移动操作机器人及其共享控制力反馈遥操作研究可编辑.docx
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移动操作机器人及其共享控制力反馈遥操作研究可编辑
移动操作机器人及其共享控制力反馈遥操作研究
博士学位论文
移动操作机器人及其共享控制的
力反馈遥操作研究
RESEARCHONMOBILEMANIPULATORANDITS
FORCEFEEDBACKTELEOPERATIONBASEDON
SHAREDCONTROLMODE于振中
哈尔滨工业大学
2010年11月国内图书分类号:
TP242.2学校代码:
10213
国际图书分类号:
681.5密级:
公开工学博士学位论文
移动操作机器人及其共享控制的
力反馈遥操作研究
博士研究生:
于振中
导师:
蔡鹤皋院士
副导师:
赵杰教授
申请学位:
工学博士
学科:
机械电子工程
所在单位:
机电工程学院
答辩日期:
2010年11月
授予学位单位:
哈尔滨工业大学
ClassifiedIndex:
TP242.2
U.D.C:
681.5
DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineering
RESEARCHONMOBILEMANIPULATORANDITS
FORCEFEEDBACKTELEOPERATIONBASEDON
SHAREDCONTROLMODEYuZhenzhong
Candidate:
Supervisor:
AcademicianCaiHegaoVice-Supervisor:
Prof.ZhaoJie
AcademicDegreeAppliedfor:
DoctorofEngineering
Speciality:
MechantronicsEngineering
Unit:
SchoolofMechatronicsEngineering
DateofDefense:
Nov,2010
University:
HarbinInstituteofTechnology摘要
摘要
移动操作机器人相比于固定操作机器人具有更大的操作空间和更强的操作灵
活性,成为机器人领域研究的热点方向之一。
机器人借助传感器完全自主的完成指
定的作业任务,特别是极限环境下的作业任务是智能机器人研究的昀终目标。
限于
目前的科技水平,机器人很难完全自主的完成所有作业任务。
将机器人的局部自主
与网络遥操作相结合,组成基于共享控制方式的遥操作系统,实现人机智能的结合
能极大的提高机器人实现复杂、动态、极限作业任务的能力。
基于共享控制方式的
移动操作机器人遥操作系统研究的几个重要问题包括移动操作机器人研制、提高移
动操作机器人自主能力的方法研究和辅助操作者提高操作效率的方法研究。
本文针
对这几个方面,首先研制一台移动操作机器人,然后从提高机器人自主性方面研究
该机器人的自主运动规划方法,昀后从辅助操作者提高操作能力方面研究了移动车
和操作臂的时延力反馈遥操作控制问题。
针对共享控制遥操作应用背景,研制了一台轮式全方位移动操作机器人。
该移
动操作机器人具有冗余的网络通信结构,能够可靠的与控制网络通信。
移动车采用
三轮全驱结构,能够实现全方位运动,车体设计成圆桶型结构,适合于狭窄的运动
空间。
车轮模块采用差动驱动结构,结构简单,布线方便,车轮的转向不受角度范
围的限制。
操作臂设计成串联六自由度结构,末端三个关节的轴线交于一点具有解
析逆解,方便控制。
移动操作机器人上配置了红外测距、超声测距、超声定位、数
字罗盘、编码器、摄像头、温度、六维力/力矩等多种传感器,为实现机器人的局部
自主提供了硬件条件。
该全方位移动操作机器人具有9个自由度,属于冗余机器人,
针对冗余机器人逆运动学求解问题提出了一种基于遗传信赖域算法的冗余机器人
逆运动学求解方法,并利用关节局部优化及解析方法将遗传信赖域算法的求解简化
为两维目标函数的昀优化问题,提高了优化算法的搜索速度。
移动操作机器人自主运动规划是其自主性的重要内容,运动规划包括路径规划
和轨迹规划。
传统人工势场法用于移动机器人路径规划容易出现局部极小点、目标
不可达和规划路径抖动等问题,为了克服传统方法的缺点提出了一种基于信赖域算
法优化的改进人工势场法的自主路径规划方法。
首先建立改进的人工势场模型,然
后在改进人工势场模型基础上将各种势场强度用代数和方式叠加,昀后用信赖域算
法搜索机器人在一个采样周期中移动范围内的势场强度之和昀小的点,多个昀小点
构成全局优化路径。
信赖域算法具有快速收敛特性,能够满足算法的实时性要求。
对于操作臂的轨迹规划问题,为了保证控制的实时性,采用基于关节空间的轨迹规
-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文
划方法实现操作臂的轨迹规划。
操作臂体现移动操作机器人的操作能力,对其进行高效的遥操作控制能够提高
移动操作机器人共享控制遥操作系统的操作性能。
力反馈为操作者提供力觉临场
感,能够大大提高操作者操作的效率。
网络传输时延却影响了系统的作业性能,甚
至引起系统的不稳定,必须对其进行时延控制。
基于无源性理论的波变量法能够保
证系统在任意时延下的稳定性,但是其透明性较差。
本文针对具有多个自由度操作
臂的力反馈遥操作控制问题,首先扩展了通用的多自由度遥操作系统的波变换公
式。
为了克服波变量方法透明性差的问题,将波预测方法用于变时延遥操作系统,
并针对变时延和预测模型不精确等给遥操作系统主从端带来的稳态位置误差问题,
提出了一种从端校正控制方法。
该方法与主端校正控制方法相比,不但能消除由于
变时延和数据丢包引起的稳态位置误差,而且能够修正由于预测模型不精确引起的
稳态位置误差。
针对从端机器人模型不断变化的遥操作任务,提出使用适应性波预
测器的方法来应对模型的变化,并设计了适应性波预测器的运行策略。
实验证明了
方法的有效性。
移动车体现了移动操作机器人的移动能力,对移动车的遥操作能够补充其自主
运动的不足,并且移动车和操作臂的遥操作相结合能够充分发挥移动操作机器人遥
操作系统的“移动”和“操作”特性。
首先研究了移动车力反馈遥操作控制的策略,
并针对移动车的力反馈遥操作问题,提出了将波预测方法用于三通道遥操作控制结
构,充分利用波变量方法、预测技术和三通道结构丰富的通道参数,在保证时延遥
操作系统稳定的基础上提高其透明性。
建立了基于网络的遥操作实验系统,实现了移动操作机器人在较大范围内搬运
放置物体的实验,将运动学求逆解方法、自主运动规划方法、移动车和操作臂的力
反馈遥操作控制方法应用于实验中验证了所提方法的有效性,为实现移动操作机器
人的共享控制遥操作奠定了理论和技术基础。
关键词:
移动操作机器人;力反馈遥操作;共享控制;波变量-II-Abstract
Abstract
Mobilemanipulatorhasbothmobileandoperationalcapacity,andhaslarger
operatingspaceandbetteroperationalflexibility.Itisahotresearchfocusintherobot
researcharea.Itistheultimategoalofintelligentrobotsresearchtomaketherobotswith
sensorscompletethespecifiedoperationtaskautonomously.However,beingconfinedto
thecurrenttechnologicallevel,itisdifficultforrobotstocompleteallworktasks
autonomously.Thecombinationofpartautonomyandnetworkteleoperationofthe
robotstorealizetheintegrationofartificialintelligencecangreatlyimproveitsabilityto
fulfilcomplexanddynamicoperationaltasks.Theimportantissuesofsharedcontrol
basedmobilerobotteleoperationsystemincludingmobilemanipulatordesign,the
methodofimprovingrobotautonomyandthemethodtosupportoperatorimprove
operationalefficiency.Inthispaper,itdevelopedamobilerobotfirstly,andthenstudyed
theself-autonomymotionplanning,andfinallyresearchedtheforce-feedbacktime-delay
compensationmethodformobileplatformteleoperationandmanipulatorteleoperationInallusiontotheapplicationbackgroundofcontrol-sharingteleoperation,we
studiedanomni-directionalwheeledmobilemanipulator.Themobilemanipulatorhas
redundantnetworkcommunicationstructure,whichcancommunicatewiththecontrol
networkreliably.Themobileplatformemploysthree-wheelalldrivingstructure,which
canrealizeomni-directionalmotionandissuitedtonarrowmovementspace.Thewheel
moduleemploysdifferentialdrivestructurewhichissimpleandeasywiringandthe
turningofthewheelsisfreeoftherestrictionsofanglerange.restrictionsThemanipulatorisdesignedasseriesof6-dofstructure,andtheaxisoftheend’s
three-axisintersectatonepointwithanalyticinversesolution,sothatit’seasyto
control.MobileManipulatorconfiguredinfraredranging,ultrasonicranging,encoders,
ultrasonicpositioning,digitalcompass,camera,temperature,six
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