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力反馈数据手套与遥操作机器人系统研究
中文名称: 力反馈数据手套与遥操作机器人系统研究
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论文编号: 3116822收藏本论文】【我的收藏】【我要投稿
英文名称: The Research on Force Feedback Dataglove and Teleoperation Robot System
学位类型: 博士毕业论文
作者: 涉及隐私,隐去***  作者本人请参看权力声明>>
导师: 涉及隐私,隐去***
毕业学校: 涉及隐私,隐去***
专业: 测试计量技术及仪器
毕业年份: 涉及隐私,隐去***
关键字: 遥操作 机器人 通信时延 力反馈 数据手套 虚拟现实 电流变体 操作模式 遥操作机器人
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论文简介:遥操作机器人系统是在人们多年研究全自主式机器人并且经历了若干次失败之后提出的一种具有实用意义的机器人方案。本文作为国家863项目“远程操作机器人的智能控制技术及其手控器研究”和国家973项目“力觉触觉虚拟现实研究”的部分内容,主要介绍了基于力反馈数据手套、HCOl手控器、MOTOMAN机器人、Internet网等设备构建的交互式遥操作机器人实验平台,并且在此基础上做了一些相关的研究工作。 首先,分析了国内外基于Internet遥操作机器人的研究现状和主要存在的问题,认识到影响遥操作机器人系统操作性能(稳定性和透明性)的主要原因是信号传输过程中存在时延,简单总结了目前解决时延的几种方法,通过比较提出解决通信大时延对遥操作机器人系统影响最好的方法是采用虚拟现实技术、临场感技术和交互技术等相结合,根据具体的任务让机器人系统工作在其最合适的工作模式。 数据手套是目前常用的人一机交互的手段之一,但其大多不具备力反馈功能。文中分析了现有很少的几种力反馈数据手套的现状,发现它们性能不尽理想,在此基础上研制了一种基于电流变液的力反馈数据手套。该手套以美国Immersion公司生产的具有18传感器的数据手套为基础,增加基于电流变液体的力反馈装置。电流变液由基础液(如油)和悬浮颗粒组成,颗粒的大小在1/10~1/100微米数量级,受电场的作用,其性能发生较大的变化,主要表现在液体的粘度随电场的变化作相应的快速变化,当电场足够强时变成固体。电流变液体在电场作用下产生电流变效应,其重要特征是使电流变液体的力学性能发生了特殊的变化,即在静态下具有抗剪能力,并且存在一个明显的屈服应力,这个抗剪切应力成为力反馈数据手套方案中力觉再现的力的来源。 接着,介绍了基于Internet遥操作机器人实验平台的三套方案。第一套为国家863项目的研究内容,以自行研制的HCOl手控器作为主端设备,MOTOMAN-SV3X作为从端设备,基于Internet通讯构成主从式遥操作机器人控制系统。第二套为国家973项目的部分研究内容,利用其研究成果力反馈数据手套替代HCOl手控器,位置的测量采用与数据手套配套的flock bird三维六自由度位置跟踪器。考虑到第二套方案中,没有臂部力觉反馈功能,并且位置跟踪器测量基于磁场易受干扰的影响,又提出一种综合方案-将力反馈数据手套和HCOl手控器结合起来,力反馈数据手套测量手指部分的位置并产生力觉反馈,手控器测量手部空间位置并产生臂部的力觉反馈。 在成功构建遥操作机器人实验平台的基础上着重做了以下几个方面的研究:⑴通讯时延对系统稳定性和透明性的影响。⑵手部建模及其交互操作。数据手套的出现为在人机交互中充分发挥手在交互过程中的自然性、灵巧性和适应性创造了条件,使基于手势的交互技术的实现成为可能,文中以美国Immersion公司生产的CyberlGlove作为手势输入设备,描述了在虚拟场景中一个虚拟手模型的实现。利用关节机器人建模理论对人体手部建模。采用D-H坐标表示方法建立了一般性模型,进而对自由度进行简化,得到一个适合遥操作机器人系统实验平台的简化模型。⑶从机器人及环境建模。在力觉临场感系统中,本地操作者和远地从机器人之间存在着通信时延,解决大时延问题的最有效方法是采用虚拟现实技术。本地的操作者完全依靠观察虚拟从机器人和虚拟环境的交互来完成实际从机器人的作业任务,因此虚拟现实建模的准确性将影响到实际机器人能否完成操作任务以及完成的效果如何。虚拟现实建模主要包括从机器人和环境的几何学建模和运动学建模。几何学建模描述了虚拟物体的三维造型及其外观。对从机器人的几何建模采用了基于3DS MAX建模和OpenGL编程的机器人的交互式图形仿真方法,大大提高了建模工作的效率,并且所建模型完全符合形象逼真的要求。⑷多种操作模式及其实验研究。为了有效克服时延对遥操作机器人系统的影响,可以采用基于虚拟现实技术的遥操作,但虚拟现实技术需要准确建立现场环境的几何学、动力学等模型,这极大地限制了虚拟现实技术的效果。文中提出将临场感方式、虚拟现实方式与自主控制方式相结合得到多种不同的工作模式。针对不同的任务选用合适的工作模式,有效地克服或减轻通讯时延对遥操作机器人系统的影响。通过实验深入研究了完全自主模式、局部自主模式、监控模式、预见显示模式和远程示教模式等工作模式。最后,对基于Intemet遥操作机器人系统实验平台进行了全面测试,结果表明试验平台的设计达到了预期的指标要求。
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