【摘要】：太空探索一直是空間科學研究的熱點,然而太空環(huán)境具有微重力、強輻射、不確定性等特點,對航天員的實地探索造成了極大的安全威脅,同時,完全自主的智能機器人難以在短期內實現(xiàn),因此,人在回路的空間機器人遙操作仍是現(xiàn)階段太空探索的主要技術手段,即地面的操作人員提供作業(yè)指令,控制空間機器人執(zhí)行任務,作業(yè)過程中的多感知信息反饋給操作者,實現(xiàn)“身臨其境”的作業(yè)感受,以順利完成作業(yè)任務。本文以空間機器人遙操作為任務背景,對環(huán)境建模與人機交互技術進行分析,依次從基于虛擬環(huán)境的空間機器人遙操作系統(tǒng)的設計方法、非結構化虛擬環(huán)境建模方法、可移動作業(yè)對象動力學在線建模與修正,以及非結構化環(huán)境中虛擬力約束動態(tài)生成及共享控制方法等方面展開深入研究。針對空間機器人遙操作的作業(yè)需求,設計并搭建了基于虛擬環(huán)境的空間遙操作機器人地面驗證系統(tǒng)。首先建立了基于力反饋手控器、SChunk機械臂的主從異構設備的運動學模型,提出了基于位置增量累計映射的方法,實現(xiàn)主從異構機械臂高精度、大空間位姿控制;然后完成了虛擬環(huán)境建模,包括虛擬機械臂建模、虛擬環(huán)境建模、虛擬力反饋建模,并提出了一種分段線性力空間映射方法,解決了大范圍虛擬力反饋向具有小范圍輸出力的力反饋手控器映射問題;最后完成了從端環(huán)境中的感知系統(tǒng)設計、基于ROS的機械臂及多信息控制系統(tǒng),為后續(xù)空間遙操作機器人系統(tǒng)的性能研制及驗證提供了理論依據(jù)和實驗平臺。針對非結構化環(huán)境作業(yè)的需求,提出了一種基于RGB-D點云數(shù)據(jù)的非結構化環(huán)境建模方法,主要包括點云描述的環(huán)境幾何建模與虛擬力反饋建模。首先對于環(huán)境幾何建模采用基于多坐標系融合的機械臂輔助預配準,提出了基于SURF-表面法向量特征的點云粗配準,融合顏色與深度特征提高特征點匹配精度,采用了色相輔助的ICP算法進一步完成點云精細化配準,提出了一種點云自適應下采樣算法,實現(xiàn)了點云間距的均勻性;然后對于虛擬力反饋建模,采用了一種基于包圍球的點云碰撞檢測方法,實現(xiàn)了交互設備與點云間實時碰撞檢測,同時提出了一種基于表面法向量預估虛擬代理運動的算法,完成了虛擬代理的實時運動估計;最后通過實驗驗證了本文所采用算法的有效性。針對機器人遙操作領域中動態(tài)交互的動力學建模問題,將可移動作業(yè)對象類的的動力學建模作為研究重點,提出了一種可移動作業(yè)對象動力學建模和在線修正的系統(tǒng)架構。首先研究了碰撞動力學模型與摩擦動力學模型,采用了線性質量-阻尼-彈簧的碰撞模型和改進的Karnopp摩擦動力學模型,提出了一種基于受力突變的運動狀態(tài)分割算法,完成了交互對象的靜態(tài)、臨界狀態(tài)和滑動狀態(tài)的分割;然后研究了基于自適應遺忘算子的迭代最小二乘法、基于遺忘算子的滑動窗口最小二乘法兩種方法對環(huán)境模型參數(shù)進行在線辨識;其次基于所估計的模型參數(shù),實現(xiàn)了虛擬環(huán)境中的虛擬力反饋建模與虛擬對象運動預測,同時提出了基于手部力覺最小可覺差的分段模型偏差修正算法,一方面保證了環(huán)境模型參數(shù)的準確,另一方面降低了通訊帶寬壓力;最后通過實驗驗證了本文所提出的方法的有效性。針對人在回路系統(tǒng)中不可避免的人為隨機輸入導致的消極影響,研究一種基于RGB-D點云數(shù)據(jù)結構、適用于非結構化環(huán)境的動態(tài)虛擬力約束建模方法。首先從兩方面展開研究內容,一方面為了防止任意危險碰撞對機械臂及物體的損壞,提出了一種基于局部表面估計的禁止區(qū)域保護的力約束構建方法,另一方面為了提高操作效率、克服視覺偏差,提出了一種基于局部預測的動態(tài)引導型力約束建模方法;然后針對系統(tǒng)中多模態(tài)力反饋、虛擬代理點引入的問題,提出了一種人機共享控制策略,實現(xiàn)了基于模糊邏輯的力約束實施方法;最后通過多試驗者對系統(tǒng)進行了評估,并對多模式虛擬力反饋遙操作系統(tǒng)進行了實驗分析,驗證了方法的有效性。
【圖文】：

外研究現(xiàn)狀空間遙操作機器人技術對于航天活動如空間站的科學實驗、月球探索等的、日和西歐各國投入了大量的人力物力，競相開始相關技術研究，本節(jié)闡典的空間機器人遙操作系統(tǒng)。從 20 世紀 80 年代初就陸續(xù)開展了一系列空間機器人遙操作系統(tǒng)的研制，軌裝配維修、星球探索等領域研制空間機器人[6]。1993 年，NASA 針對空制出了具有初步臨場感效果的遙操作機器人 FTS 系統(tǒng)和 DTF-1 系統(tǒng)，并飛機中。FTS 系統(tǒng)主要在空間站上執(zhí)行各種裝配、維修及協(xié)助視覺監(jiān)測等TS 由兩個機械臂及一個定位腿組成，屬于類人機器人，機械臂運動結構是力矩傳感器安裝在機械臂末端，工作于遙操作模式下。0 年，NASA 開始研制人形機器人 Robonaut[7]，，以便代替航天員完成艙外活可以通過遙操作進行控制。利用數(shù)據(jù)手套、跟蹤器和頭盔檢測操作者的手運動，將其直接映射到 Robonaut，生成機器人控制指令，控制機器人完成務，如空間漂浮物抓取等任務。

圖 1-3 鳳凰計劃地面測試實驗1981 年加拿大制造的操作臂系統(tǒng)（SRMS）隨哥倫比亞號航天飛機一起升空[8]，飛機上釋放、捕捉、回收有效載荷，該系統(tǒng)是第一個可操作的空間機器人系統(tǒng)，作方式采用無力反饋的在軌遙操作，主從端通訊時延很小，時延的影響可忽略不1 年，加拿大又研制了具有大型的對稱結構的機械臂和機械靈巧手的空間站遙操臂系統(tǒng) SSRMS，冗余度高、操作更加靈活，用來建造維護空間站、搬運空間站內器、協(xié)助宇航員完成一些高難度空間作業(yè)任務。圖 1-4 加拿大空間機械臂
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP242

【參考文獻】

相關期刊論文 前8條

1 田志宇;黃攀峰;劉正雄;;輔助空間遙操作的虛擬管道設計與實現(xiàn)[J];宇航學報;2014年07期

2 李清華;燕雁;;“一箭三星”成功發(fā)射3顆技術科學試驗衛(wèi)星[J];中國航天;2013年08期

3 張斌;黃攀峰;劉正雄;朱建軍;;基于虛擬夾具的交互式空間機器人遙操作實驗[J];宇航學報;2011年02期

4 羅先波,鐘約先,李仁舉;三維掃描系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)配準技術[J];清華大學學報(自然科學版);2004年08期

5 丑武勝,孟Pr,陳建新,李晟;空間科學實驗機器人輔助遙操作系統(tǒng)[J];中國空間科學技術;2003年06期

6 陳俊杰,黃惟一,宋愛國;虛擬現(xiàn)實力覺臨場感遙控作業(yè)系統(tǒng)的研究進展[J];傳感技術學報;2001年03期

7 宋愛國,蔣洪明,黃惟一;臨場感遙控作業(yè)機器人的力覺虛擬現(xiàn)實建模研究[J];測控技術;2000年09期

8 莊駿,邱平,孫增圻;大時延環(huán)境下的分布式遙操作系統(tǒng)[J];清華大學學報(自然科學版);2000年01期

相關博士學位論文 前1條

1 蔣再男;基于虛擬現(xiàn)實與局部自主的空間機器人遙操作技術研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2010年

本文編號：2633903