带力反馈的星球探测机器人遥操作虚拟训练系统

针对星球探测机器人操作难度大、控制流程复杂的问题,开发了具有力觉反馈的遥操作虚拟训练系统,包括力反馈手控器和虚拟现实系统,用于训练操作,改善控制策略。虚拟场景使用Unity3D开发,以重构机器人、控制箱及环境。引入力觉反馈以增强了临场感。通过操控反馈力实验及遥操作任务实验来评估本系统,结果表明:虚拟场景计算的反馈力准确,误差小于±0.4 N;设计的地面爬坡、翻越楼梯、避障入库及机械臂抓取等遥操作任务均可有效完成。

一种面向4WID-4WIS载人月球车的控制系统

针对四轮独立驱动-四轮独立转向4WID-4WIS载人月球车协调稳定的控制问题,设计了一种载人月球车控制系统,包括电源、电力驱动、通信网络及动力控制模块。对整车纵向及横向的控制算法展开研究,并进行了地面不同速度下的行进试验、爬坡试验及满足阿克曼转向关系的转向试验。结果表明:整车能较好跟随目标速度,力矩分配均匀;月球车具备应对小型障碍及20°坡道工况的能力;转向过程稳定连续,稳态误差小于0.01°,前驱转向及四轮转向模式下,阿克曼转角误差均小于0.06°,验证了控制系统的有效性及稳定性。

面向航天员虚拟训练的人机交互系统研制和测试

根据航天员地面虚拟训练的需求,设计了一套面向航天员虚拟训练的人机交互系统,研制了具有真实感与临场感的多自由度手臂力反馈设备,实现了航天员虚拟训练环境中的抓握、推拉等带力觉感受的各种交互操作,增强虚拟仿真环境的沉浸感受,提高仿真训练的逼真度。面向航天员虚拟训练的人机交互系统包括手臂力反馈设备、硬件系统以及软件系统。手臂力反馈设备具有7个运动自由度,包括三自由度平动、三自由度转动以及食指运动的自由度;硬件系统主要是下位机采集光电编码器的信号发送给上位机以解算力反馈设备末端位置,以及接收上位机的力反馈执行参数以控制力反馈执行器;软件系统基于Unity3D平台,搭建了虚拟空间舱训练环境,并且实现了上位机与下位机的接口通讯以及位置和力的解算。还提出了基于磁流变液控制的力反馈方法,独立设计了一种新型的磁流变液阻尼器作为力反馈执行器。整个系统工作空间可达0.4 m×0.4 m×0.5 m,位置测量精度高达3 mm。系统结构设计上的创新实现了机械解耦、力和力矩的解耦,整个系统工作空间大、安全性能高、输出力大、位置测量精度高,并且还可广泛应用于康复医疗、虚拟手术等领域,应用面广泛。

带有双手力觉反馈的人机交互系统设计

力觉反馈可以在人机交互的过程中营造出沉浸感,而双手可以实现比单手更为复杂、精细的操作。因此,设计了一种带有双手力觉反馈的人机交互系统。该系统使用两个多自由度力觉反馈装置捕捉、跟踪操作人员手部位置并提供力反馈。系统实验结果表明,该系统可在500 mm×500 mm×420 mm工作空间内精确跟踪双手位置,跟踪误差小于0.8 mm,并可提供高达20 N的反馈力和0.4 N·m的反馈力矩。通过应用实例验证了系统的有效性。实例任务结果表明,带有双手力觉反馈的任务完成时间大大短于单手力觉反馈和无力觉反馈的任务完成时间。