应急处理遥操作机器人控制方法研究

摘要

在战场环境、恐怖袭击或核化生污染等突发事件中往往会出现情况不明、危险度较高、不利于人员进入的非结构化区域，而应急处理遥操作机器人是一种能够进入其中执行现场环境探测、取样并具有较强应急处理能力的机器人，它的使用可以有效降低事故处理和救援人员所面对的风险，提高事故响应和处理的效率，具有明显的社会效益和经济效益，是当今机器人研究领域的重点之一。本文主线是从减轻操作人员负担的角度出发，并结合所研制的两种不同应急处理机器人样机，针对机器人在遥操作条件下的局部自主控制方法及相关问题展开理论和实验研究，旨在达到降低遥操作难度和增强遥操作感受的目的。
　　本文首先根据应急处理遥操作机器人的任务和使用环境条件，设计和使用了两种应急处理机器人，一种为地形适应能力较强的小型化履带式机器人，该机器人体积小重量轻，满足在地形复杂、空间限制明显的环境中的使用要求;另一种为任务处理能力较强的轮式机器人，该机器人移动效率高，搭载能力强，机械臂有很强的的灵活操作能力，满足快速处理而且目标任务对处理能力要求较高的任务需求。两种机器人可以根据任务要求配备大量不同传感器进行探测。根据机器人的不同结构分别建立了运动学模型并加以分析，并设计了层次化的控制系统以及有效的遥操作控制方式和良好的人机交互界面，便于操作人员远程控制机器人进行应急处理工作。这两种应急处理遥操作机器人系统也作为以后工作研究的实验平台。
　　高自由度的遥操作机器人在被控过程中，具有动作灵活的优点，但由于冗余度过高会造成自身动作不协调、控制方法过于复杂和操作员负担过重等缺点。针对这些问题，设计了一种多目标优化的冗余度解析方法，使得操作人员只需要规划和关注于机器人的主目标任务，而机器人能够自主完成多个设定的次级目标任务，从而能够在非结构环境中、不同任务约束下、不同功能需求下都能达到较好的性能。文中分析了非完整约束移动机器人的速度运动学模型，根据传感器采集的信息、任务约束和功能需求将冗余度解析问题建模为多目标优化问题，并根据可能出现的外部干扰和功能需求设计了多个目标子任务方程来满足多目标优化的需求。该方法将机械臂和移动底盘作为整体控制，有效提高机器人的整体协调能力，并为其设计了一种有效的动作路径跟踪控制器使机器人可以同时完成多项子任务。
　　遥操作机器人在翻越障碍或上下楼梯时会导致其姿态的剧烈变化，在极端情况下还会造成机器人的倾翻，而机器人系统的质心位置对防倾翻安全性非常重要，针对这一特点，在不改变机器人现有结构和不附加额外设备的情况下，利用机器人配备的机械臂在运动时对系统质心位置的调节作用，设计了一种有效的增强型防倾翻功能方法，提高机器人的防倾翻安全性。文中对机器人的侧翻、仰翻、前倾翻状态进行分析，并对机械臂运动导致系统质心运动的分布情况加以研究，设计了一种基于系统质心运动的机械臂控制方法，根据机器人的三种不同倾翻状态提出了相对应的增强型防倾翻功能算法。
　　在操作人员利用机械手爪进行远程遥操作抓取目标物时，系统的透明性和直观性尤其重要，对操作人员来说最佳的操作感受是像用自己的手去抓取目标物一样，然而当前的机械手爪遥操作系统都不能达到这一要求，另外通讯中的随机时延问题也会对系统的稳定性造成影响。针对这些问题，设计了一种新的机械手爪遥操作方法，该方法从重视操作人员的直观操作感受出发，使用肌电信号作为遥操作控制信号，并采用具有触觉反馈的机械手爪系统。为了消除随机时延对系统的影响，该方法还采用了基于非时间参考的遥操作方法。另外，本方法还设计了基于支持向量机的力度估计方法和抓取力模糊控制器用来增强控制方法的有效性，能够让操作者能够更加快速有效地调节机械手爪的开合速度以及抓取力度大小。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 目前存在的主要问题

1．3．1 机器人环境感知能力有限

1．3．2 完全自主智能机器人短期内无法实现

1．3．3 相关理论方法尚不够成熟

1．4 论文主要研究内容

1．5 论文组织结构

第二章 应急处理遥操作机器人系统设计及分析

2．1 引言

2．2 机器人机械结构

2．2．1 机器人移动平台

2．2．2 机械手机械结构

2．3 应急处理遥操作机器人运动建模

2．3．1 移动底盘运动建模

2．3．2 机械臂运动建模

2．4 机器人传感器系统

2．5 机器人电子控制系统

2．5．1 设备级

2．5．2 控制级

2．5．3 监视操作级

2．6 本章小结

第三章 多目标优化的应急处理机器人冗余度解析方法

3．1 引言

3．2 系统参数及功能定制规划

3．2．1 系统结构和传感器系统参数

3．2．2 功能定制规划

3．3 非完整约束移动机器人系统模型

3．3．1 机器人坐标系统及其变换

3．3．2 系统模型建立

3．4 多任务冗余度解析方案设计

3．4．1 速度运动学控制器设计

3．4．2 避免关节极限角

3．4．3 奇异点去除

3．4．4 最大化可操作度

3．4．5 避障

3．4．6 移动底盘的平滑转弯

3．5 仿真与实验结果

3．5．1 仿真结果与分析

3．5．2 实验结果与分析

3．6 本章小结

第四章 基于机械臂自主调节的履带式机器人增强型防倾翻方法研究

4．1 引言

4．2 履带式应急处理机器人越障倾翻分析

4．2．1 系统质心分布状态

4．2．2 单侧越障侧翻状态分析

4．2．3 攀爬楼梯仰翻状态分析

4．2．4 下台阶向前倾翻状态分析

4．3 机械臂对系统总质心位置调节作用

4．4 基于机械臂调节的增强型防倾翻功能方法

4．4．1 基于质心运动的机械臂控制模型

4．4．2 增强型防倾翻功能算法

4．5 试验与分析

4．5．1 单边过障碍防侧翻实验

4．5．2 攀爬楼梯防仰翻实验

4．5．3 下楼梯防前倾翻实验

4．6 本章小结

第五章 基于肌电信号和触觉反馈的人机交互机械手爪遥操作研究

5．1 引言

5．2 肌电信号分析及特征参数选取

5．3 基于支持向量机的力度估计方法

5．3．1 支持向量机模型及回归

5．3．2 支持向量机参数优化方法

5．4 抓取力度模糊控制器设计

5．5 非时间参考的机械手爪遥操作控制方法

5．6 实验及分析

5．5．1 实验设置

5．6．2 肌电信号采集及特征参数提取

5．6．3 支持向量机训练及肌肉用力大小估计

5．6．4 无时延的线性力跟踪实验

5．6．5 有随机时延的期望抓取力度跟踪遥操作实验

5．7 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 论文工作总结

6．2 未来研究展望

致谢

参考文献

论文和成果清单