面向卫星在轨维护的机器人臂手遥操作的研究-机械电子工程专业毕业论文.docx

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OpenInventor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-AbstractUsingspacerobotstotaketheplaceofastronautsinspaceoperations,notonlytheastronautscanavoidoperatingintheharshspaceenvironment,alsocanreducecosts,,control,artificialintelligence,,thepracticalwayistousehumanintelligencetoconducthigh-manddesign,,agrounddemonstrationplatformforteleoperationhasbeenestablished,:,thispaperhasusedPro/Emodeling,usedVC++,