面向操作任务的机器人交互系统研究
发布时间：2021-08-14 14:02
面对灾后救援等环境中的复杂类人操作任务,机器人的自主操作和遥操作至今仍然都是比较复杂的问题。自主系统需要解决对象识别、定位和避障等问题,但单纯的遥操作系统需要处理信息丢失和延迟等通信问题,并向操作员提供及时且适当的反馈和环境感知。为应对以上方案所面对的困难,本文基于ROS（Robot Operating System）平台研究了一种面向操作任务的远程机器人交互系统,对机器人交互系统架构、运动学方案和运动规划方法进行了分析,并设计了融合任务级操作、主从遥操作和关节操作等模式以及虚拟交互仿真功能的人机交互软件,以允许操作员在不同层面上对远端机器人进行有效地监督和灵活便捷地控制。本文根据对灾难环境类人操作任务的应用需求分析,搭建了机器人交互系统平台,提出了一种基于ROS平台的远程机器人交互系统的总体方案。为使交互系统有效地应对复杂操作任务,对机器人进行了总体运动分析,包括全身关节运动学分析和移动平台运动学分析,确定了冗余自由度运动支链的运动学逆解方法,并提出了基于操作灵活性的全身运动策略,为交互系统整体控制方案的实现提供了基础。针对系统面对的复杂操作任务,本文提出基于任务分解和分类的规划方法...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Robonaut机器人驾驶舱1998年起由日本产业技术综合研究所
锌占湔镜脑诠觳僮骱臀?蓿?拦??航局NASA研发了两代最先进的类人型机器人宇航员Robonaut-1[5][6]和Robonaut-2[7]。Robonaut类人机器人可以通过触觉接口、预测仿真显示和远程的临场感设备可靠地进行一些类人操作活动，如机械接口的插拔任务、土壤的提取等。Robonaut机器人宇航员的交互系统是一个地面端的驾驶舱，如图1-1所示，负责指挥任务[8]。驾驶舱在遥操作模式下为操作者提供了包括手套、头盔、力反馈手控器、脚踏板和位置跟踪仪等设备，以使操作者获得更好的操控体验，如图1-2所示。图1-1Robonaut机器人驾驶舱图1-2Robonaut交互控制1998年起由日本产业技术综合研究所的学者发起的HRP（HumanoidRoboticsProject）项目，研发了如图1-3所示的HRP系列的类人机器人，并为操作者提供了用于远程交互的遥操作系统[9]，如图1-4所示。HRP交互系统的控制端包括：一对用于手臂操作的具有力反馈功能的6自由度主操作臂，一对用于连续输入控制
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3指令的3自由度简易操纵杆和辅助脚踏板；系统另外提供三维视觉信息显示器、控制信息显示器和状态转换控制开关。卡内基梅隆大学JoelChestnutt等提出了HRP的移动交互系统[10]，如图1-5所示；为进一步实现操作者的简易高效控制，EeSianNeo等提出了结合操作者意图和机器人自主功能的操纵杆交互系统[11]，使操作者能够简单地利用一对3自由度操纵杆对30自由度类人形机器人HRP-1S和HRP-2进行便捷地控制。之后MikeStilman等进一步开发了用于操作大型重型物体的3自由度操纵杆全身交互系统[12]，如图1-6所示。图1-3HRP-2图1-4HRP-2机器人遥操作系统图1-5HRP-2-双足移动任务图1-6HRP-2重物移动任务德国航空航天中心（DLR）以及德国波恩大学自主智能系统组（AISG）等提出的多方式人机交互系统，使操作者能够以更多的方式完成一些高度灵活的运动。如图1-7所示的DLR机器人遥操作系统和图1-8所示的AISG-Momaro机器人交互系统。其中，DLR通过操作两个轻量臂DLR/KUKA轻量协作臂的手臂运动，并由配备的手柄控制器来控制灵巧手，可以获得触觉反馈[13]。AISG的Momaro是一种半人马式的移动操作机器人，通过眼动仪和雷蛇控制器等设备实现对机器人的交互控制，该系统已经运用到了太空机器人和救灾机器人挑战赛中，并得到了验证[14][15]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种基于三维建图和虚拟现实的人机交互系统[J]. 张辉,王盼,肖军浩,卢惠民. 控制与决策. 2018(11)
[2]基于Unity3D的机器人仿真和遥操作系统研究[J]. 刘谋玉,汪地,姜海龙. 工业控制计算机. 2016(09)
[3]基于wxWidgets的救援机器人远程操控软件设计与实现[J]. 顾小波,朱佩,谈英姿,许映秋. 中南大学学报(自然科学版). 2013(S2)
[4]基于人体工程学的仿人机械臂构型[J]. 赵京,宋春雨,杜滨. 机械工程学报. 2013(11)
[5]可变形灾难救援机器人控制站系统的设计与实现[J]. 王楠,吴成东,王明辉,李斌. 机器人. 2011(02)
[6]空间科学实验机器人辅助遥操作系统[J]. 丑武胜,孟偲,陈建新,李晟. 中国空间科学技术. 2003(06)
[7]虚拟现实辅助机器人遥操作技术研究[J]. 刘伟军,朱枫,董再励. 机器人. 2001(05)
[8]临场感遥控作业机器人的力觉虚拟现实建模研究[J]. 宋爱国,蒋洪明,黄惟一. 测控技术. 2000(09)
[9]大时延环境下的分布式遥操作系统[J]. 庄骏,邱平,孙增圻. 清华大学学报(自然科学版). 2000(01)
博士论文
[1]空间机器人遥操作系统及局部自主技术研究[D]. 吴广鑫.哈尔滨工业大学 2019
[2]变时延环境下的任务级遥操作关键技术研究[D]. 赵迪.华中科技大学 2011
[3]基于虚拟现实与局部自主的空间机器人遥操作技术研究[D]. 蒋再男.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]双臂采摘机器人自主连续作业建模与控制[D]. 周斌.上海交通大学 2018
[2]分布式架构下服务机器人任务规划与执行系统设计与实现[D]. 马陈强.东南大学 2017
[3]基于虚拟夹具的空间机器人遥操作与示教技术研究[D]. 甘凯.华中科技大学 2017
[4]基于Java3D虚拟现实技术的机械臂运动仿真研究[D]. 钱小平.浙江工业大学 2013
本文编号：3342596
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Robonaut机器人驾驶舱1998年起由日本产业技术综合研究所
锌占湔镜脑诠觳僮骱臀?蓿?拦??航局NASA研发了两代最先进的类人型机器人宇航员Robonaut-1[5][6]和Robonaut-2[7]。Robonaut类人机器人可以通过触觉接口、预测仿真显示和远程的临场感设备可靠地进行一些类人操作活动，如机械接口的插拔任务、土壤的提取等。Robonaut机器人宇航员的交互系统是一个地面端的驾驶舱，如图1-1所示，负责指挥任务[8]。驾驶舱在遥操作模式下为操作者提供了包括手套、头盔、力反馈手控器、脚踏板和位置跟踪仪等设备，以使操作者获得更好的操控体验，如图1-2所示。图1-1Robonaut机器人驾驶舱图1-2Robonaut交互控制1998年起由日本产业技术综合研究所的学者发起的HRP（HumanoidRoboticsProject）项目，研发了如图1-3所示的HRP系列的类人机器人，并为操作者提供了用于远程交互的遥操作系统[9]，如图1-4所示。HRP交互系统的控制端包括：一对用于手臂操作的具有力反馈功能的6自由度主操作臂，一对用于连续输入控制
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3指令的3自由度简易操纵杆和辅助脚踏板；系统另外提供三维视觉信息显示器、控制信息显示器和状态转换控制开关。卡内基梅隆大学JoelChestnutt等提出了HRP的移动交互系统[10]，如图1-5所示；为进一步实现操作者的简易高效控制，EeSianNeo等提出了结合操作者意图和机器人自主功能的操纵杆交互系统[11]，使操作者能够简单地利用一对3自由度操纵杆对30自由度类人形机器人HRP-1S和HRP-2进行便捷地控制。之后MikeStilman等进一步开发了用于操作大型重型物体的3自由度操纵杆全身交互系统[12]，如图1-6所示。图1-3HRP-2图1-4HRP-2机器人遥操作系统图1-5HRP-2-双足移动任务图1-6HRP-2重物移动任务德国航空航天中心（DLR）以及德国波恩大学自主智能系统组（AISG）等提出的多方式人机交互系统，使操作者能够以更多的方式完成一些高度灵活的运动。如图1-7所示的DLR机器人遥操作系统和图1-8所示的AISG-Momaro机器人交互系统。其中，DLR通过操作两个轻量臂DLR/KUKA轻量协作臂的手臂运动，并由配备的手柄控制器来控制灵巧手，可以获得触觉反馈[13]。AISG的Momaro是一种半人马式的移动操作机器人，通过眼动仪和雷蛇控制器等设备实现对机器人的交互控制，该系统已经运用到了太空机器人和救灾机器人挑战赛中，并得到了验证[14][15]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种基于三维建图和虚拟现实的人机交互系统[J]. 张辉,王盼,肖军浩,卢惠民. 控制与决策. 2018(11)
[2]基于Unity3D的机器人仿真和遥操作系统研究[J]. 刘谋玉,汪地,姜海龙. 工业控制计算机. 2016(09)
[3]基于wxWidgets的救援机器人远程操控软件设计与实现[J]. 顾小波,朱佩,谈英姿,许映秋. 中南大学学报(自然科学版). 2013(S2)
[4]基于人体工程学的仿人机械臂构型[J]. 赵京,宋春雨,杜滨. 机械工程学报. 2013(11)
[5]可变形灾难救援机器人控制站系统的设计与实现[J]. 王楠,吴成东,王明辉,李斌. 机器人. 2011(02)
[6]空间科学实验机器人辅助遥操作系统[J]. 丑武胜,孟偲,陈建新,李晟. 中国空间科学技术. 2003(06)
[7]虚拟现实辅助机器人遥操作技术研究[J]. 刘伟军,朱枫,董再励. 机器人. 2001(05)
[8]临场感遥控作业机器人的力觉虚拟现实建模研究[J]. 宋爱国,蒋洪明,黄惟一. 测控技术. 2000(09)
[9]大时延环境下的分布式遥操作系统[J]. 庄骏,邱平,孙增圻. 清华大学学报(自然科学版). 2000(01)
博士论文
[1]空间机器人遥操作系统及局部自主技术研究[D]. 吴广鑫.哈尔滨工业大学 2019
[2]变时延环境下的任务级遥操作关键技术研究[D]. 赵迪.华中科技大学 2011
[3]基于虚拟现实与局部自主的空间机器人遥操作技术研究[D]. 蒋再男.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]双臂采摘机器人自主连续作业建模与控制[D]. 周斌.上海交通大学 2018
[2]分布式架构下服务机器人任务规划与执行系统设计与实现[D]. 马陈强.东南大学 2017
[3]基于虚拟夹具的空间机器人遥操作与示教技术研究[D]. 甘凯.华中科技大学 2017
[4]基于Java3D虚拟现实技术的机械臂运动仿真研究[D]. 钱小平.浙江工业大学 2013
本文编号：3342596
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