提出并实现一种力反馈柔性虚拟夹具方法.该方法通过引入柔性系数调节机器人倾向于期望运动方向的程度,将离线任务规划与操作者手动控制的优势相结合,在获得一定的操作性能的同时,具有避开离线任务规划路径中障碍的能力,保证了遥操作的安全性.在此基础上,将虚拟力反馈方法融合...     

具有虚拟力觉导引功能的机器人网络遥操作系统

为实现机器人网络遥操作系统中从端机器人和被抓取目标接触前的力觉感知效果,提出了具有虚拟力觉导引功能的机器人网络遥操作系统控制方法．利用单目视觉技术获得末端执行器相对于被抓取目标的位姿信息,并将此信息转换为操作者相对敏感的力反馈信息,引导操作者为远端机器人系统提供合适的控制命令,控制机器人达到期望的位姿．利用手腕相机和人工目标搭建了演示实验系统,并分别进行了机器人位置和姿态遥操作控制实验．实验结果表明,机器人遥操作系统的可操作性和操作效率有了明显提高．     

力反馈水下遥操作系统稳定性分析

在遥操作系统中, 为了提高操作者的交互感知能力, 通常将与环境的接触力反馈回主端. 然而, 反馈力会导 致主端机器人的诱导运动, 使得主端机器人发出不准确的运动指令, 甚至导致闭环系统不稳定. 此外, 在作业过程 中, 水下机械臂不可避免地受到洋流和海浪带来的外部干扰. 针对带有接触力反馈的水下遥操作系统, 本文设计了 一种补偿主端位置漂移的辅助系统, 构造了有限时间干扰观测器, 并讨论了观测时间内系统状态的有界性, 进一步 证明了整个闭环系统是指数输入–状态稳定的. 仿真结果表明, 该方法能够保证变时延和外部干扰条件下水下遥操 作系统跟踪性能.     

一个七自由度带力反馈的遥操作主手的开发

本文展示了一个机器人系统中具有力反馈(Haptic/Force Feedback)功能的遥操作主手的开发。此主手具有七自由度的串联结构,并集成了多个电机以提供力反馈。通过ROS(Robot Operating System)的Rviz仿真环境进行了运动学验证。详述了算法开发过程,如运动学、雅克比矩阵、可操作性、正逆动力学。逆动力学计算的结果可以提供跟力控相关的功能,如重力补偿。通过以上工作,此主手不仅可以作为遥操作的输入端,而且可以将外界的接触力反馈回主手,使其成为一个双向遥操作仪器(Bilateral Teleoperation Device)。因此它可以成为机器人遥操作场景下,尤其是机器人辅助微创手术RAMIS(Robot-assisted Minimally Invasive Surgery)中重要的遥操作工具。     

基于软体手的机器人遥操作人机交互系统研制

为了提升抓取软体物体、易碎物体的完整性,设计制作了一种基于软体手的机器人遥操作人机交互系统。研制了一种嵌入了弯曲传感器的软体主手,获取人手的弯曲电信号,以此判断人手的弯曲程度,实现对软体从手系统的遥操作。并在远端软体从手中嵌入压力传感器,获取软体从手抓取目标时的表面压力电信号,以此来判断软体手抓取目标时的力度,实现力反馈。软体手人机交互系统能够减小传统刚体机械手抓取目标的限制,可有效抓取软体或易碎目标,实验表明了其有效性。     

基于STM32的力觉反馈装置及用于主从遥操作实现

在遥操作系统中为了增强现实及实现本地力觉信号再现功能以提高精细化操作的目的 ,设计了用于人机交互功能的力反馈装置;该装置为单自由度结构,基于步进电机驱动;利用STM32微控制器采集触觉力信号以及关节位移信号,通过设计基于力误差的控制律调整位置变量实现输出力信号与标准力信号的匹配;为了验证该力反馈装置进行了标准力信号再现实验;并且利用该力反馈装置作为主机械手与单自由度从机械手搭建遥操作装置,进行了力、位置双边跟踪实验验证,实现了主、从机械手力、位置协同一致的目的.     

空间机器人遥操作控制系统研究

本文针对空间机器人工作环境特殊性要求,基于无源性理论提出了一种适用于变时延的力反馈双边控制系统,利用PD+d控制器有效补偿了由操作者和从端环境带来的干扰。运用李雅普诺夫函数对系统的稳定性能进行分析,并利用仿真实验验证了系统的透明性和跟踪性。此外,本文所提出的稳定性判别方法,经改进后也可应用于其他控制方案的稳定性分析。     

基于WingMan Force操纵杆的移动机器人遥操作

构建了基于网络通信的遥操作系统,通过人机交互界面完成终端对移动机器人的遥控操作。考虑到视频信息形式单一,在移动机器人遥操作系统中采用WingManStrikeForce3D操纵杆为操作者提供与机器人周围环境相匹配的力信息以提高操作的可靠性。利用Visualc++6.0进行编程,采用DirectInput组件实现操纵杆与上位机之间的连接。实验表明,带有力反馈的遥操作在移动机器人越障等实际作业中有效可行。     

变时延力反馈遥操作机器人系统的内模控制

针对遥操作机器人通讯信道变化时延破坏系统稳定性和透明性的问题,为力反馈遥操作系统建立了内模控制结构,设计了两端控制器,并给出了有界时延摄动下系统鲁棒稳定和满足鲁棒性能准则的控制器参数范围,使系统在变时延下依然稳定并具有良好的透明性．给出的控制方法不仅对时延状况适应性强,而且控制器参数少,相关度低,依据不同性能要求进行选取的灵活性大．     

移动机器人THMR-V遥控系统的设计与实现

介绍了基于视觉的移动机器人THMR-V遥控系统的设计及实施。重点介绍了指挥站测控与监控系统、方向盘力反馈技术、无缝隙切换技术,以及数据与图象无线通信系统。     

基于PHANTOM的虚拟手术系统的研究

对虚拟手术系统中虚拟手术器械的建模、物理模型、碰撞检测、切割等关键技术进行研究,利用Sensable公司开发的PHANTOM力反馈设备以及配套的OpenHaptic软件开发包,构建一个基于力反馈设备的虚拟手术系统。     

支持力反馈的肝脏外科虚拟手术仿真系统

介绍一个用于外科手术的肝脏虚拟手术仿真系统。该系统基于SensAble公司的PHANTOM力反馈设备,利用虚拟现实技术实现肝脏手术过程中有关肝脏及其内部组织的多种手术操作,提供真实的视觉反馈和力反馈,具有良好的实时性。为虚拟现实技术在手术仿真中的实用化探索出一条可行的道路。     

遥操作机器人系统的稳定性研究

遥操作机器人系统由于系统模型的不确定性以及长距离通讯造成的时延,使系统稳定性能变差、透明度下降.本文利用时间前向观测器来推算从机械手的状态,通过对位置、速度和力的反馈参数的设计消除时延对系统的影响.通过仿真验证了所设计的控制器,既可以使系统渐近稳定,又使系统具有良好的透明性.     

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.     

多自由度遥操作系统控制的波变量法

为了将波变量方法用于多自由度遥操作系统,提出了一种更具一般性的多自由度遥操作系统的波变换公式,并扩展了公式参数的选择原则.首先分析了波变量法的原理,并用波变换矩阵替换波阻抗常数b得到多自由度系统的波变换公式.然后从能量的角度分析了波阻抗矩阵的选择原则,根据此选择原则扩展了波阻抗矩阵的选择方法和矩阵之间的约束关系.接着基于耗散理论,分析了扩展的波阻抗矩阵的无源性.最后以3自由度主从遥操作系统为例,分别进行了仿真实验和机器人遥操作实验,实验结果表明所提出的波变换公式能够保证多自由度遥操作系统在时延条件下的稳定性.     

基于物理的虚拟手抓持力觉生成和反馈

提出了一种基于物理的虚拟手静力抓持虚拟物体力觉生成和反馈方法,借鉴机械手抓持原理,在建立基于物理的虚拟手静力抓持通用力学模型并对其进行可解性分析的基础上,针对通用力学模型的多解性,提出了虚拟手最小力螺旋模型以生成力觉,并根据抓持物体的不同,进行模型实例化,实时求得各虚拟手指上的力和(或)力矩,实验结果表明,借助于本文的力觉生成和反馈方法,利用CyberGrasp力觉反馈数据手套,用户可在抓持虚拟物体时感受到真实的接触力。     

基于力反馈的脊柱外科机器人系统的设计与实现

本文针对脊柱椎管狭窄症减压手术中椎管壁磨削不安全这一问题,介绍一种基于力反馈控制策略的脊柱外科机器人系统,包括监控磨削过程的检测子系统、完成磨削手术操作的运动驱动子系统和再现磨削信息状况的控制显示子系统。利用脊柱磨削手术过程中磨削力的变化特点,提出基于力反馈的脊柱外科机器人控制策略,辅助医生实现安全的脊柱手术操作。最后通过仿真实验和模拟骨实验,验证了此基于力反馈控制策略的脊柱外科机器人系统的可行性。