基于视触融合的遥操作机器人虚拟环境几何学建模修正方法

为了提高遥操作机器人虚拟环境几何学建模的精度,提出了一种基于视触融合的遥操作机器人虚拟环境几何学建模修正方法。首先基于视觉信息通过点云采集和预处理、粗细配准相结合的点云配准、表面重建、位姿测量实现了目标物的几何学建模;之后针对遥操作机器人的应用背景,设计了局部半自主和多指协同相结合的灵巧手控制方式,完成了目标物触觉点云的采集;最后采用视触融合的方法,使用KDtree将视觉点云和触觉点云进行融合,并利用视触融合点云对几何学模型进行修正。通过实验证明该方法对不同材质目标物的几何学建模的几何尺寸误差小于3.6 mm、定位误差小于6.8 mm、姿态角测量误差小于4.3°,且效果均优于基于视觉信息的几何学模型和基于触觉信息的几何学模型。该方法构建的几何学模型既包括了目标物的颜色信息,又提高了几何学模型的精度,且在模型细节处表现良好,有效结合了视觉和触觉两种模态信息的优点。

基于多传感器的空间遥操作机器人虚拟预测环境建模

虚拟预测环境技术是解决遥操作系统中时延问题的有力手段,但其有效性依赖于环境模型的精度。为了提高虚拟预测环境的建模精度,提出了基于多传感器信息融合的建模方法。首先根据CCD摄像机采集的图像建立虚拟环境模型的初始模型,再利用远地力觉和位置传感器信息对初始模型进行校验。为了观察命令在虚拟环境中的执行情况,采用一种简单有效的注册方法,将图形模型叠加在摄像机视频图像上,以便操作者进行对比分析。实验表明利用本文算法建立的虚拟环境模型是准确可靠的,有利于提高基于虚拟预测环境技术的遥操作系统的有效性和可操作性。

面向空间机械臂遥操作的虚拟相机成像技术

对于采用虚拟图形预测仿真克服天地不确定大时延的地面遥操作,为使任务专家准确监视、预测并遥控空间机械臂的运动,本文研究了Open Inventor软件开发包中虚拟相机的成像技术。分析了真实相机与虚拟相机的成像原理,推导了虚拟相机的透视投影和视口变换矩阵。依据二者的成像原理,对真实相机和虚拟相机的成像进行了一致性分析,并展开定量及定性验证。研究表明:基于Open Inventor开发包搭建的中国空间站及空间机械臂的仿真系统,可对空间机械臂的末端及肘部相机进行虚拟成像并准确模拟真实成像,为空间机械臂通过地面遥操作安全精准地完成在轨任务奠定了基础。

3D图形预测仿真及虚拟夹具的大时延遥操作技术

以空间机器人在轨服务为背景,建立了卫星在轨自维护系统的地面遥操作平台.远端由安装在卫星本体上的一个四自由度机器人和灵巧手的臂/手系统组成,当卫星出现故障时,遥操作者通过空间鼠标和力反馈数据手套分别控制远端的臂/手系统排除卫星故障,实现卫星的自我维护.对于地面-太空之间通讯的大时延,利用3D图形预测仿真技术克服时延的影响,并采用虚拟夹具法提高遥操作系统的安全性和操作性能.在大时延及变时延(约7 s)的条件下,实现了武汉遥操作哈尔滨的自维护机器人臂/手系统,成功地完成了打开太阳能帆板的典型卫星在轨维护任务,验证了该方法的有效性,为今后实际空间机器人的地面遥操作提供了经验.

基于虚拟环境的多操作者多机器人协作遥操作系统

建立了基于虚拟环境的多操作者多机器人协作遥操作系统,采用3层C/S结构的控制系统软件构架.根据实验系统平台工作场景对分布式虚拟环境进行建模,以实现多操作者对多机器人的分布式控制.结合多操作者多机器人遥操作系统的结构特点,采用本地滞后原理对分布式虚拟环境的一致性控制进行了研究,解决了遥操作系统一致性控制中时钟同步、滞后时间、状态修复等问题.最后在提出的系统平台上进行了不同协作类型的多机器人协调控制实验,操作者与虚拟环境进行交互,在力反馈及实时多视频图像反馈辅助下,实时地观察作业环境并控制机器人运动,安全、高效地完成了作业任务,验证了该系统的合理性和有效性.

在线修正虚拟仿真预测的遥操作机器人系统

带虚拟仿真预测系统的遥操作机器人在核电站等复杂环境中作业时,可能会出现虚拟仿真机器人与实际机器人的工作状态不同步,从而导致影响操作者判断,发出错误指令。研究了一种基于在线修正虚拟仿真预测算法的遥操作机器人系统。主端虚拟仿真预测系统建立了从端环境及机器人的虚拟模型,根据操作者命令对从端机器人的状态实时预测,同时根据从端现场检测到的机器人状态对虚拟机器人进行在线修正,以保证虚拟仿真预测系统与从端机器人工作状态同步。实验结果表明:主端虚拟预测平台能够实时预测出从端工作状态;当从端机器人未能按照指令运动时,主端虚拟场景也与从端的工作状态同步。

基于Internet的机器人遥操作虚拟环境的关键问题

对于Internet遥操作机器人系统存在的网络传输时延问题,基于预测显示方法的虚拟操作环境是解决该问题的主要途径.从提高系统的扩展性与操作性的角度出发,对机器人操作虚拟环境涉及的关键问题进行了研究.首先,采用面向对象方法在Java/Java3D开发平台上构建了机器人操作虚拟环境,从而保证系统具有良好的扩展性.其次,为了提高操作者对远端操作环境的感知能力,基于自制的多传感器智能手爪构造了其图形化信息表达形式.最后,结合操作虚拟环境与智能手爪的长/短激光测距传感器,实现了操作物体空间姿态的实时动态更新,为操作的有效性提供了有意义的参考信息.

遥操作机器人系统中虚拟环境的构建

虚拟环境的建模是基于虚拟现实的遥操作机器人系统的关键技术。根据遥操作机器人系统中虚拟环境的组成结构,创建了虚拟机器人和弹性体作业对象的几何模型、运动模型和物理模型,推导了基于弹簧质点模型的弹性体受力和形变的基本方程,并介绍了虚拟现实系统的主要人机接口设备,最后建立了由数据手套控制的机器人抓取弹性小球的虚拟环境的模型。

基于虚拟现实的预测仿真遥操作系统

为了补偿遥操作过程中的大时延同时为操作者提供友好的操作界面,该文提出了一种基于预测仿真的遥操作系统。首先介绍了这个系统的基本框架和功能结构,然后详细介绍了操作界面和图形仿真系统,提出了针对基于位置控制的预测仿真算法,探讨相应预测仿真的框架流程。最后,作为一个地面模拟试验将这个系统应用于卫星故障维修中,在人为的6s双向时延的情况下成功地完成了诸如推太阳能帆板和拉卫星天线等任务。

基于中间件技术的多机器人遥操作的虚拟环境

当操作者通过Internet网络控制远端机器人时,结构合理的虚拟操作环境可以增强远程控制能力,良好的网络通信能力可以保证操作意图的有效性.首先阐明了虚拟操作环境在多机器人网络遥操作系统中的重要作用,然后分析了以CORBA(公共对象请求中介体系结构)/Java技术融合为基础的中间件技术的特点,及其在实现分布式虚拟环境过程中的通信作用.在进行虚拟环境(VE)结构分析的基础上,通过定义VE中的客户类和服务器类,利用统一建模语言(UML)图形化表达了VE框架的内在关系.通过在VE中实现销孔装配实验,表明通过融合CORBA/IIOP的网络互操作性和Java的可移植对象结构,可以有效实现网络对象通信;所建立的VE具有良好的人机交互能力,可以保证操作者预期的操作要求和在Internet网络中实现多操作者实时协作和并行操作能力.

多机器人遥操作系统分布式虚拟环境平台

针对多机器人遥操作系统，建立了多用户分布式虚拟环境。分析了多机器人遥操作系统组成以及分布式客户端操作的特点，构建了分层软件结构，并研究了虚拟环境场景控制、分布式网络传输、分布式虚拟环境一致性以及虚拟环境建模等问题。该分布式虚拟环境能够适应遥操作系统的应用，提高用户的工作效率和协作性。

基于虚拟环境的遥操作机器人主从交互系统设计

针对遥操作机器人系统中的时延问题,设计了一种基于虚拟环境的机器人遥操作主从交互系统.利用Java/Java3D进行分布式虚拟环境以及虚拟机器人的三维建模;通过JNI方法建立主手设备与虚拟环境的交互接口.操作者通过操纵主手而对虚拟机器人进行关节驱动,提高了主从控制的实时性.

基于虚拟夹具的交互式空间机器人遥操作实验

预测仿真技术是目前消除大时延对遥操作影响的主要方法。在操作者控制虚拟机械臂与仿真环境中的物体接触之前,仅有的视觉信息不足以提供充分的临场感信息,操作者无法进行安全有效的操作;由于肌肉颤抖等原因导致徒手控制的精度较低,操作者无法进行精确的操作。针对这两个问题,使用虚拟夹具技术对操作者的动作进行限制和引导。实验结果表明,在虚拟夹具的辅助下,可以有效提高操作者的临场感,使操作者快速准确完成遥操作任务。

基于虚拟现实的机器人遥操作关键技术研究

机器人遥操作是实现空间、医疗及深海等领域作业的重要手段,基于虚拟现实的机器人遥操作是克服时延的有效方法,具有透明性强、稳定性高的优点,成为当前机器人遥操作的主要方式。首先分析了基于虚拟现实的机器人遥操作系统的关键组成部分,并对其关键模块的具体作用进行了介绍;其次,归纳分析了各类虚拟现实环境建模方法,主要从几何建模和动力学建模方面展开,阐述了每种方法的应用领域、主要特点;此外,进一步分析了遥操作虚拟夹具设计的构建方法及适用领域。最后对当前存在的难点进行总结,指出今后研究的思路。

面向多机器人遥操作的分布式预测图形仿真系统

在遥操作机器人系统中 ,由于存在通信传输时延 ,可能导致控制系统不稳定 ,从而降低遥操作的效率和安全性 .目前多采用预测仿真的方法来克服 .在多机器人遥操作系统不但要克服时延的影响 ,还要能控制机器人协调地完成遥操作任务 .我们开发了一个面向多操作者 -多机器人遥操作的分布式预测图形仿真系统 ,实现了对多机器人遥操作系统的预测仿真 ,多个操作者可以通过人机交互接口遥控各自的机器人 ,相互协调完成遥操作的任务 .初步的实验表明该系统能够克服时延的影响 ,并能实现多操作者 -多机器人的协调遥操作 .这对空间站机器人科学实验。

基于Internet和Java3D的多机器人操作虚拟环境

网络传输时延的不确定性和机器人之间的有效协调是多机器人遥操作系统研究的关键问题 .采用Java和Java3D技术构建了基于Internet的虚拟操作环境 ,改变了传统上基于视频信息作为反馈的操作模式 ,克服了网络传输时延对系统操作性能的影响 .提出了基于虚拟向导的概念并加以实现 ,处于异端的操作者能够准确地预测其它操作者的操作意图并实现有效的协调动作 .通过两个典型操作实例的分析 。

基于环境建模与修正的视觉/力觉辅助遥操作系统

为增强空间遥操作系统的力交互性,提出了一种基于视觉/力觉辅助的空间遥操作系统。结合虚拟现实技术,借助力觉反馈设备搭建了基于虚拟3D视觉反馈和虚拟力觉反馈的空间遥操作实验平台。使用KINECT相机采集3D点云数据,采用滑动最小二乘法(SLSM)在线识别未知环境中的模型参数并更新本地虚拟环境。通过虚拟预测环境产生实时的视觉、力觉反馈。基于人工势场的共享控制方法,产生引力或斥力信号来增强操作者控制远端机器人的避障及接近操作目标的能力。该方法在7自由度Schunk机械臂上得到了实现,实验表明此方法能够克服2 s时延影响并显著提高操作效率。

遥操作机器人系统的预测控制

遥操作机器人系统传输通道中存在通讯时延 ,造成系统不稳定和操作性能降低等问题 .为了消除或减少时延的影响 ,利用前向神经网络建立环境模型 ,通过神经网络模型预测从机械手受力 ,并用时间前向观测器预测从机械手状态 ;然后用力、位置和速度反馈对系统进行设计 ,使得系统在环境模型未知的条件下稳定 ,还能获得良好的透明性 ;最后 ,将预测方法与无源控制方法进行切换 ,保证系统在环境剧变时的稳定性 .

基于遥操作安全的预测仿真系统研究

针对外太空恶劣环境,在分析空间机器人遥操作系统安全隐患基础上提出了遥操作预测仿真系统框架,构建了三维遥操作虚拟场景,同时应用基于虚拟夹具的碰撞检测算法和基于时间戳的修正策略提升了预测仿真系统性能,并给出了与地面实物仿真系统联调验证实验结果.实验结果表明,构建的预测仿真系统运行快速、预测准确,可有效规避遥操作大时延问题,避免误操作导致的实物损伤.

遥操作机器人预测显示的研究和实现

预测显示是克服基于网络的遥操作系统中网络传输时延的不确定性关键技术之一。该文提出一种基于时间和位置的预测显示方式,根据当前状态和反馈回的轨迹点,对远端的机器人状态进行预测,并在三维仿真场景中显示。经过实验,证明所提方法的有效性和可行性。