基于虚拟现实主从遥操作机器人系统研究

摘要

核电站设备结构复杂，设备本身或其运行环境具有放射性，同时兼具了水下、高温、高压等特点，核电站内放射性水池面积较大且没有可靠的异物防范措施，异物落入水池，将严重影响核电站正常运行，普通人员异物打捞往往束手无策。因此，致力于开发出适应核辐射环境，性能先进、可靠的核电站水下爬行机器人一直是核工业界追求的目标。在国家863项目（编号：2011AA040201）“核电站多功能水下爬行机器人研发”的支持下，对核电站多功能水下爬行机器人系统进行了研究设计。
　　本文的主要研究工作如下：
　　1、设计了一套主从遥操作核电站水下爬行机器人系统，包括主端控制系统、从端控制系统和视频监控系统，运用LabVIEW软件对系统进行了控制，完成了人机交互界面的制定。建立了基于CANopen协议的多关节电机协调控制实验，解决了传统电机控制系统不太适于移动机器人多伺服电机控制的问题。
　　2、对核电机器人进行了运动学分析，运用matlab软件对机械臂进行了正逆运动学仿真，验证了运动学正逆解的正确性。LabVIEW和Solidworks软件的联合应用，建立了虚拟核电机器人模型，完成并实现了对虚拟核电机器人的运动控制。
　　3、研制了一套力反馈主手设备。机械部分为自行设计的二自由度力反馈主手，控制模块分为电源板、控制板、驱动板，层与层用排针接插，减小了安装面积。通过直流电机电流闭环控制方案，实现了机械手爪处超声传感器与异物的距离信息转换成主手处电机的转矩，作用到人手给人力觉。通过串口助手实验，实现了在设定的距离内，超声距离越小，操作者手处的力觉越大。
　　4、进行了主从遥操作核电机器人异物抓取实验，操作者通过主控端搜索摄像头与抓取摄像头的视频反馈画面、虚拟模型位姿画面，借助遥操作或主控交互界面实现了核电机器人对异物的搜索、抓取和摆放等一系列连续动作，高效的完成异物抓取任务，取得了良好的实验效果，验证了该套系统方案的可行性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 基于虚拟现实遥操作机器人系统简述

1.2 虚拟现实技术综述

1.3 基于虚拟现实主从遥操作机器人国内外研究现状

1.4 本文研究内容与论文结构总体概括

第二章 主从遥操作核电机器人实验平台的总体设计

2.1力觉临场感系统概述

2.2主从遥操作核电机器人实验平台硬件结构

2.3系统软件架构

2.4主从端通讯

2.5 本章小结

第三章 核电机器人三维建模以及运动学分析

3.1 从手运动学建模

3.2 机械臂正逆运动学仿真

3.3 虚拟核电机器人三维模型的控制

3.4 本章小结

第四章 力反馈主手模块控制系统研究

4.1 力反馈主手模块控制硬件设计

4.2 力反馈主手软件调试

4.3本章小结

第五章 核电机器人主从遥操作实验

5.1 主从遥操作核电机器人实验方案制定

5.2 主从遥操作核电机器人实验方案验证

5.3 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

攻读学位期间所取得的相关科研成果