空间机器人地面遥操作的关键技术研究

摘要

太空具有微重力、高真空、强辐射等特点，其恶劣环境使人在太空中的活动风险极高，空间机器人是开展天体深空探测的主要手段。空间机器人所面临的复杂的太空环境通常是部分或完全未知的，采用全自主的机器人目前并不现实，在这种情况下必须依靠地面的操作人员参与并给出控制指令，通过临场感手段（视觉、力觉和触觉等）将人纳入到控制回路才能保证任务的顺利完成。空间机器人地面遥操作系统是现阶段的主流技术方式，有着巨大的研究意义和应用价值。本文从解决空间机器人地面遥操作中的关键问题出发，在系统结构设计、主从运动匹配、虚拟预测环境与力觉/视觉辅助、肌电信号控制及多事件控制结构等方面展开研究工作。
　　从空间机器人地面遥操作的实际任务出发，参照空间机器人的结构与工作模式，设计并构建了空间机器人地面遥操作系统，并对其进行建模分析。完成该系统的总体设计以及主机械臂子系统、虚拟环境子系统、人机交互子系统、地面运行管理子系统等功能模块的功能设计，并可以利用时延仿真子系统进行大时延条件下的典型空间机械臂遥操作作业任务和功能验证。
　　针对遥操作系统中主从异构机械手的空间映射问题，对自行设计的七自由度力反馈手控器进行运动学分析，为从该人机交互设备解算出操作者的位置指令并生成准确的力反馈信息提供了基础。接着对从端使用的雄克七自由度冗余机械臂进行运动学分析，解决了该冗余机械臂的运动学正逆解问题，并采用旋量抑制的方法对该机械臂进行奇异性分析。最后讨论了主从异构遥操作系统运动匹配的方法。
　　针对空间遥操作系统中的大时延问题，鉴于视觉和力觉作为操作者感知作业环境现场的最主要的信息提示方式和手段，建立了基于三维环境建模与修正的视觉/力觉辅助的遥操作系统。使用KINECT相机采集三维点云信息并重建3D场景，采用窗口自适应的滑动最小二乘法在线辨识未知环境中的模型动力学参数并实时更新。此外，利用人工势场的控制方法，提供相应的引力或斥力，提高了操作者控制远端机器人避障及接近目标效率。
　　使用肌电信号作为空间机器人地面遥操作中的控制信号来源之一，通过采集肌电信号并进行特征提取用于控制空间遥操作系统中机械手爪的夹持装置。基于非时间参考的事件s，将时延信息排除在系统以外，解决了遥操作系统中时延对稳定性的影响，增加事件发生器及事件选择器，并利用无源二端口理论证明了该系统结构的无源稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．1 从全自主机器人到人机交互遥操作机器人

1．1．2 遥操作机器人的分类

1．1．3 空间机器人遥操作系统的应用背景及概念

1．2 空间遥操作机器人的国内外发展现状

1．2．1 国外发展现状

1．2．2 国内研究进展

1．3 空间遥操作机器人关键技术研究和目前存在问题

1．3．1 遥操作系统中时延问题的影响

1．3．2 遥操作系统中解决时延问题的控制方法

1．3．3 预测仿真技术

1．3．4 人机交互设备的开发

1．3．5 目前存在的问题

1．4 本文研究内容及论文组织结构

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 组织结构

第二章 空间机器人地面遥操作系统的建模分析和体系构成

2．2．1 无源N端口网络理论

2．2．2 遥操作系统的二端口网络模型

2．2．3 基于阻抗匹配的无源控制

2．3 空间机器入地面遥操作系统的总体设计

2．4 空间机器入地面遥操作系统的子系统设计

2．4．1 主机械手(手控器)子系统

2．4．2 虚拟预测子系统

2．4．3 人机交互子系统

2．4．4 数据管理子系统

2．4．5 地面运行管理子系统

2．4．6 空间机器人(机械臂)控制子系统

2．4．7 通讯时延处理子系统

2．5 空间机器人地面遥操作系统的软件设计

2．5．1 软件设计模块设计

2．5．2 ROS开发框架介绍

2．5．3 ROS框架的基本组成

2．6 本章小结

第三章 基于力反馈手控器的空间遥操作系统运动匹配研究

3．1 引言

3．2 主端七自由度力反馈手控器运动学分析

3．2．1 三自由度平动机构运动学分析

3．2．2 三自由度转动机构运动学分析

3．3 从端七自由度机械臂运动学分析

3．3．1 机械臂正运动学

3．3．2 机械臂逆运动学

3．4 基于旋量抑制的七自由度Schunk机械臀奇异性分析

3．4．1 机械臂的奇异性问题

3．4．2 旋量的基本概念

3．4．3 基于相关旋量抑制的方法概述

3．4．4 七自由度Schunk机械臂的奇异性分析

3．5 主从异构机械手运动匹配研究

3．5．1 主从机械手运动匹配概述

3．5．2 主从异构机械手的运动匹配方法

3．6 本章小结

第四章 基于三维环境建模与修正的视觉／力觉辅助方法研究

4．1 引言

4．2 系统结构

4．3 虚拟预测环境建模技术

4．3．1 虚拟环境技术

4．3．2 虚拟环境中的机械臂模型

4．3．3 基于点云的三维环境建模

4．4 遥操作系统中接触环：境的动力学建模与参数朔识

4．4．1 环境动力学的分区描述

4．4．2 非稳定接触的动力学描述

4．4．3 稳定接触的动力学描述

4．4．4 基于自适应窗口滑动最小二乘法的动力学参数在线参数辨识方法

4．5 虚拟预测环境中基于人工势场法的辅助力建模

4．6 遥操作系统中虚拟力反馈的生成策略

4．7 实验与结果

4．7．1 实验平台

4．7．2 实验结果

4．8 本章小结

第五章 基于肌电信号和多事件控制结构的空间遥操作方法研究

5．1 引言

5．2 基于肌电信号的空间机器人抓取力控制方法

5．2．1 肌肉电信号概述

5．2．2 表面肌电信号的特征提取

5．2．3 基于表面肌电信号的手部抓握力估计方法

5．2．4 基于肌电信号的遥操作抓取力控制方法

5．3 基于事件的控制方法

5．3．1 基于事件的控制方法的原理

5．3．2 基于事件的控制方法稳定性分析

5．3．3 事件参考变量s的选择

5．4 基于多事件的空间遥操作系统结构

5．4．1 规划器

5．4．2 事件生成器A

5．4．3 事件生成器B

5．4．4 事件选择器

5．5 基于无源二端口理论的稳定性分析

5．6 实验与结果

5．6．1 基于肌电信号的抓握力估计实验

5．6．2 基于肌电信号和多事件控制结构的空间机器人地面遥操作实验平台

5．6．3 遥操作实验内容

5．6．4 实验结果

5．7 本章小结

第六章 总结与展望

6．2 论文主要创新点

6．3 未来研究展望

参考文献

攻读博士期间研究成果