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。     

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.     

广义预测控制方法在网络遥操作机器人系统中的应用

Internet网络的时变时延及网络数据丢包严重影响了遥操作机器人系统的操作性能,甚至造成系统不稳定.为了解决这一问题,提出一种新的基于Intcrnet的遥操作机器人系统控制结构.通过在主端对给定信息加入时间标签获得过去的系统回路时延,采用多元线性回归算法,预测下一时刻系统回路时延,然后在从端设计一个广义预测控制器控制远端机器人,从而改善时变时延对系统性能的影响.应用广义预测控制器产生的冗余控制信息,降低了网络数据丢包对系统的影响.最后根据预测控制稳定性定理,推导出系统的稳定性条件.仿真试验结果表明,该方法能有效解决时变时延以及网络数据丢包引起的性能下降问题.     

基于数据手套驱动的虚拟机器人操作技术

虚拟机器人是机器人遥操作系统基本框架中不可或缺的一部分 ,是解决信号传输中的大时延 ,实现预测显示技术的关键之一。本文首先分析了引起时延的各种因素 ,提出采用预测预演控制方式结合虚拟现实的人机交互方法进行控制可以解决时延对系统可操作性的影响 ,同时探讨了利用数据手套实现虚拟机器人的操作技术 ,试图寻找一种更自然、更易让人接受的虚拟机器人控制方式 ,建立了一套基于数据手套驱动的虚拟机器人Puma5 6 0操作实验系统。实验结果表明 ,通过数据手套的手势输入和识别 ,可以实现操作者对虚拟机器人方便快捷的操作控制 ,是一种人性化的人机交互方法。     

基于虚拟环境的遥操作机器人主从交互系统设计

针对遥操作机器人系统中的时延问题,设计了一种基于虚拟环境的机器人遥操作主从交互系统.利用Java/Java3D进行分布式虚拟环境以及虚拟机器人的三维建模;通过JNI方法建立主手设备与虚拟环境的交互接口.操作者通过操纵主手而对虚拟机器人进行关节驱动,提高了主从控制的实时性.     

基于误差修正的遥操作力反馈技术研究

基于虚拟现实的遥操作技术是目前实现时延下遥操作准确力反馈的重要方法。分析了遥操作虚拟模型误差,提出以虚拟手指尖位移来获取场景中手指碰撞信息,利用基于弹簧、振子、阻尼的动力学模型计算虚拟力。为减小虚拟模型误差,以从端反馈数据修正虚拟场景碰撞信息,采用自适应的最小二乘法实现对动力学模型各参数的在线参数辨识。实验结果表明,上述方法可实现快速模型误差修正,并使虚拟力与真实力基本吻合,提高操作的准确性。     

面向在轨服务的机器人遥操作双边控制

为解决随机分布时延对双边遥操作系统稳定性的影响,将马尔可夫跳变参数技术应用到时延建模中.首先将遥操作系统的一般方程转化为状态空间描述形式;针对时延的随机分布特征,建立了时延分布的马尔可夫跳变模型;在此基础上,利用线性矩阵不等式方法,构建r系统的时延独立稳定性定理,并用李雅普诺夫函数方法进行了证明;最后,在两种马尔可夫概...     

基于线性矩阵不等式空间遥操作系统的鲁棒H_∞控制

针对具有力反馈空间遥操作系统的时变大时延和环境模型参数不确定问题,提出一种基于线性矩阵不等式(Linearmatrix inequality,LMI)的鲁棒H∞控制方法。对于回路时延是未知时变的遥操作系统,该方法只需要已知时延的上下界,可以解决环境模型参数不确定问题,并获得良好的位置和力跟踪性能。将主从端的动力学模型转化成相应的状态空间方程,并将其离散化、合并为一个离散状态空间方程;然后根据该系统方程,基于LMI方法设计状态反馈控制器,通过定义Lyapunov函数分析闭环系统的稳定性,并且分别给出在环境模型参数确定和不确定情况下,使得闭环系统渐近稳定且满足给定位置跟踪性能的充分条件;仿真试验结果表明所提出的方法可使得遥操作系统渐进稳定且具有好的位置和力跟踪性能。     

力觉临场感遥操作机器人系统的时延稳定性分析

在力觉临场感遥操作系统中,通讯时延的存在严重影响系统的稳定性,对时延稳定性的分析集中在定常时延,很少述时变时延的情况,本文从分析系统的动力学方程入手,构造适当的Lyapunov V函数,并据此来分析时变时延下系统处于约束运动状态下的稳定性。