主从遥操作机械手工作空间覆盖控制策略研究

针对遥操作机器人主控制器工作空间过小和主从手工作空间不匹配的问题,提出一种区域覆盖思路。将主控制器工作空间与从机械手工作空间一一对应的映射关系转换成主手工作空间多次区域映射的关系,通过多次建立主从手的连接,达到区域覆盖的目的。同时为了更好地控制从机械手末端的姿态,设计一种相对运动姿态控制方法,将传递给机械手的绝对姿态坐标替换成姿态运动信息,以达到相对姿态控制目的。最后,进行仿真分析和试验验证。结果表明:该方法能够实现工作空间完美覆盖,主手能够有效地控制从手运动。

面向月球科研站任务的地月准实时遥操作模拟验证系统设计与关键技术研究

针对月球科研站任务地月遥操作需求和特点,设计地月准实时遥操作模拟验证系统,对其中的关键技术海量多尺度遥感数据环境感知、空地协同高精度定位、基于混合现实的预测仿真等进行了研究。提出了基于海量多尺度遥感数据的联合处理方法,环境感知数据融合可处理米级至厘米级环境感知结果;设计基于空地多运动平台协同定位的原型软件,空地协同地标约束下,定位精度不低于轨道器影像1个像素;开发了带有力觉反馈的预测仿真验证平台,在2~3 s变时延约束下可在仿真环境下协同演示遥操作过程,真实还原从端的遥操作作业场景,提高遥操作的执行效率和安全性。为地面人员的方案设计、操作手训练、故障处置等提供实时支持,为我国未来实施月球科研站任务筑牢基础。

基于LoRa技术的ABB机器人遥操作联动系统的设计

工业机器人传统编程与控制模式受通信网线距离的影响,不便对其进行远程操作,控制灵活性差。对工业机器人远程操作联动系统进行研究,设计并研发一种基于LoRa技术的ABB机器人遥操作联动系统,选择PC机作为上位机设计人机交互界面,通过RS232、LoRa协议建立上位机与LoRa模块的通信,搭建LoRa模块与工业机器人的通信,完成工业机器人与远端工作站及数据中心的连接,实现对工业机器人的远程控制与管理。实验表明,该系统能够对ABB机器人进行远程控制与状态监控,替代人类在恶劣环境下对工业机器人进行控制管理,解放人力,提高生产效率。

基于混合现实的应急遥操作机器人系统的研究

为了避免灾害救援人员在救援过程中受到伤害,本文提出一种基于混合现实头盔的应急遥操作机器人系统。系统包含三个模块,在混合现实模块中设计了混合现实人机交互界面以及可交互的机器人的数字孪生体;在现场机器人模块中配置麦轮差速底盘车,应用英伟达的Jetson Xavier NX开发者套件控制机器人的运动,并利用搭配有自适应夹爪的机械臂抓取目标对象;在云服务器模块中提供了数据的中转平台,利用自定义数据协议实时传输控制指令。实验结果表明,该系统的硬件设备轻便,能够充分利用操作人员经验与智慧,可以提高救援效率,保障救援人员的安全,从而进一步避免人员伤亡。

天舟货运飞船人控遥操作交会对接设计与验证

人控遥操作交会对接(RVD)是无人航天器与空间站自动交会对接的备份手段,提高了交会对接的可靠性与安全性。面向天舟货运飞船与天宫空间站,运用系统工程方法设计并验证了航天员遥操作交会对接与分离撤离功能,主要创新点包括:针对遥操作系统时延大的问题,采取精简系统信息主回路传输环节等措施,将系统总时延控制在1 s以内;针对船站近距离安全性的内在需求,提出了以安全性为核心、以状态转移图为工具的应急飞行方案设计方法,构建了飞行方案体系;针对遥操作交会对接系统复杂、大系统接口多的特点,提出了基于功能验证需求与地面验证条件匹配矩阵的系统级综合试验设计方法,构建了地面验证体系;针对交会灯功率不足导致阴影区远距离不能识别目标的问题,提出了空间站舱外泛光灯主动发光为主、交会对接敏感器合作目标被动反光为辅的方案。天舟二号货运飞船与天和核心舱在神舟十三号乘组操控下,圆满完成了遥操作交会对接与分离撤离在轨试验。

基于力引导的空间舱外双臂机器人遥操作同步过程优化

为提高空间舱外双臂机器人遥操作同步过程中操作效率,提出了一种基于力引导的遥操作同步过程优化方法。通过改进的蒙特卡洛法对双臂机器人协作的工作空间进行分析,提出了一种最优协作位置预测方法,并通过力引导方式,辅助引导遥操作双臂到达最优协作位置。实验结果表明:相比于只有视觉反馈的遥操作过程,同步过程优化后到达同步工作状态的时间减少了84.26%,同步过程通过的路径长度缩短了35.43%;对比运动学引导方法,各项指标方差更小,稳定性更强。

主从遥操作下双臂机器人的阻抗控制策略研究

在遥操作机器人系统中,从端机器人不仅需准确地跟随主端设备的运动,还需与外界环境保持合适接触力,以避免因接触力过大对机器人和环境造成破坏.由于遥操作机器人系统中主从端设备是分离的,要实现遥操作下柔顺接触是极具挑战的.为了提高遥操作机器人系统任务执行的安全性,本文结合运动映射提出一种主从遥操作下阻抗控制策略.首先,通过提出主从端运动映射策略,将主从端设备联系起来,并获得从端机器人运动的目标位姿.接着,为了实现机器人末端执行器与环境的柔顺接触,提出阻抗控制策略,建立机器人与外界环境之间的位置和接触力的动态响应关系.同时,引入虚拟排斥力,让从端机器人的双臂在可行的空间中运动,从而提高了机器人操作的柔顺性和安全性.设计了机器人拖拽和白板擦拭两个实验来验证方法有效性.实验结果表明,所提出方法可实现机器人在具有接触的任务中的柔顺操作,可提高操作的安全性.

结合路径规划的虚拟夹具遥操作研究

在传统的遥操作任务中,由于环境的不确定性和动态变化,传统虚拟夹具面临着实时适应环境变化的挑战,这限制了其在多变环境中的应用范围。为了解决这一问题,文中提出一种结合反向搜索可视图路径规划算法与虚拟夹具技术的创新策略,以实现自适应虚拟夹具的构建和应用。搭建了基于触觉设备Geomagic Touch和ABB公司的IRB 1410型机械臂的遥操作系统,在该系统上进行了路径规划对比实验,并设计了具有突发情况的多组虚拟夹具对比实验。实验结果表明,这种自适应虚拟夹具有效地提高了遥操作系统在复杂环境中的适应能力,它不仅能够保护遥操作系统免受意外伤害,还显著提高了操作者的工作效率。研究结果证明了自适应虚拟夹具在提高遥操作系统灵活性和准确性方面的重要价值,为遥操作技术的进一步发展提供了有力的理论和实践支持。

基于Qt的遥操作GIS维护机器人监控系统设计与实现

在电力系统中,为了更好、更方便地遥控操作机器人清理气体绝缘开关设备(Gas Insulated Switchgear,GIS)腔体内的螺栓、螺母等异物,研发GIS维护机器人监控系统。采用Qt平台开发,结合FFMPEG和OpenCV采集RTMP网络视频流并进行图像处理,实现对腔体内异物的检测识别与精准定位;以SLAM点云进行环境感知,还原出机器人在腔体内的实际场景。测试结果表明,在无线环境下,该系统可高效实现与机器人的数据交互和有效地实时监控,较好地完成GIS腔体内遗留物的识别与清理。

面向核事故应急处置的遥操作系统设计与实验研究

针对核事故现场的物理屏蔽严重、应急处置作业条件复杂、作业对象不明确等特点,研究并设计了一款基于动态自组网的机器人遥操作系统。在自组织网络实时Mesh保持良好通讯的情况下,利用叠加在真实回传视频中的虚拟模型,提出一种基于空间梯度的人工势场力觉引导算法。操作者可通过观察视觉交互系统中模型的变化和感受施加在自研主手的引导力,提高时延条件下的操作效率和临场感。实验表明,核辐射条件下遥操作系统130 m的通讯时延在30 ms以下,可满足视频传输的带宽要求。力觉引导下的物体避障抓取实验验证了算法的可行性和遥操作系统的工程实用性。因此,本文设计的基于动态自组网的机器人遥操作系统,可使操作者以更加直观自然的方式参与到遥操作系统中,有效提高操作员完成复杂遥操作任务的安全性和操作性能。

时域连续下遥操作机器人时延测试系统设计

针对已有的遥操作机器人主从时延测试方法因采样频率过低导致的时域离散输出信号测量精度不足的问题,设计并提出一种时域连续下遥操作机器人时延测试系统与方法。首先采用双通道示波器采集主从端设备的运动模拟量,并将其转化为电压-时间曲线;然后通过平均滤波算法抑制波形曲线的周期性干扰,进一步消除系统波动误差;最后分析曲线斜率突变点记录主从两端运动发生时间戳,计算时间戳差值得到遥操作机器人的主从控制时延。远程超声扫查机器人时延测试实验表明:相较于现有测试方法,所提测试系统和方法测试结果更接近理论时延,验证了所提方法的有效性和可靠性。

主从遥操作位置-速度混合映射研究

主从异构型遥操作机器人系统在主从结构、自由度等方面的差异,导致其主端小范围操作空间难以覆盖从端大范围工作空间,以及从端难以精确定位。针对此问题,首先搭建了一套主从异构型遥操作机器人系统的软硬件平台,然后对主从端机器人进行运动学建模,进而提出了一种主端位置-从端速度和主端位置-从端位置混合切换的映射算法。一方面,所提算法通过主端位置-从端速度映射模式解决主从工作空间不匹配的问题,从而提高大范围空间下从端抵近目标的效率;另一方面,所提算法通过主端位置-从端位置映射模式实现从端精细定位,同时克服主端位置-从端速度映射中从端无法快速换向运动的缺陷。实验结果表明,所提混合映射算法能够实现主端遥操作从端机器人高效地完成复杂、精细的操作任务。

主从遥操作机械手的阻尼触觉反馈

遥操作机械手因其独特的优势,已被广泛用于太空探索、深海探测、核设施维护和医疗手术。然而,随着任务复杂性和安全要求的提高,要求遥操作机械手具有更好的避障能力。针对此问题,提出一种新的基于可变阻尼的触觉反馈方法,为操作者提供阻尼力以感知远程环境中的障碍物,从而完成避障任务。在此基础上,提出避障阻尼模型,以解决传统的触觉方法由于考虑因素不全面而导致的不准确问题。该模型不仅考虑了传统的距离因素,还根据速度方向的新因素预测了遥操作机械手的碰撞情况,以在线调整阻尼值。实验结果表明:与没有触觉反馈的远程操作相比,该方法能够有效地提高远程操作的安全性和人类操作员的工作效率。

混合现实技术在遥操作机械臂中的创新应用

本文旨在研究一种基于混合现实技术和景深摄像头的创新遥操作机械臂系统,克服传统遥操作技术在实时感知、操作准确性和用户体验上的局限性,并通过结合Hololens和Intel Realsense等设备,为操作者提供真实感和准确度都极高的遥操作环境。本研究的技术瓶颈包括实时三维重建的延迟问题、MR环境与真实环境的准确融合、机械臂的精确控制以及系统的稳定性和安全性,同时针对上述难点提出了相应的解决思路,未来研究方向将靶向减少延迟、提高三维重建精度和完善碰撞检测算法,并在更多领域测试和应用该系统。

高校高危实验数字孪生预案分析与遥操作安全技术

在高校化学化工等高危实验的教学、科研与管理工作中,很少从新技术应用层面研究其安全性保障问题。数字化、智能化、信息化是未来化学化工高危实验教学与实验室建设的必然技术趋势。从实验教学安全性角度出发,提出高校化学化工高危实验数字孪生技术、遥操作技术与实时操作监控预警系统的安全保障综合技术体系。其中,数字孪生技术在科技创新中用于探索性或前期实验教学的预案分析,人机交互遥操作技术是高风险实验现场操作规避人员安全性问题的新技术,实时操作监控预警系统提供教学环节监测与安全预警,以期根除化学化工高危实验教学与科研中事故频发的痼疾。

基于混合现实技术和双目摄像头的遥操作机械臂系统研究与设计

本文旨在利用混合现实技术提升遥操作机械臂系统的操作准确性和效率,以满足现代工业的数字化和智能化需求。首先,对传统遥操作方法的局限性进行深入分析,阐述了混合现实技术在遥操作机械臂系统中的应用前景。其次,介绍了混合现实技术的原理和优势,着重说明了其如何提供直观、沉浸式的操作体验,并结合实时传感器数据和虚拟指导信息来提升操作水平。此外,本文对国内外遥操作机械臂和混合现实技术研究现状及其结合应用情况进行了系统综述,探讨了混合现实技术在遥操作机械臂系统中的应用模式和实现方法。研究内容主要包括实时重建与呈现三维环境、高精度遥操作机械臂控制策略、混合现实与遥操作机械臂交互设计三部分,具体涵盖了利用深度摄像头进行三维环境建模、将其与虚拟信息融合并呈现在混合现实设备中、机械臂预测和自适应控制策略的研究以及直观交互界面设计等方面。本研究响应国家政策,关注混合现实技术在工业领域的应用,对于提高工业自动化和智能化水平具有重要的理论和实践意义。

基于Unity3D的机器人仿真和遥操作系统研究

机械臂遥操作是机器人研究领域中热门的研究方向。遥操作机器人系统中,采用虚拟现实技术和人机交互技术为操作者提供反馈,可更好地掌握工作现场的信息,提高工作效率。本文基于Unity3D的虚拟仿真环境,研究机械臂遥操作;将3D建模和Unity3D引擎开发用于机械臂遥操作的虚拟环境,并通过Socket网络接口,实现虚拟机器人和MyCobot机器人实时同步;利用三维鼠标,实现人机交互功能。

基于力估计与切换控制的六足机器人三边遥操作

传统三边遥操作系统的力传感器对主从端交互力进行测量时局限性较大,且在共享权重切换时易导致系统不稳定,本文设计基于力估计与权重切换控制的六足机器人三边遥操作控制架构。针对系统各端口交互力信息缺失的问题,设计一种非线性交互力估计器,实现对各端口间交互力的实时估计。聚焦双操作者控制权重动态调整过整中的柔顺切换问题,本文基于共享控制策略,设计权重因子自适应切换算法。为保证所提出系统的稳定性及透明度,融合力估计器及权重切换算法,设计遥操作系统的控制器。通过力反馈设备分别和Vortex与ElSpider六足机器人搭建半物理仿真平台与实物实验平台,对本文提出控制方法进行验证。相对于传统三边遥操作,实验表明在平坦地形下速度跟踪性提高了45.12%,力跟踪提高了64.71%;在崎岖地形下速度跟踪提高了39.02%,力跟踪提高了29.41%。

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。

基于变波阻抗控制策略的六足机器人双边遥操作

针对变时延条件下六足机器人行进任务中的跟踪性较差问题,本文提出了一种基于波阻抗在线补偿策略的六足机器人双边遥操作控制方法。该策略以四通道控制架构为基础,采用时延预估器对通信时延进行预估,并设计波阻抗在线调整规则,以此提高系统的跟踪性。同时结合时域无源性控制方法,对通信环节与环境端潜在的有源性进行二次补偿,保证系统的绝对无源,利用Llewellyn准则设计主从端的控制律参数。搭建基于Vortex半物理仿真实验平台与实物实验平台对本文所提出的方法进行验证。实验结果表明变波阻抗控制结合时域无源性控制可以保证系统的无源性,相对于传统双边遥操作速度跟踪性提高了84.3%,力波动范围降低了84.7%。