面向机械臂远程控制的人机交互技术研究

摘要

人类对现代机械臂的研究始于上世纪40年代。作为一种仿人类手臂功能的机械装置，它的出现为我们提供了一种远距离与环境进行交互的方法。近年来，由于应对恐怖活动的需要，尤其是随着空间技术领域的发展，远程控制机械臂的需求量越来越大，因此面向机械臂远程控制的人机交互技术也越来越受到人们的关注。
　　本文分析了国内外机械臂领域的发展现状及趋势，并总结了面向机械臂远程控制的人机交互技术面临的问题，即距离远、延时大、自由度高、控制难度大等。本文针对这些问题详细设计了远程控制机械臂人机交互系统，并分别从上位机硬件系统、上位机软件系统以及下位机系统，详细阐述了远程控制机械臂人机交互系统的设计思想、设计方法。并通过大量的实验展示了系统的运行效果。
　　面向机械臂远程控制的人机交互系统并不单单是人与机械臂之间的交互，还包括人与机械臂工作环境的交互，而最直接的交互方式就是通过图像进行。因此，在本文的最后详细设计了目标物体识别跟踪系统。并且本文针对机械臂遥操作，提出了一种基于不同视角图像的快速高效的目标定位方法，该方法根据目标物体在多个不同视角图像中的位置，计算出其在实际工作空间中的位置，从而在虚拟机械臂工作空间中标示出目标物体与虚拟机械臂的相对位置，最后通过实验验证了该方法的正确性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究动态

1．2．2 国内研究动态

1．3 目前面向机械臂远程控制的人机交互技术研究中存在的问题

1．4 论文主要研究内容和组织结构

1．4．1 论文主要研究内容

1．4．2 论文的组织结构

第二章 远程控制机械臂人机交互系统

2．1 概述

2．2 远程控制机械臂人机交互系统总体设计

2．2．1 机械部分设计

2．2．2 系统结构设计

2．2．3 子系统和模块级设计

2．3 本章小结

第三章 远程控制机械臂人机交互系统下位机设计

3．1 概述

3．2 下位机硬件电路设计

3．2．1 下位机硬件电路总体设计

3．2．2 下位机微处理器选择

3．2．3 电源模块电路

3．2．4 机械臂末端控制模块电路

3．2．5 状态扫描电路

3．2．6 报警蜂鸣器电路

3．3 下位机软件部分设计

3．3．1 下位机软件总体要求

3．3．2 下位机软件工作模式选择

3．3．3 基于DMA工作模式的下位机软件

3．3．4 下位机软件流程图

3．4 本章小结

第四章 人机交互系统上位机软件设计

4．1 概述

4．2 软件整体架构和软件设计模式

4．2．1 软件整体架构

4．2．2 软件设计模式

4．2．3 主控制系统软件流程图

4．2．4 仿真预演系统件流程图

4．3 七自由度机械臂运动学控制系统设计

4．3．1 七自由度机械臂运动学建模

4．3．2 七自由度机械臂运动学正逆解

4．3．3 验证基于KDL的机械臂控制系统逆解精度试验

4．3．4 远端机械臂末端与目标物体姿态描述方法

4．4 仿真预演系统设计

4．4．1 远程控制机械臂几何建模

4．4．2 构建视景仿真界面

4．4．3 场景仿真效果与精度试验

4．5 视频网络传输系统设计

4．5．1 视频开发工具选择

4．5．2 基于DirectShow的视频网络传输系统开发

4．5．3 视频网络传输系统客户端与服务器端交互流程图

4．6 本章小结

第五章 目标物体识别跟踪系统设计

5．1 概述

5．2 图像识别、跟踪方法研究

5．2．1 识别跟踪算法简介

5．2．2 颜色空间简介

5．2．3 本系统用到的图像处理算法介绍

5．3 图像预处理试验

5．3．1 RGB颜色空间模型下图像预处理实验

5．3．2 HSV颜色空间模型下图像预处理实验

5．3．3 试验结果对比

5．4 基于轮廓匹配法和直方图匹配法的目标物体识别算法

5．4．1 HU矩轮廓匹配法

5．4．2 直方图目标物体图像匹配法

5．5 本章小结

第六章 一种基于多视角图像的目标物体定位方法

6．1 概述

6．2 基于多视角图像的目标物体定位方法

6．3 误差分析

6．4 实验验证

6．5 实验结果分析

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 本文所做的工作

7．2 今后需要进一步展开的工作

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间主要科研成果