基于七自由度机械臂遥操作系统控制方法的研究

摘要

随着空间机械臂技术的不断发展，空间日趋复杂和精细的作业任务对空间遥操作机械臂控制技术提出了很高的要求。由于七自由度机械臂具有非常灵活的操作能力和高精度的作业能力，实现七自由度机械臂的遥操作控制方法，可以完成很多复杂和未知环境中的作业任务，具有广阔的应用前景。
　　为了应对空间技术发展的需求，本课题对空间遥操作关键技术进行了深入研究，自行研制了一套基于虚拟预测环境的空间遥操作机械臂控制系统，主要包括人机交互设备（六自由度力反馈手控器）、虚拟预测环境、socket网络通信、从端机械臂控制平台与七自由度机械臂等。操作者在主端使用手控器操作机械臂完成一系列典型的空间任务，如移动、抓取、插销等。同时利用视觉、力觉、测距等各种传感器来反馈环境信息增强操作者临场感，提高作业效率。
　　针对系统的机械臂控制设计，主要搭建基于ROS(robot operating system)的机械臂控制平台，首先针对真实机械臂的机构特性进行D-H参数分析，在ROS中创建机械臂参数模型，设计PCAN总线通信。然后分别进行机械臂正、逆向运动学分析，其运动解算算法使用ROS中提供的KDL库（The Kinematics and Dynamics Library，运动学和动力学库），主要基于数值计算的方法，并利用不断迭代方式，找寻唯一解，具有运算快，稳定性好等特点。
　　为了提高空间作业的安全和效率，进行了基于机械臂安全作业的多模态控制方案的设计。利用传感器不断实时采集周围环境信息，使操作者具有更加真实的临场操作感，不断反馈环境信息来辅助作业，提高作业的安全性。并分别论述了基于遥操作安全作业的机械臂自主模式操作、基于遥操作技术相结合的局部自主模态下的控制以及力辅助式遥操作控制系统，并分别进行相应的仿真进行论证。
　　最后，设计了一系列的遥操作实验对整个系统进行研究。在不同时延的条件下，计算主端虚拟环境和从端中机械臂的位置跟踪误差和力反馈误差，然后进行三种模态下的遥操作实验研究，验证系统的可行性、可靠性和有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 遥操作控制技术的研究背景及意义

1．1．1 空间遥操作机械臂控制技术概述

1．1．2 研究意义

1．2 空间遥操作技术研究进展

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文研究的主要内容

1．4 论文的组织结构

2．1 引言

2．2 系统原理及构建

2．3 七自由度机械臂建模与运动学分析

2．3．1 空间机械臂的结构

2．3．2 数学模型

2．3．3 正向运动学分析

2．3．4 机械臂正向运动学仿真

2．4 机械臂的控制软件平台ROS

2．4．1 ROS系统组成

2．4．2 ROS交互控制系统设计

2．4．3 ROS下机械臂控制模块设计

2．5 空间机械臂运动解算

2．5．1 机械臂逆向运动学解算

2．5．2 基于ROS的机械臂逆解

2．5．3 基于ROS下的机械臂运动学软件控制的实现

2．5．4 机械臂逆向运动学仿真

2．6 本章小结

第三章 机械臂安全作业的多模态控制

3．1 引言

3．2．1 区域分析

3．2．2 障碍物建模分析

3．3 基于VR的遥操作机械臂控制方法的实现

3．3．1 基于VR的遥操作控制模式

3．3．2 虚拟预测环境

3．3．3 仿真实验

3．4 机械臂自主式控制方法的实现

3．4．1 机械臂自主控制模式

3．4．2 机械臂自主避障

3．4．3 仿真实验

3．5 基于遥操作技术的局部自主式控制方法的实现

3．5．1 机械臂局部自主控制模式

3．5．2 基于测距传感器的障碍物距离检测

3．5．3 仿真实验

3．6 力辅助式遥操作控制方法的实现

3．6．1 力传感器硬件设计

3．6．2 力辅助式的遥操作控制系统

3．6．3 力辅助作业分析

3．6．4 仿真实验

3．7 本章小结

第四章 遥操作实验研究

4．1 遥操作实验系统简介

4．2 不同时延下的位置跟踪精度

4．2．1 实验设置

4．2．2 实验结果及分析

4．3 不同时延下的力反馈误差

4．3．1 实验设置

4．3．2 实验作业环境

4．3．3 实验结果及分析

4．4 机械臂自主模式下遥操作实验

4．4．1 实验设置和作业环境

4．4．2 实验结果分析

4．5 基于遥操作技术的局部自主模式下遥操作实验

4．5．1 实验设置和作业环境

4．5．2 实验结果分析

4．6 力辅助模式下遥操作实验

4．6．1 不同范围的作业交互力实验

4．6．2 实验作业环境

4．6．3 实验结果分析

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 主要工作总结

5．2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间的成果