遥操作机器人的力觉再现技术研究
发布时间：2022-10-19 11:20
目前,在遥操作机器人的作业过程中,主端操作者大都依赖从端视觉反馈信息进行远程作业,虽然在较复杂的非重复性操作中操作者能够通过视觉信息大致判断作业情况,但是常常难以精确感知从端末端与作业对象之间接触或碰撞时的相对位置,更无法精确感受从端作业机械臂末端与目标物在作业过程中产生的力觉。从端机器人在作业过程过度的依赖于视觉和其它辅助感知器件,并对主端操作人员有着严格的操作技术要求,以致作业效率低下。针对上述问题,本文对遥操作机器人从端力觉的再现展开研究。首先,采用非线性变阻尼参数与位形约束的方式,并根据作业对象的材质参数,设计了多状态目标模型。在无力觉传感器的情况下建立从端与作业对象的力觉产生系统,研究从端与目标物在接触碰撞过程中的力觉关系。其次,构建稳定的双边控制系统,使得从端机械臂在作业运动过程中产生的力觉能在操作主端再现,操作者通过主端交互设备能够感受到力觉,实现操作者对从端的力觉感知。再者,考虑到现实应用及系统的特点,分别设计了主从同构和主从异构的力觉再现系统。在主从同构系统中提出了阻抗/模糊PD双边控制系统;在主从异构系统中,提出了任务调度的控制方案,利用操作空间实现从端力觉再现。尽...
【文章页数】：124 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.1.1 课题研究背景
1.1.2 课题研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 遥操作机器人的研究现状
1.2.2 力觉再现技术研究现状
1.3 论文研究内容与关键点
1.3.1 研究目标与研究内容
1.3.2 论文研究关键点
1.4 文章结构
1.5 本章小结
2 遥操作机器人的运动学与动力学建模
2.1 操作主端Phantom Omni的运动学与动力学分析
2.1.1 Phantom Omni机械臂的正运动学
2.1.2 Phantom Omni机械臂的逆运动学分析
2.1.3 Phantom Omni机械臂的动力学分析
2.2 从端Kinova机械臂的运动学与动力学分析
2.2.1 Kinova机械臂的运动学分析
2.2.2 Kinova机械臂的逆运动学分析
2.2.3 Kinova机械臂的动力学分析
2.3 遥操作机器人的工作空间求取
2.3.1 Phantom Omni机械臂的工作空间求取
2.3.2 Kinova机械臂的工作空间求取
2.4 本章小结
3 遥操作机器人的主从空间映射与坐标变换
3.1 虚拟力觉系统构建
3.1.1 主从虚拟空间几何映射
3.1.2 目标物描述与目标物构建
3.1.3 位形约束与坐标变换
3.2 同构型主从空间映射
3.2.1 主从关节空间映射
3.2.2 主从操作空间映射
3.2.3 主从空间的比例匹配
3.3 异构型系统的主从空间映射与坐标变换
3.3.1 工作空间限定与坐标变换
3.3.2 异构型系统的主从空间匹配
3.3.3 主从空间的缩放匹配
3.4 本章小结
4 主从控制系统设计与力觉再现控制
4.1 虚拟系统中的接触碰撞力觉的感知与再现
4.1.1 虚拟系统中的碰撞力觉响应
4.1.2 虚拟力觉检测
4.1.3 交互中的虚拟力觉再现与控制
4.2 主从同构型系统的双边控制与力觉反馈
4.2.1 控制结构设计
4.2.2 主端阻抗控制器设计
4.2.3 从端模糊PD自适应控制器设计
4.3 主从异构型系统的双边控制与力觉再现
4.3.1 异构型双边控制结构设计
4.3.2 基于任务调度的从端控制器设计
4.3.3 异构系统中的主端力觉再现控制
4.4 系统任务调度与决策
4.5 本章小结
5 系统设计与实验
5.1 虚拟系统中的力觉交互与感知
5.1.1 虚拟环境开发与目标物体创建
5.1.2 刚性目标物体的力觉交互控制
5.1.3 柔性物体力觉交互控制
5.2 同构系统的双边控制与力觉再现
5.2.1 主从端末端位置与关节角跟踪控制
5.2.2 从端力觉传感器的标定处理
5.2.3 从端接触力再现控制
5.2.4 同构系统主端力觉感知有效度
5.3 异构系统的双边控制与力觉再现
5.3.1 系统任务调度与控制
5.3.2 主从末端位置跟踪控制
5.3.3 从端的接触力觉再现控制
5.4 实验系统性能的综合分析
5.4.1 虚拟系统性能分析
5.4.2 实体实验系统性能分析
5.5 本章小结
总结与展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果
A 发表学术论文
B 参研项目与主持基金
C 获奖情况
【参考文献】：
期刊论文
[1]漂浮基空间柔性机械臂在轨捕获碰撞分析[J]. 贾庆轩,洪训超,陈钢,张龙. 振动与冲击. 2018(01)
[2]基于水下无线传感器阵列网络多模态信息融合的目标定位[J]. 金磊磊,梁红,马艳. 西北工业大学学报. 2017(06)
[3]虚拟装配交互界面中的隐式交互算法研究[J]. 冯志全,梁丽伟,徐涛,杨晓晖,刘弘. 计算机辅助设计与图形学学报. 2017(10)
[4]软体机器人前沿技术及应用热点[J]. 侯涛刚,王田苗,苏浩鸿,常帅,陈令坤,郝雨飞,文力. 科技导报. 2017(18)
[5]多模态力触觉交互技术及应用[J]. 宋爱国,田磊,倪得晶,秦欢欢. 中国科学:信息科学. 2017(09)
[6]基于核应急机械手的主从双边控制系统研究[J]. 徐亮,刘满禄,张华,王姮,张静,李铭浩. 自动化仪表. 2017(08)
[7]空间机械臂捕获失稳目标的动态轨迹规划方法[J]. 王兴龙,周志成,曲广吉. 宇航学报. 2017(07)
[8]飘浮基两杆柔性空间机械臂基于速度观测器的增广自适应控制[J]. 于潇雁,陈力. 振动与冲击. 2017(11)
[9]我国首艘货运飞船天舟一号与天宫二号空间实验室成功对接[J]. 赵金才. 科学. 2017(03)
[10]力反馈主操作手附加力的补偿策略研究[J]. 贠今天,刘阳阳,杨全利,桑宏强. 中国机械工程. 2017(10)
博士论文
[1]遥操作骨科复位手术的力反馈主操作手及时延控制研究[D]. 王宏民.哈尔滨工业大学 2015
[2]双向液压伺服遥操作机器人的力觉临场感技术研究[D]. 文广.吉林大学 2008
硕士论文
[1]力觉临场感遥操作系统控制方法研究[D]. 秦永明.北京理工大学 2016
[2]基于多线程的并行分支定界算法框架及其应用[D]. 李景阳.东北大学 2014
[3]基于虚拟现实主从遥操作机器人系统研究[D]. 胡景良.河北工业大学 2014
[4]具有力觉反馈的遥操作机器人研究[D]. 于涛.吉林大学 2005
[5]大时延遥操作的三维预测显示及力反馈控制研究[D]. 雷振伍.吉林大学 2004
本文编号：3693271
【文章页数】：124 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.1.1 课题研究背景
1.1.2 课题研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 遥操作机器人的研究现状
1.2.2 力觉再现技术研究现状
1.3 论文研究内容与关键点
1.3.1 研究目标与研究内容
1.3.2 论文研究关键点
1.4 文章结构
1.5 本章小结
2 遥操作机器人的运动学与动力学建模
2.1 操作主端Phantom Omni的运动学与动力学分析
2.1.1 Phantom Omni机械臂的正运动学
2.1.2 Phantom Omni机械臂的逆运动学分析
2.1.3 Phantom Omni机械臂的动力学分析
2.2 从端Kinova机械臂的运动学与动力学分析
2.2.1 Kinova机械臂的运动学分析
2.2.2 Kinova机械臂的逆运动学分析
2.2.3 Kinova机械臂的动力学分析
2.3 遥操作机器人的工作空间求取
2.3.1 Phantom Omni机械臂的工作空间求取
2.3.2 Kinova机械臂的工作空间求取
2.4 本章小结
3 遥操作机器人的主从空间映射与坐标变换
3.1 虚拟力觉系统构建
3.1.1 主从虚拟空间几何映射
3.1.2 目标物描述与目标物构建
3.1.3 位形约束与坐标变换
3.2 同构型主从空间映射
3.2.1 主从关节空间映射
3.2.2 主从操作空间映射
3.2.3 主从空间的比例匹配
3.3 异构型系统的主从空间映射与坐标变换
3.3.1 工作空间限定与坐标变换
3.3.2 异构型系统的主从空间匹配
3.3.3 主从空间的缩放匹配
3.4 本章小结
4 主从控制系统设计与力觉再现控制
4.1 虚拟系统中的接触碰撞力觉的感知与再现
4.1.1 虚拟系统中的碰撞力觉响应
4.1.2 虚拟力觉检测
4.1.3 交互中的虚拟力觉再现与控制
4.2 主从同构型系统的双边控制与力觉反馈
4.2.1 控制结构设计
4.2.2 主端阻抗控制器设计
4.2.3 从端模糊PD自适应控制器设计
4.3 主从异构型系统的双边控制与力觉再现
4.3.1 异构型双边控制结构设计
4.3.2 基于任务调度的从端控制器设计
4.3.3 异构系统中的主端力觉再现控制
4.4 系统任务调度与决策
4.5 本章小结
5 系统设计与实验
5.1 虚拟系统中的力觉交互与感知
5.1.1 虚拟环境开发与目标物体创建
5.1.2 刚性目标物体的力觉交互控制
5.1.3 柔性物体力觉交互控制
5.2 同构系统的双边控制与力觉再现
5.2.1 主从端末端位置与关节角跟踪控制
5.2.2 从端力觉传感器的标定处理
5.2.3 从端接触力再现控制
5.2.4 同构系统主端力觉感知有效度
5.3 异构系统的双边控制与力觉再现
5.3.1 系统任务调度与控制
5.3.2 主从末端位置跟踪控制
5.3.3 从端的接触力觉再现控制
5.4 实验系统性能的综合分析
5.4.1 虚拟系统性能分析
5.4.2 实体实验系统性能分析
5.5 本章小结
总结与展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果
A 发表学术论文
B 参研项目与主持基金
C 获奖情况
【参考文献】：
期刊论文
[1]漂浮基空间柔性机械臂在轨捕获碰撞分析[J]. 贾庆轩,洪训超,陈钢,张龙. 振动与冲击. 2018(01)
[2]基于水下无线传感器阵列网络多模态信息融合的目标定位[J]. 金磊磊,梁红,马艳. 西北工业大学学报. 2017(06)
[3]虚拟装配交互界面中的隐式交互算法研究[J]. 冯志全,梁丽伟,徐涛,杨晓晖,刘弘. 计算机辅助设计与图形学学报. 2017(10)
[4]软体机器人前沿技术及应用热点[J]. 侯涛刚,王田苗,苏浩鸿,常帅,陈令坤,郝雨飞,文力. 科技导报. 2017(18)
[5]多模态力触觉交互技术及应用[J]. 宋爱国,田磊,倪得晶,秦欢欢. 中国科学:信息科学. 2017(09)
[6]基于核应急机械手的主从双边控制系统研究[J]. 徐亮,刘满禄,张华,王姮,张静,李铭浩. 自动化仪表. 2017(08)
[7]空间机械臂捕获失稳目标的动态轨迹规划方法[J]. 王兴龙,周志成,曲广吉. 宇航学报. 2017(07)
[8]飘浮基两杆柔性空间机械臂基于速度观测器的增广自适应控制[J]. 于潇雁,陈力. 振动与冲击. 2017(11)
[9]我国首艘货运飞船天舟一号与天宫二号空间实验室成功对接[J]. 赵金才. 科学. 2017(03)
[10]力反馈主操作手附加力的补偿策略研究[J]. 贠今天,刘阳阳,杨全利,桑宏强. 中国机械工程. 2017(10)
博士论文
[1]遥操作骨科复位手术的力反馈主操作手及时延控制研究[D]. 王宏民.哈尔滨工业大学 2015
[2]双向液压伺服遥操作机器人的力觉临场感技术研究[D]. 文广.吉林大学 2008
硕士论文
[1]力觉临场感遥操作系统控制方法研究[D]. 秦永明.北京理工大学 2016
[2]基于多线程的并行分支定界算法框架及其应用[D]. 李景阳.东北大学 2014
[3]基于虚拟现实主从遥操作机器人系统研究[D]. 胡景良.河北工业大学 2014
[4]具有力觉反馈的遥操作机器人研究[D]. 于涛.吉林大学 2005
[5]大时延遥操作的三维预测显示及力反馈控制研究[D]. 雷振伍.吉林大学 2004
本文编号：3693271
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