机器人手控器的触觉共享控制研究

发布时间：2017-04-30 20:04

  本文关键词：机器人手控器的触觉共享控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于受控制、传感及人工智能等发展水平的制约,实现在变化环境下的全自主机器人是短期内难以达到的目标,因此主从遥操作机器人在极限工况下的作用愈来愈不可替代。手控器作为人机交互的接口,能够方便的实现操作者和从端作业机器人的交互控制。但是现有的机器人双向伺服控制策略主要研究人—机间的“透明”力感传递,反馈力产生的前提是机器人与作业环境接触,与工作现场环境的不可预知性这一先决条件相悖,在高速、重载、大时延等应用场合中,机器人易于与环境产生冲击,造成无法弥补的损失。为了解决主从遥操作中的力觉交互和引导问题,本文的基于触觉共享控制的遥操作手控器研究,结合当前国内外各种触觉手控器的设计案例和基于力引导的机器人自主作业控制,构建基于共享控制策略的手控器-机器人主从遥操作控制策略,通过融合操作者的人工智能决策和机器人的自主作业过程对从端作业机器人进行控制,最终实现减轻操作者的操作负担,提升主从遥操作的作业效率,提高系统的安全性。针对手控器和主从遥操作共享控制策略,本文主要进行的工作有:1.根据手控器-机器人主从遥操作共享控制功能要求,设计手控器机械结构和电气控制系统,确保可操作性和无奇异点。2.根据手控器期望运动特性分析机构的运动学和动力学特性,确立手控器关键部件的尺寸和驱动关节的动力学参数,通过仿真分析验证手控器的动力学并评估所设计结构的合理性。3.采用导纳控制策略控制手控器,结合从端机器人的视觉伺服位置控制,将其引入手控器的位置控制回路以实现相应的力觉引导效果,构建基于虚拟墙引导的被动和主动控制模型,预测手控器的运动趋势。4.构建手控器-机器人系统的共享控制模型,分析遥操作系统工作的逻辑时序,针对手控器和机器人的驱动关节和末端位姿等运动参数,采用卡尔曼位置预测控制算法,减少控制系统受到的扰动和噪声干扰,从而确保从端机器人在主端手控器控制下的稳定性。5.搭建手控器-机器人实验平台,针对手控器的导纳控制及手控器-机器人共享控制模型,编写相应的控制程序,对手控器的实际工作性能进行评估,并验证所制定的共享控制策略的可行性和有效性。
【关键词】：主从遥操作 手控器 共享控制 虚拟力引导 导纳控制
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 课题来源11
• 1.2 本文的研究背景及意义11-13
• 1.3 手控器的研究现状13-19
• 1.3.1 手控器的国内研究现状13-15
• 1.3.2 手控器的国外研究现状15-19
• 1.4 手控器遥操作控制存在的问题19-20
• 1.5 研究目标与研究内容20-23
• 第2章 手控器触觉共享控制系统的组成及工作原理23-31
• 2.1 主端子系统设计及组成23-27
• 2.1.1 手控器的运动机构24-25
• 2.1.2 力觉信息的交互处理25-26
• 2.1.3 运动控制器的设计26-27
• 2.2 从端子系统概述27
• 2.3 主从遥操作的控制器设计概述27-29
• 2.3.1 控制周期28
• 2.3.2 控制模式28-29
• 2.4 本章小结29-31
• 第3章 手控器系统的设计31-39
• 3.1 六自由度手控器的结构设计31-34
• 3.2 六自由度手控器的力觉交互设计34-35
• 3.3 六自由度手控器的电路结构35-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第4章 手控器的运动学和动力学特性分析39-51
• 4.1 手控器正向运动学分析39-42
• 4.2 手控器的逆向运动学分析42-43
• 4.3 手控器控制的动力学分析43-45
• 4.4 手控器的运动特性分析及验证45-49
• 4.4.1 手控器设计参数的确定45-47
• 4.4.2 手控器运动学和动力学验证47-49
• 4.5 本章小结49-51
• 第5章 手控器的运动控制策略51-69
• 5.1 从端的力引导控制策略51-54
• 5.2 基于导纳模型的手控器控制策略54-57
• 5.3 主从遥操作下的虚拟墙引导模式57-60
• 5.4 基于力融合的共享控制策略60-67
• 5.4.1 主从遥操作系统的时间模型61-63
• 5.4.2 系统的卡尔曼滤波位置预测过程设计63-67
• 5.5 本章小结67-69
• 第6章 手控器控制系统仿真及实验69-79
• 6.1 手控器-机器人系统实验平台69-71
• 6.2 手控器的运动控制实验71-73
• 6.3 基于虚拟墙引导的主从遥操作实验及分析73-78
• 6.3.1 虚拟墙引导的被动模式73-74
• 6.3.2 虚拟墙引导的主动模式74-76
• 6.3.3 基于力融合的共享控制76-78
• 6.4 本章小结78-79
• 第7章 研究工作总结及展望79-81
• 7.1 研究工作总结79-80
• 7.2 继续研究方向80-81
• 参考文献81-89
• 致谢89

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本文编号：337472