基于人机交互的搜救机器人控制站系统研究

摘要

针对灾难救援领域对特种机器人系统的迫切需求，研制用于搜寻和营救的机器人系统已经成为机器人学研究的新方向。搜救机器人是典型的“人-机-环境”系统，控制站是系统的核心控制机构，是实现人机交互的唯一平台。控制站系统设计的好坏直接影响机器人本体任务执行与环境适应能力，搜救人员的操控与决策以及救援任务的执行效率。 本论文的研究内容是依托“863”计划项目“废墟洞穴搜救机器人研制”展开的。基于人机交互技术，针对搜救机器人控制站系统进行深入的研究。研究内容主要包括可变形机器人平台与系统、控制站体系结构与规划机制研究、控制站实时感知与判定系统研究和控制站的设计与实现等。 首先，控制站系统的研究以搜救机器人为基础，分析了该模块化链式机器人系统的功能特性和变形原理。该机器人具有较强环境适应能力和高机动性能，主要面向灾难救援等特种作业的应用。为了实现模块化机器人的协同运动和构形变换，提出基于分布式控制器的模块化控制结构。以功能为划分依据，将控制系统分解成具有不同功能、由独立控制器执行的模块化子系统；采用分布式控制方法，使各子系统独立、同步地执行对应任务。 其次，为了能够在复杂废墟环境中执行安全有效的救灾救援工作，针对可变形机器人的功能特性，分析了控制站系统设计的功能需求。基于人机交互技术，提出控制站系统设计原则，建立融合层次式和基于行为的混合式机器人控制站体系结构，具有层次动态化和控制功能模块化的特性。控制站系统采用视觉、语音和机械触觉的多通道协同工作模式；提出了一种将控制任务构建为行为运动和时序关系组合序列的规划机制。 再次，基于虚拟现实技术针对控制站实时感知与判定系统进行研究。结合机器人仿真需求以及灾难救援作业需求构建了实时感知与判定系统功能结构，整体系统采用能够根据不同应用需求进行重组的模块化结构。分别对三维映射、虚拟监控以及算法仿真子系统的关键技术与实现方法进行了研究，提供动态映射机器人实时状态的虚拟监控环境，并能够为机器人研究提供仿真实验平台。 最后，对控制站的硬件系统和软件系统进行设计与实现。核心主控制系统的设计采用非对称平台形式，基于层次分析法进行方案决策。采用便携式箱体封装各功能系统，完成整体系统集成搭建。采用统一可视化建模语言方法建立了软件系统结构开发框架，并对初始化、紧急处理、控制规划、模式切换和状态反馈等主要功能模块进行了设计说明。通过室内环境实验和模拟废墟环境实验，表明控制站系统能够满足可变形机器人灾难救援需求，具有较好的适应性和交互性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

第二章 可变形机器人平台与系统

第三章 控制站系统体系结构及规划机制研究

第四章 基于虚拟现实的控制站实时感知与判定系统研究

第五章 控制站系统的设计与实验验证

第六章 结论与展望

参考文献

作者简介、作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢