發(fā)布時間：2017-08-25 22:02

  本文關鍵詞：基于多種人機交互設備的空間遙操作機器人控制技術研究

  更多相關文章： 人機交互設備 遙操作 虛擬預測環(huán)境 RANSAC算法 骨骼追蹤

【摘要】：近年來,隨著科技的不斷進步,人類的空間活動逐漸頻繁,各國都積極開展對深空和太陽系的一系列探索計劃。由于太空環(huán)境十分惡劣,很多作業(yè)任務需要空間機器人去完成。然而由于空間環(huán)境的未知性和復雜性,機器人全自主式工作受到很多限制。基于人機交互設備的遙操作機器人系統(tǒng)安全穩(wěn)定,具有廣闊的應用前景。為了滿足未來我國空間站的需要,本課題對遙操作機器人系統(tǒng)中的人機交互技術進行了深入研究,并研制開發(fā)了一套空間遙操作機器人地面實驗系統(tǒng),主要包括兩種不同的人機交互設備(一個是基于Kinect,另一個是基于穿戴式數(shù)據(jù)手臂)、三維虛擬預測環(huán)境和人機交互軟件平臺等。該系統(tǒng)可以完成典型的空間遙操作作業(yè)任務,操作者在地面端使用人機交互設備能夠準確地控制太空端的空間機器人,力覺和視覺的反饋增強了操作者的臨場感,提高了工作效率。本課題的創(chuàng)新點在于：(1)在基于力反饋人機交互設備的空間遙操作機器人地面實驗系統(tǒng)的機器人運動解算模塊中引入了ROS(機器人操作系統(tǒng))提供的KDL(運動學和動力學庫),它是基于數(shù)值計算方法的,通過不斷迭代,找到最合適的解。比傳統(tǒng)的解析方法運算速度快,準確性高,穩(wěn)定性好。KDL里的函數(shù)使用起來也簡單方便。(2)三維虛擬預測環(huán)境涉及到對空間機器人、工作環(huán)境、目標物體和力覺反饋等進行建模,采用了3DS MAX和OpenGL相結合的建模方式對太空端場景進行了高度仿真。還設置了虛擬攝像頭,可以從多個角度拍攝并顯示虛擬預測環(huán)境。(3)從三維點云圖中提取出目標物體。先根據(jù)HSL色彩特征,濾除非相關的離群點,再通過RANSAC算法(隨機抽樣一致性算法),從一堆包含“局外點”的三維點云數(shù)據(jù)中,通過迭代的方式,估計目標物體數(shù)學模型的參數(shù),再與庫中的模型進行匹配,最終得到目標物體的幾何模型參數(shù)。(4)使用kinect對人體全身骨骼進行追蹤,獲取各個骨骼關節(jié)點的位置信息,再通過人體關節(jié)運動學的旋轉矩陣計算各骨骼關節(jié)運動的角度。還設計了實時顯示操作者骨骼動態(tài)圖的交互軟件。(5)計算手臂關節(jié)的歐拉角時引入了四元數(shù)的方法,把歐拉角轉換成四元數(shù)后,只要進行四元數(shù)的乘法計算即可,簡潔快速、非奇異表達。
【關鍵詞】：人機交互設備 遙操作 虛擬預測環(huán)境 RANSAC算法 骨骼追蹤
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP242
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-21
• 1.1 研究背景11-13
• 1.1.1 遙操作機器人技術概述11-12
• 1.1.2 人機交互設備12-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-18
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀13-17
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀17-18
• 1.3 論文研究的主要內(nèi)容18-19
• 1.4 論文組織結構19-21
• 第二章 空間遙操作機器人地面實驗系統(tǒng)方案設計21-35
• 2.1 系統(tǒng)原理及組成21
• 2.2 空間機器人運動解算21-23
• 2.2.1 空間機器人的結構21-22
• 2.2.2 基于KDL的機器人逆向運動學求解22-23
• 2.3 三維虛擬預測環(huán)境23-27
• 2.3.1 虛擬機器人建模24-25
• 2.3.2 虛擬環(huán)境建模25-26
• 2.3.3 環(huán)境光照及虛擬攝像頭設置26-27
• 2.4 目標物體的識別和建模27-32
• 2.4.1 Kinect采集點云數(shù)據(jù)27-28
• 2.4.2 RANSAC算法提取目標物體28-32
• 2.5 虛擬交互力的計算32-34
• 2.6 本章小結34-35
• 第三章 基于Kinect的人機交互設備35-49
• 3.1 硬件系統(tǒng)組成35
• 3.2 基于Kinect的全身骨骼跟蹤35-41
• 3.2.1 骨架空間35-36
• 3.2.2 空間變換36-37
• 3.2.3 骨骼追蹤37-38
• 3.2.4 關節(jié)角度計算38-41
• 3.3 轉動關節(jié)運動跟蹤41-43
• 3.3.1 轉動關節(jié)跟蹤模塊組成41
• 3.3.2 姿態(tài)傳感器設計41-42
• 3.3.3 無線收發(fā)模塊設計42-43
• 3.4 手指運動跟蹤和力反饋43-44
• 3.5 交互軟件設計44-47
• 3.5.1 軟件界面設計44-45
• 3.5.2 網(wǎng)絡通信45-47
• 3.6 本章小結47-49
• 第四章 基于穿戴式數(shù)據(jù)手臂的人機交互設備49-61
• 4.1 系統(tǒng)介紹49-51
• 4.1.1 系統(tǒng)組成49
• 4.1.2 工作流程49-50
• 4.1.3 工作模式50-51
• 4.2 傳感子系統(tǒng)設計51-56
• 4.2.1 基于四元數(shù)的歐拉角解算51-55
• 4.2.2 基于光纖角度傳感器的手勢識別55-56
• 4.3 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設計56-58
• 4.3.1 數(shù)據(jù)采集電路56-58
• 4.3.2 硬件安裝58
• 4.4 藍牙通信設計58-59
• 4.5 交互軟件設計59-60
• 4.6 本章小結60-61
• 第五章 不同人機交互設備的遙操作實驗研究61-73
• 5.1 遙操作實驗介紹61-63
• 5.1.1 實驗系統(tǒng)61-63
• 5.1.2 實驗對象63
• 5.2 基于力反饋的遙操作實驗63-66
• 5.2.1 有無力反饋的比較實驗63-64
• 5.2.2 實驗結果及分析64-66
• 5.3 基于虛擬預測環(huán)境的遙操作實驗66-71
• 5.3.1 5s時延下的比較實驗66-68
• 5.3.2 10s時延下的比較實驗68-70
• 5.3.3 實驗結果及分析70-71
• 5.4 三種人機交互設備綜合性能71-72
• 5.5 本章小節(jié)72-73
• 第六章 總結與展望73-77
• 6.1 工作總結73-74
• 6.2 創(chuàng)新點74
• 6.3 未來工作的展望74-77
• 致謝77-79
• 參考文獻79-83
• 作者在學期間的成果83

【參考文獻】

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本文編號：738356