基于多种人机交互设备的空间遥操作机器人控制技术研究

发布时间：2017-08-25 22:02

  本文关键词：基于多种人机交互设备的空间遥操作机器人控制技术研究

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【摘要】：近年来,随着科技的不断进步,人类的空间活动逐渐频繁,各国都积极开展对深空和太阳系的一系列探索计划。由于太空环境十分恶劣,很多作业任务需要空间机器人去完成。然而由于空间环境的未知性和复杂性,机器人全自主式工作受到很多限制。基于人机交互设备的遥操作机器人系统安全稳定,具有广阔的应用前景。为了满足未来我国空间站的需要,本课题对遥操作机器人系统中的人机交互技术进行了深入研究,并研制开发了一套空间遥操作机器人地面实验系统,主要包括两种不同的人机交互设备(一个是基于Kinect,另一个是基于穿戴式数据手臂)、三维虚拟预测环境和人机交互软件平台等。该系统可以完成典型的空间遥操作作业任务,操作者在地面端使用人机交互设备能够准确地控制太空端的空间机器人,力觉和视觉的反馈增强了操作者的临场感,提高了工作效率。本课题的创新点在于：(1)在基于力反馈人机交互设备的空间遥操作机器人地面实验系统的机器人运动解算模块中引入了ROS(机器人操作系统)提供的KDL(运动学和动力学库),它是基于数值计算方法的,通过不断迭代,找到最合适的解。比传统的解析方法运算速度快,准确性高,稳定性好。KDL里的函数使用起来也简单方便。(2)三维虚拟预测环境涉及到对空间机器人、工作环境、目标物体和力觉反馈等进行建模,采用了3DS MAX和OpenGL相结合的建模方式对太空端场景进行了高度仿真。还设置了虚拟摄像头,可以从多个角度拍摄并显示虚拟预测环境。(3)从三维点云图中提取出目标物体。先根据HSL色彩特征,滤除非相关的离群点,再通过RANSAC算法(随机抽样一致性算法),从一堆包含“局外点”的三维点云数据中,通过迭代的方式,估计目标物体数学模型的参数,再与库中的模型进行匹配,最终得到目标物体的几何模型参数。(4)使用kinect对人体全身骨骼进行追踪,获取各个骨骼关节点的位置信息,再通过人体关节运动学的旋转矩阵计算各骨骼关节运动的角度。还设计了实时显示操作者骨骼动态图的交互软件。(5)计算手臂关节的欧拉角时引入了四元数的方法,把欧拉角转换成四元数后,只要进行四元数的乘法计算即可,简洁快速、非奇异表达。
【关键词】：人机交互设备 遥操作 虚拟预测环境 RANSAC算法 骨骼追踪
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 研究背景11-13
• 1.1.1 遥操作机器人技术概述11-12
• 1.1.2 人机交互设备12-13
• 1.2 国内外研究现状13-18
• 1.2.1 国外研究现状13-17
• 1.2.2 国内研究现状17-18
• 1.3 论文研究的主要内容18-19
• 1.4 论文组织结构19-21
• 第二章 空间遥操作机器人地面实验系统方案设计21-35
• 2.1 系统原理及组成21
• 2.2 空间机器人运动解算21-23
• 2.2.1 空间机器人的结构21-22
• 2.2.2 基于KDL的机器人逆向运动学求解22-23
• 2.3 三维虚拟预测环境23-27
• 2.3.1 虚拟机器人建模24-25
• 2.3.2 虚拟环境建模25-26
• 2.3.3 环境光照及虚拟摄像头设置26-27
• 2.4 目标物体的识别和建模27-32
• 2.4.1 Kinect采集点云数据27-28
• 2.4.2 RANSAC算法提取目标物体28-32
• 2.5 虚拟交互力的计算32-34
• 2.6 本章小结34-35
• 第三章 基于Kinect的人机交互设备35-49
• 3.1 硬件系统组成35
• 3.2 基于Kinect的全身骨骼跟踪35-41
• 3.2.1 骨架空间35-36
• 3.2.2 空间变换36-37
• 3.2.3 骨骼追踪37-38
• 3.2.4 关节角度计算38-41
• 3.3 转动关节运动跟踪41-43
• 3.3.1 转动关节跟踪模块组成41
• 3.3.2 姿态传感器设计41-42
• 3.3.3 无线收发模块设计42-43
• 3.4 手指运动跟踪和力反馈43-44
• 3.5 交互软件设计44-47
• 3.5.1 软件界面设计44-45
• 3.5.2 网络通信45-47
• 3.6 本章小结47-49
• 第四章 基于穿戴式数据手臂的人机交互设备49-61
• 4.1 系统介绍49-51
• 4.1.1 系统组成49
• 4.1.2 工作流程49-50
• 4.1.3 工作模式50-51
• 4.2 传感子系统设计51-56
• 4.2.1 基于四元数的欧拉角解算51-55
• 4.2.2 基于光纤角度传感器的手势识别55-56
• 4.3 数据采集子系统设计56-58
• 4.3.1 数据采集电路56-58
• 4.3.2 硬件安装58
• 4.4 蓝牙通信设计58-59
• 4.5 交互软件设计59-60
• 4.6 本章小结60-61
• 第五章 不同人机交互设备的遥操作实验研究61-73
• 5.1 遥操作实验介绍61-63
• 5.1.1 实验系统61-63
• 5.1.2 实验对象63
• 5.2 基于力反馈的遥操作实验63-66
• 5.2.1 有无力反馈的比较实验63-64
• 5.2.2 实验结果及分析64-66
• 5.3 基于虚拟预测环境的遥操作实验66-71
• 5.3.1 5s时延下的比较实验66-68
• 5.3.2 10s时延下的比较实验68-70
• 5.3.3 实验结果及分析70-71
• 5.4 三种人机交互设备综合性能71-72
• 5.5 本章小节72-73
• 第六章 总结与展望73-77
• 6.1 工作总结73-74
• 6.2 创新点74
• 6.3 未来工作的展望74-77
• 致谢77-79
• 参考文献79-83
• 作者在学期间的成果83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：738356