發(fā)布時(shí)間：2020-04-20 00:06

【摘要】：太空探索一直是空間科學(xué)研究的熱點(diǎn),然而太空環(huán)境具有微重力、強(qiáng)輻射、不確定性等特點(diǎn),對(duì)航天員的實(shí)地探索造成了極大的安全威脅,同時(shí),完全自主的智能機(jī)器人難以在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn),因此,人在回路的空間機(jī)器人遙操作仍是現(xiàn)階段太空探索的主要技術(shù)手段,即地面的操作人員提供作業(yè)指令,控制空間機(jī)器人執(zhí)行任務(wù),作業(yè)過程中的多感知信息反饋給操作者,實(shí)現(xiàn)“身臨其境”的作業(yè)感受,以順利完成作業(yè)任務(wù)。本文以空間機(jī)器人遙操作為任務(wù)背景,對(duì)環(huán)境建模與人機(jī)交互技術(shù)進(jìn)行分析,依次從基于虛擬環(huán)境的空間機(jī)器人遙操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、非結(jié)構(gòu)化虛擬環(huán)境建模方法、可移動(dòng)作業(yè)對(duì)象動(dòng)力學(xué)在線建模與修正,以及非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中虛擬力約束動(dòng)態(tài)生成及共享控制方法等方面展開深入研究。針對(duì)空間機(jī)器人遙操作的作業(yè)需求,設(shè)計(jì)并搭建了基于虛擬環(huán)境的空間遙操作機(jī)器人地面驗(yàn)證系統(tǒng)。首先建立了基于力反饋手控器、SChunk機(jī)械臂的主從異構(gòu)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,提出了基于位置增量累計(jì)映射的方法,實(shí)現(xiàn)主從異構(gòu)機(jī)械臂高精度、大空間位姿控制;然后完成了虛擬環(huán)境建模,包括虛擬機(jī)械臂建模、虛擬環(huán)境建模、虛擬力反饋建模,并提出了一種分段線性力空間映射方法,解決了大范圍虛擬力反饋向具有小范圍輸出力的力反饋手控器映射問題;最后完成了從端環(huán)境中的感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于ROS的機(jī)械臂及多信息控制系統(tǒng),為后續(xù)空間遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的性能研制及驗(yàn)證提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。針對(duì)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境作業(yè)的需求,提出了一種基于RGB-D點(diǎn)云數(shù)據(jù)的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境建模方法,主要包括點(diǎn)云描述的環(huán)境幾何建模與虛擬力反饋建模。首先對(duì)于環(huán)境幾何建模采用基于多坐標(biāo)系融合的機(jī)械臂輔助預(yù)配準(zhǔn),提出了基于SURF-表面法向量特征的點(diǎn)云粗配準(zhǔn),融合顏色與深度特征提高特征點(diǎn)匹配精度,采用了色相輔助的ICP算法進(jìn)一步完成點(diǎn)云精細(xì)化配準(zhǔn),提出了一種點(diǎn)云自適應(yīng)下采樣算法,實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)云間距的均勻性;然后對(duì)于虛擬力反饋建模,采用了一種基于包圍球的點(diǎn)云碰撞檢測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)了交互設(shè)備與點(diǎn)云間實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè),同時(shí)提出了一種基于表面法向量預(yù)估虛擬代理運(yùn)動(dòng)的算法,完成了虛擬代理的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)估計(jì);最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所采用算法的有效性。針對(duì)機(jī)器人遙操作領(lǐng)域中動(dòng)態(tài)交互的動(dòng)力學(xué)建模問題,將可移動(dòng)作業(yè)對(duì)象類的的動(dòng)力學(xué)建模作為研究重點(diǎn),提出了一種可移動(dòng)作業(yè)對(duì)象動(dòng)力學(xué)建模和在線修正的系統(tǒng)架構(gòu)。首先研究了碰撞動(dòng)力學(xué)模型與摩擦動(dòng)力學(xué)模型,采用了線性質(zhì)量-阻尼-彈簧的碰撞模型和改進(jìn)的Karnopp摩擦動(dòng)力學(xué)模型,提出了一種基于受力突變的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分割算法,完成了交互對(duì)象的靜態(tài)、臨界狀態(tài)和滑動(dòng)狀態(tài)的分割;然后研究了基于自適應(yīng)遺忘算子的迭代最小二乘法、基于遺忘算子的滑動(dòng)窗口最小二乘法兩種方法對(duì)環(huán)境模型參數(shù)進(jìn)行在線辨識(shí);其次基于所估計(jì)的模型參數(shù),實(shí)現(xiàn)了虛擬環(huán)境中的虛擬力反饋建模與虛擬對(duì)象運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè),同時(shí)提出了基于手部力覺最小可覺差的分段模型偏差修正算法,一方面保證了環(huán)境模型參數(shù)的準(zhǔn)確,另一方面降低了通訊帶寬壓力;最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提出的方法的有效性。針對(duì)人在回路系統(tǒng)中不可避免的人為隨機(jī)輸入導(dǎo)致的消極影響,研究一種基于RGB-D點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、適用于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的動(dòng)態(tài)虛擬力約束建模方法。首先從兩方面展開研究?jī)?nèi)容,一方面為了防止任意危險(xiǎn)碰撞對(duì)機(jī)械臂及物體的損壞,提出了一種基于局部表面估計(jì)的禁止區(qū)域保護(hù)的力約束構(gòu)建方法,另一方面為了提高操作效率、克服視覺偏差,提出了一種基于局部預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)引導(dǎo)型力約束建模方法;然后針對(duì)系統(tǒng)中多模態(tài)力反饋、虛擬代理點(diǎn)引入的問題,提出了一種人機(jī)共享控制策略,實(shí)現(xiàn)了基于模糊邏輯的力約束實(shí)施方法;最后通過多試驗(yàn)者對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估,并對(duì)多模式虛擬力反饋遙操作系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析,驗(yàn)證了方法的有效性。
【圖文】：

外研究現(xiàn)狀空間遙操作機(jī)器人技術(shù)對(duì)于航天活動(dòng)如空間站的科學(xué)實(shí)驗(yàn)、月球探索等的、日和西歐各國(guó)投入了大量的人力物力，競(jìng)相開始相關(guān)技術(shù)研究，本節(jié)闡典的空間機(jī)器人遙操作系統(tǒng)。從 20 世紀(jì) 80 年代初就陸續(xù)開展了一系列空間機(jī)器人遙操作系統(tǒng)的研制，軌裝配維修、星球探索等領(lǐng)域研制空間機(jī)器人[6]。1993 年，NASA 針對(duì)空制出了具有初步臨場(chǎng)感效果的遙操作機(jī)器人 FTS 系統(tǒng)和 DTF-1 系統(tǒng)，并飛機(jī)中。FTS 系統(tǒng)主要在空間站上執(zhí)行各種裝配、維修及協(xié)助視覺監(jiān)測(cè)等TS 由兩個(gè)機(jī)械臂及一個(gè)定位腿組成，屬于類人機(jī)器人，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)是力矩傳感器安裝在機(jī)械臂末端，工作于遙操作模式下。0 年，NASA 開始研制人形機(jī)器人 Robonaut[7]，，以便代替航天員完成艙外活可以通過遙操作進(jìn)行控制。利用數(shù)據(jù)手套、跟蹤器和頭盔檢測(cè)操作者的手運(yùn)動(dòng)，將其直接映射到 Robonaut，生成機(jī)器人控制指令，控制機(jī)器人完成務(wù)，如空間漂浮物抓取等任務(wù)。

圖 1-3 鳳凰計(jì)劃地面測(cè)試實(shí)驗(yàn)1981 年加拿大制造的操作臂系統(tǒng)（SRMS）隨哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)一起升空[8]，飛機(jī)上釋放、捕捉、回收有效載荷，該系統(tǒng)是第一個(gè)可操作的空間機(jī)器人系統(tǒng)，作方式采用無(wú)力反饋的在軌遙操作，主從端通訊時(shí)延很小，時(shí)延的影響可忽略不1 年，加拿大又研制了具有大型的對(duì)稱結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂和機(jī)械靈巧手的空間站遙操臂系統(tǒng) SSRMS，冗余度高、操作更加靈活，用來(lái)建造維護(hù)空間站、搬運(yùn)空間站內(nèi)器、協(xié)助宇航員完成一些高難度空間作業(yè)任務(wù)。圖 1-4 加拿大空間機(jī)械臂
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP242

【參考文獻(xiàn)】

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1 田志宇;黃攀峰;劉正雄;;輔助空間遙操作的虛擬管道設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J];宇航學(xué)報(bào);2014年07期

2 李清華;燕雁;;“一箭三星”成功發(fā)射3顆技術(shù)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星[J];中國(guó)航天;2013年08期

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7 宋愛國(guó),蔣洪明,黃惟一;臨場(chǎng)感遙控作業(yè)機(jī)器人的力覺虛擬現(xiàn)實(shí)建模研究[J];測(cè)控技術(shù);2000年09期

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1 蔣再男;基于虛擬現(xiàn)實(shí)與局部自主的空間機(jī)器人遙操作技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2633903