基于虚拟现实的水下机械手力觉临场感技术研究

摘要

核电站水下机器人遥操作系统的成功实现，极大地改善了极限环境下机器人的作业能力，系统能够使机器人替代操作者进入反应堆堆芯和水池完成异物检查、打捞操作等工作任务。将力觉临场感技术应用于遥操作系统中，一方面通过主操作手将操作者的有关运动信息传递给目标机器人；另一方面主手将远程控制中目标机器人的受力情况反馈给操作者，使从机器人在系统的控制下能够更为精确的完成工作任务，具有较高的工作效率。
　　本文主要研究内容和创新性成果如下：
　　1.针对本实验室自主研制的核电站多功能水下爬行机器人，确立了遥操作机器人系统总体设计方案，将力觉临场感技术应用其中，并完成了系统的整体安装与调试。
　　2.以自行设计的2-DOF机器人遥操作装置为研究对象，从结构形式、操作性能等方面分析具有力觉临场感的机器人遥操作装置的关键技术，为遥操作装置设计提供了一定参考。
　　3.建立了遥操作机器人系统模型，并将其转变为电网络系统进行分析。基于无源性的控制策略，采用散射矩阵的方法，对时延存在情况下的遥操作系统控制策略进行仿真分析。
　　4.设计了基于PID-滑模的主从遥操作系统控制策略，进行了系统的位置和力跟踪特性等仿真研究，实现了较为满意的控制效果。
　　本文研究成果对改善遥操作机器人系统的力觉临场感特性具有借鉴作用。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 具有力觉临场感的遥操作机器人系统概述

1.3 操作机器人国内外研究现状

1.4 本文的主要内容

第二章 具有力觉临场感的遥操作机器人系统总体方案

2.1 遥操作系统总体概述

2.2 主从遥操作机器人系统硬件架构

2.3 主从遥操作机器人系统软件架构

2.4 本章小结

第三章 具有力觉临场感的遥操作装置结构设计与分析

3.1 2-DOF机器人遥操作装置构型及特点

3.2 操作杆运动学和动力学分析

3.3 操作手柄性能评价

3.4 本章小结

第四章 系统稳定性分析与时延问题解决

4.1 遥操作系统数学模型描述

4.2 稳定性分析

4.3 时延情况分析仿真

4.4 本章小结

第五章 主-从遥操作双向控制策略研究

5.1 PID-滑模双向控制策略

5.2 主手PID力控制器的设计

5.3 从手滑模位置控制器的设计

5.4 主从双向控制系统的设计

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢