面向空间机器人遥操作的环境建模与人机交互技术研究

发布时间：2020-04-20 00:06

【摘要】：太空探索一直是空间科学研究的热点,然而太空环境具有微重力、强辐射、不确定性等特点,对航天员的实地探索造成了极大的安全威胁,同时,完全自主的智能机器人难以在短期内实现,因此,人在回路的空间机器人遥操作仍是现阶段太空探索的主要技术手段,即地面的操作人员提供作业指令,控制空间机器人执行任务,作业过程中的多感知信息反馈给操作者,实现“身临其境”的作业感受,以顺利完成作业任务。本文以空间机器人遥操作为任务背景,对环境建模与人机交互技术进行分析,依次从基于虚拟环境的空间机器人遥操作系统的设计方法、非结构化虚拟环境建模方法、可移动作业对象动力学在线建模与修正,以及非结构化环境中虚拟力约束动态生成及共享控制方法等方面展开深入研究。针对空间机器人遥操作的作业需求,设计并搭建了基于虚拟环境的空间遥操作机器人地面验证系统。首先建立了基于力反馈手控器、SChunk机械臂的主从异构设备的运动学模型,提出了基于位置增量累计映射的方法,实现主从异构机械臂高精度、大空间位姿控制;然后完成了虚拟环境建模,包括虚拟机械臂建模、虚拟环境建模、虚拟力反馈建模,并提出了一种分段线性力空间映射方法,解决了大范围虚拟力反馈向具有小范围输出力的力反馈手控器映射问题;最后完成了从端环境中的感知系统设计、基于ROS的机械臂及多信息控制系统,为后续空间遥操作机器人系统的性能研制及验证提供了理论依据和实验平台。针对非结构化环境作业的需求,提出了一种基于RGB-D点云数据的非结构化环境建模方法,主要包括点云描述的环境几何建模与虚拟力反馈建模。首先对于环境几何建模采用基于多坐标系融合的机械臂辅助预配准,提出了基于SURF-表面法向量特征的点云粗配准,融合颜色与深度特征提高特征点匹配精度,采用了色相辅助的ICP算法进一步完成点云精细化配准,提出了一种点云自适应下采样算法,实现了点云间距的均匀性;然后对于虚拟力反馈建模,采用了一种基于包围球的点云碰撞检测方法,实现了交互设备与点云间实时碰撞检测,同时提出了一种基于表面法向量预估虚拟代理运动的算法,完成了虚拟代理的实时运动估计;最后通过实验验证了本文所采用算法的有效性。针对机器人遥操作领域中动态交互的动力学建模问题,将可移动作业对象类的的动力学建模作为研究重点,提出了一种可移动作业对象动力学建模和在线修正的系统架构。首先研究了碰撞动力学模型与摩擦动力学模型,采用了线性质量-阻尼-弹簧的碰撞模型和改进的Karnopp摩擦动力学模型,提出了一种基于受力突变的运动状态分割算法,完成了交互对象的静态、临界状态和滑动状态的分割;然后研究了基于自适应遗忘算子的迭代最小二乘法、基于遗忘算子的滑动窗口最小二乘法两种方法对环境模型参数进行在线辨识;其次基于所估计的模型参数,实现了虚拟环境中的虚拟力反馈建模与虚拟对象运动预测,同时提出了基于手部力觉最小可觉差的分段模型偏差修正算法,一方面保证了环境模型参数的准确,另一方面降低了通讯带宽压力;最后通过实验验证了本文所提出的方法的有效性。针对人在回路系统中不可避免的人为随机输入导致的消极影响,研究一种基于RGB-D点云数据结构、适用于非结构化环境的动态虚拟力约束建模方法。首先从两方面展开研究内容,一方面为了防止任意危险碰撞对机械臂及物体的损坏,提出了一种基于局部表面估计的禁止区域保护的力约束构建方法,另一方面为了提高操作效率、克服视觉偏差,提出了一种基于局部预测的动态引导型力约束建模方法;然后针对系统中多模态力反馈、虚拟代理点引入的问题,提出了一种人机共享控制策略,实现了基于模糊逻辑的力约束实施方法;最后通过多试验者对系统进行了评估,并对多模式虚拟力反馈遥操作系统进行了实验分析,验证了方法的有效性。
【图文】：

快车,美国国防部,研究项目,轨道

外研究现状空间遥操作机器人技术对于航天活动如空间站的科学实验、月球探索等的、日和西欧各国投入了大量的人力物力，竞相开始相关技术研究，本节阐典的空间机器人遥操作系统。从 20 世纪 80 年代初就陆续开展了一系列空间机器人遥操作系统的研制，轨装配维修、星球探索等领域研制空间机器人[6]。1993 年，NASA 针对空制出了具有初步临场感效果的遥操作机器人 FTS 系统和 DTF-1 系统，并飞机中。FTS 系统主要在空间站上执行各种装配、维修及协助视觉监测等TS 由两个机械臂及一个定位腿组成，属于类人机器人，机械臂运动结构是力矩传感器安装在机械臂末端，工作于遥操作模式下。0 年，NASA 开始研制人形机器人 Robonaut[7]，，以便代替航天员完成舱外活可以通过遥操作进行控制。利用数据手套、跟踪器和头盔检测操作者的手运动，将其直接映射到 Robonaut，生成机器人控制指令，控制机器人完成务，如空间漂浮物抓取等任务。

加拿大,凤凰,操作臂,空间站

图 1-3 凤凰计划地面测试实验1981 年加拿大制造的操作臂系统（SRMS）随哥伦比亚号航天飞机一起升空[8]，飞机上释放、捕捉、回收有效载荷，该系统是第一个可操作的空间机器人系统，作方式采用无力反馈的在轨遥操作，主从端通讯时延很小，时延的影响可忽略不1 年，加拿大又研制了具有大型的对称结构的机械臂和机械灵巧手的空间站遥操臂系统 SSRMS，冗余度高、操作更加灵活，用来建造维护空间站、搬运空间站内器、协助宇航员完成一些高难度空间作业任务。图 1-4 加拿大空间机械臂
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242

【参考文献】