面向卫星在轨维护机器人臂%2f手遥操作与研究.pdf

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Dissertation for the Master Degree in Engineering



RESEARCH ON ROBOT ARM/HAND
TELEOPERATION TOWARD SATELLITE
ON ORBIT SERVICING







Candidate: Liu Dongyu
Supervisor: Associate Prof. Li Jiawei
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Mechatronics Engineering
Affiliation: School of Mechatronics Engineering
Date of Defence: June, 2010
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
利用空间机器人代替宇航员进行太空作业,不仅可以使宇航员避免在恶劣太
空环境中作业时可能受到的伤害,还可以降低成本、提高空间探索活动的效率。
受计算机、控制、人工智能和机构等关键支撑技术发展水平的制约,目前研制出
在空间环境下完全自主工作的机器人还很难实现。因此,切实可行的方法是利用
人的智能进行高层次的任务规划和命令设计,采用地面遥操作空间机器人的方式
完成空间作业。本文针对卫星在轨维护任务,建立了地面遥操作演示平台,对基
于虚拟现实和基于 Smith 预估的空间机器人遥操作进行了研究。
本文首先建立了面向卫星在轨维护的遥操作机器人臂/手系统的模型。建模主
要分为两部分:几何模型的建立和数学模型的建立。在建立几何模型时,本文采
用 Pro/E 建模,再利用 VC++和 Open Inventor 进行装配。对于机器人系统的数学模
型,本文主要分析了运动学和静力学。运动学是进行机器人控制的基础,文中对
空间机器人和灵巧手的正逆运动学进行了详细的分析。静力学是分析机器人交互
力作用的基础,本文使用构造性的微分变换法给出了空间机器人的力雅可比。
建立了一套卫星在轨维护地面遥操作的演示实验平台。设计了基于虚拟现实
的人机交互软件,将空间鼠标、力反馈手柄、力反馈数据手套等遥操作设备集成
到实验系统中。建立了基于网络通信的机器人遥操作系统框架,利用人为增加时
延的方法,使操作者通过网络模拟地面遥操作空间机器人的大时延情况。
采用基于虚拟现实的预测显示技术,有效克服了大时延对遥操作中视觉临场
感的影响。介绍了虚拟现实技术,并进行了销孔装配遥操作实验。实验中使用机
器人的实体几何模型实现预测仿真,消除时延对操作者视觉临场感的影响;利用
反馈的机器人实际位置传感信息,在虚拟环境下构建了机器人的反馈场景,克服
了低带宽对流畅的视频流传输的限制,使操作者直观感知远端实际状态。
采用基于 Smith 预估和在线辨识修正的控制结构,有效克服了大时延对遥操作
中力觉临场感的影响。建立了通用的接触环境模型,给出其参数辨识的方法,并
结合拉弹簧遥操作实验对模型辨识方法进行了简化。详细地分析了时延条件下双
向遥操作不稳定的原因,使用 Matlab 对提出的控制方法的稳定性进行了仿真,分
析了遥操作系统的透明性。最后,通过拉弹簧实验验证了上述理论。

关键词遥操作;虚拟现实;Smith 预估控制;人-机交互;空间机器人
- I-
Abstract
Abstract
Using space robots to take the place of astronauts in space operations, not only the
astronauts can avoid operating in the harsh space environment, also can reduce costs,
improve the efficiency of space exploration activities. Under the constraints of the key
support technique puter, control, artificial intelligence, and mechanism,
completely autonomous robot working in the sp