大时延遥操作机器人关键技术研究

admin · 发表于 2024-1-28 11:06:09

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从上个世纪60年代起，借助遥操作技术，人类成功完成了在诸如太空、深水、核辐射区域等许多不能或不易临场操作的工作环境中的工作任务，机器人技术和遥操作技术相结合形成了遥操作机器人技术。随着工作环境的复杂化，遥操作机器人技术也在不断的发展，它从早期主从手同构型发展为异构型，从单一机械技术发展为多技术地综合应用。从目前遥操作技术的发展和应用来看，它所涉及到的关键技术主要有：现代控制技术、虚拟现实技术、先进传感器技术。本文就围绕这这些关键技术来进行研究。虚拟现实技术被证明是现代遥操作技术中不可或缺的一种关键技术。在虚拟环境中需要建立虚拟机器人，并对其进行驱动，在驱动虚拟机器人时要用到机器人正反解，对于串联机器人的反解题目本文采用神经网络的方法来解决。对虚拟环境中的碰撞检测、误差校正、相关约束等题目都进行了描述。在现在的先进传感器技术中，视觉技术是遥操作技术中应用最多和最重要的技术，本文对遥操作前端视觉系统进行了详细的研究。将视觉系统中图像的匹配题目分为窄基线匹配和宽基线匹配两种情况，对于窄基线配中特征点检测题目本文提出一种快速亚像素级特征点检测算法，这种算法将Harris算子和Forsten算子相结合利用两者的优点，使得特征点检测的精度更高。在宽基线匹配中本文采用SIFT（Scale Invariant Feature Transform）算子对图像进行特征点检测和匹配，用这种算法检测出来的特征点随光照和位置变化影响较小，更有力于特征点的匹配。本文中提出一种摄像机自标定方法，来解决当摄像机位于远端不利环境时需要重新标定变化了的摄像机参数。在遥操作控制策略中本文总结出目前遥操作所面临的两个方面的大题目：一是对于有力反馈的遥操作所要解决的是控制稳定性题目，主要是机器人遥操作的关节稳定性题目；二是对于没有力反馈的遥操作所要解决的是操作稳定性的题目，即上层规划层面的题目。针对有力反馈的遥操作系统本文中提出一种基于预测的双向遥操作方法。首先从通用的广义预测控制出发，对广义预测控制系统进行了分解，并在频率域对广义预测控制器的鲁棒稳定性进行了分析与证明。然后结合广义预测控制建立了基于预测的遥操作系统，在这种遥操作系统中由于反馈力的存在，使得在广义预测控制中的参考轨迹无法事先得到，本文提出首先对参考轨迹进行预测，得到预测的参考轨迹作为预测控制的参考轨迹，这是不同于一般广义预测控制的地方。另外通过仿真试验分析了相关参数对系统透明性和稳定性的影响。针对一些商业机器人，由于这种机器人的控制器一般都是封装好的，用户无法改变其控制器的内部结构，只能通过外部命令改变机器人的运行轨迹，对于这种机器人进行遥操作遇到的是操作稳定性题目，本文提出采用基于事件的监督控制策略来解决此题目。在监督控制中采用Petri网（简称P/T网）建立的操作作系统模型，对这种模型进行了设计。在监督控制中的上层规划系统，本文采用基于遥编程的规划系统，把这种规划分成动作级、示教级、任务级三种情况，在示教级规划中，当要求机器人的运行轨迹比较复杂时要对其运动进行规划，这种规划中需要知道机器人在轨迹各点上的速度和姿态，为此本文提出一种时间最优规划方法。首先确定轨迹上的示教点，没点包括位置和姿态信息，采用遗传算法对示教点进行优化以保证机器人在每个示教点附近有足够大的操作性，然后对示教点处实际机器人和虚拟机器人的位置和姿态误差进行校正，校正方法采用基于双目视觉反馈信息的迭代学习控制，对校正好的示教点进行曲线拟合得到示教轨迹，最优对示教轨迹采用遗传算法进行时间最优运动规划，得到机器人运行的最快时间。最后设计了试验系统对本题所提出方法进行了试验研究，从试验结果来看，基于预测的遥操作在面临大时延时能够使从端的力和位置较好的跟踪主端，针对复杂的操作轨迹本文提出的基于遥编程的规划系统不但能够使从端商业机器人较好的进行位置跟踪还能够在运行时间上达到最优化。

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