机器人宇航员遥操作运动映射和层次化避奇异方法研究

发布时间：2021-04-02 16:29

目前,传统意义上的空间机械臂难以应对复杂多变的宇航作业,因此更为灵巧智能的机器人宇航员应运而生。但是由于机器人宇航员结构复杂,而且空间工作环境非结构化,目前人工智能和控制等方面的关键技术均不足以支撑全自主机器人执行任务。一种切实可行的方法是将操作者加入控制闭环,采用地面遥操作机器人宇航员的方式完成空间作业。对此本文建立了地面遥操作平台,并对其中的运动映射和避奇异等关键技术进行了研究。首先,搭建了基于Haptic Workstation的机器人宇航员遥操作系统。建立了机器人宇航员7自由度冗余臂的运动学模型,并重点分析了机械臂的闭环逆运动学。遥操作平台集成了CyberForce和CyberGrasp等力反馈设备,实现了对机器人宇航员的实时遥操作控制。完成了Haptic Workstation平台的标定,提出了改进的数据手套标定方法,解决了手套原始读数侧摆关节与弯曲基关节耦合的问题。其次,提出了基于CyberForce操作机器人宇航员臂的运动映射策略。该映射策略主要包含定缩放因子映射、变缩放因子映射和姿态调整映射策略。其中,定缩放因子映射策略主要基于机械臂工作空间的凸包简化表示方法和工作空间包含关系检测算法进行设计,该策略能够确保机械臂拥有尽可能大的实际运动空间。变缩放因子映射策略通过对映射参数的在线调节,能够实现辅助操作者躲避障碍和接近目标物体的效果。而姿态调整映射基于机械臂和CyberForce的末端坐标系进行增量映射,其操作过程直观,操作方法符合操作者的习惯。再次,针对搭建的遥操作系统提出了一种层次化的避奇异方法。该方法能够保证机械臂不会因为奇异性导致运动学计算过程陷入病态。在该方法中,机械臂的层次化奇异区域依据其奇异状态下的关节配置和相应的奇异评价指标进行划分。当机械臂的处于良态奇异区域时,采用虚拟力反馈的方式对主端操作者的运动进行引导。一旦机械臂进入病态奇异区域,就采用改进的轨迹重构法,对机械臂末端轨迹进行重构。最后,在机器人宇航员遥操作平台上,进行了运动映射算法和避奇异算法实验,实验结果证明了上述算法的正确性。通过遥操作抓取电钻实验,证明该平台的有效性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP242

文章目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题背景及研究的目的意义

1.2 机器人宇航员遥操作系统研究现状

1.2.1 美国Robonaut1/Robonaut2遥操作系统

1.2.2 欧洲宇航局Interact Centaur遥操作系统

1.2.3 德国Justin遥操作系统

1.2.4 国内机器人宇航员遥操作系统研究现状

1.3 遥操作平台运动映射研究现状

1.4 机械臂避奇异研究现状

1.4.1 机械臂奇异性指标的研究现状

1.4.2 机械臂奇异性分析的研究现状

1.4.3 冗余机械臂的避奇异算法

1.5 课题来源以及主要研究内容

第2章机器人宇航员遥操作系统运动学建模与标定

2.1 引言

2.2 机械臂运动学建模

2.2.1 机械臂的正运动学建模

2.2.2 机械臂的闭环逆运动学算法

2.3 机器人宇航员遥操作系统搭建

2.3.1 系统组成

2.3.2 系统框架

2.4 遥操作平台的标定

2.4.1 改进的数据手套标定

2.4.2 CyberGrasp的标定

2.5 本章小结

第3章遥操作运动映射的研究

3.1 引言

3.2 工作空间分析

3.2.1 机械臂的工作空间分析

3.2.2 CyberForce的工作空间分析

3.3 运动映射策略

3.3.1 定缩放因子映射

3.3.2 变缩放因子映射

3.3.3 姿态调整映射

3.4 映射方案实施

3.5 遥操作运动映射仿真实验

3.5.1 定姿态移动

3.5.2 变缩放因子移动

3.5.3 姿态调整

3.6 本章小结

第4章层次化避奇异算法

4.1 引言

4.2 机械臂的奇异性分析

4.2.1 机械臂的奇异状态

4.2.2 机械臂的奇异区域定义

4.3 基于机械臂奇异指标优化的虚拟力反馈

4.3.1 虚拟力的方向

4.3.2 虚拟力大小的计算

4.4 改进的轨迹重构法

4.4.1 轨迹重构法的基本思想

4.4.2 轨迹重构法的改进

4.5 层次化避奇异策略

4.6 避奇异仿真分析

4.6.1 接近奇异位置

4.6.2 奇异位置出发

4.7 本章小结

第5章机器人宇航员遥操作实验研究

5.1 引言

5.2 实验平台介绍

5.3 遥操作运动映射实验

5.3.1 定缩放因子映射实验

5.3.2 变缩放因子映射实验

5.3.3 姿态调整映射实验

5.3.4 运动映射实验误差分析

5.4 层次化避奇异实验

5.4.1 虚拟力反馈验证

5.4.2 改进的轨迹重构法验证

5.4.3 层次化避奇异实验总结

5.5 综合实验

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢

【参考文献】