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。
     

一种基于共享控制的双臂协同遥操作控制方法

针对双臂空间机器人精细操作任务，提出一种双臂协同遥操作共享控制方法。该方法将传统的遥操作四通道控制结构与共享控制相结合，通过在主从端控制器中加入优势因子，实现操作者与机器人左右操作手力和位置信息的双闭环反馈回路，并通过调节优势因子使主端的操作者对从端机械臂具有不同的控制权重，且主端操作者在协同操作时可以感受到对方的操作意图。通过CHAI 3D搭建的实验平台设计典型空间操作实验，并与单个操作者单独进行双手操作和双操作者分别操作单机械臂的情况对比。实验结果表明，本算法操作精度和效率较高，操作中的碰撞次数较少。     

空间机器人大时延遥操作技术研究综述

空间机器人是完成多种空间作业任务的主体,能否在地空间存在大时延情况下实现有效 的地面遥操作是发挥空间机器人作用的关键。从基于虚拟预测环境遥操作和双边遥操作 两个方面,对国内外空间机器人大时延遥操作技术研究进行了系统的综述和深入的分析,并 在此基础上提出了进一步的发展方向。
     

辅助空间遥操作的虚拟管道设计与实现

针对复杂空间环境下进行遥操作的安全性问题,提出一种基于路径点的光滑虚拟管道快速生成算法,改进深度优先算法对虚拟管道进行静态规划,并给出动态修正算法,实现管道的动、静态避障。虚拟管道可为操作者提供视觉、触觉等反馈信息以调整自身操作。操作对象在管道内运动,能安全、快速地达到目标。相对于路径规划方式按指定轨迹避障,该方法提高了操作灵活性和效率。在CHAI 3D仿真平台下进行多组避障实验,验证了算法的有效性。     

柔索牵引式力觉交互机器人工作空间分析

为了在地面上实现航天员的虚拟作业训练，基于柔索牵引式并联机器人，研究了与VR技术结合的柔索牵引式力觉交互机器人的力螺旋可行工作空间。建立平面柔索的静力学模型，分析竖直平面内4柔索3自由度末端执行器不同位姿及人机交互力下的力螺旋可行工作空间，对比分析了柔索牵引式力觉交互机器人在实际应用中交叉柔索不同布局方式、外力旋量和末端执行器不同结构参数对力螺旋可行工作空间的影响。确定了合理的柔索牵引式力觉交互机器人的力螺旋可行工作空间、合理的柔索布局、末端执行器的结构参数。因为柔索牵引式力觉交互机器人具有工作空间大、可以提供较大的力及力矩、刚度可变、安全性高、人机交互性强等优点，因此可以满足航天员虚拟作业训练的需求。     

基于虚拟现实的空间机器人遥操作在维护作业中的应用

研究了变时延遥操作环境下的预测仿真技术、基于虚拟现实的机器人遥操作系统组成、遥操作系统的自主学习技术和虚拟操作环境建模技术。开发了基于虚拟现实的机器人遥操作演示系统和自学习功能。实现了基于虚拟现实的临场感遥操作,在5～8s模拟时延条件下完成了推开故障太阳翼,擦拭受污染的镜头和拉动调整出现故障的卫星天线等作业。     

多臂协调操作自由飞行空间机器人的位置和内力混合控制

基于多臂自由飞行空间机器人多臂协调操使负载沿着期望的轨迹运动并且控制负载所受的内力为目的，在多臂自由飞行空间机器人系统协调操作的动力学方程基础上，推导了各个机械臂协调操作负载按期望轨迹运动时各个机械臂关节的驱动力矩的计算方法；给出了作用在负载的内力的定义，根据关节力矩计算方法和PID反馈控制原理，建立了多臂自由飞行空间机器人协调操作负载时的位置和内力的控制算法；讨论了所提出的控制算法的稳定性问题，得到了负载的位置误差和内力误差的约束条件。通过仿真实验证明该控制算法能够使负载的实际位姿和内力收敛到期望的轨迹和内力。     

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。     

自由浮动冗余度空间机器人的混沌识别与控制

建立空间冗余度机器人基于关节空间的PD控制下系统运动学方程,推导了系统的广义雅克比矩阵,指出空间机器人和地面机器人在运动学上的不同.以空间三自由度机器人为例,应用混沌数值分析方法中的相图法,Poincare截面法和最大Lyapunov指数法对上述模型进行了计算机仿真.研究发现,不同的PD控制参数和末端执行器期望轨线,均能导致系统的混沌运动.对以上混沌系统设计状态延迟反馈控制器,仿真研究表明,在适当参数下系统由复杂的混沌运动转变为规则的周期运动.该研究为解决空间冗余度机器人关节"漂移"问题提供了新方法.     

柔索驱动式航天员虚拟微重力训练系统控制与实验

针对现有的航天员地面微重力训练设备存在成本高、单次训练时间短、模拟精度低等问题,提出了一种柔索驱动的航天员虚拟微重力训练系统。通过采样航天员对作业对象的操作力,控制柔索驱动虚拟物体(末端执行器)运动,使虚拟物体符合在微重力环境中的运动规律。建立了柔索驱动训练系统的动力学模型,分析了系统的特性。针对传统力伺服系统多余力对控制力精度影响较大且难以克服的问题,提出了一种使用弹簧产生柔索张力的并联柔索全位置型控制方法,并引入力/速局部反馈的控制策略。实验结果表明,系统克服多余力效果明显,可以获得较高的驱动力控制精度;虚拟质量在操作力作用下的运动符合在微重力环境中的运动规律,且有较高的模拟精度;系统稳定性良好,可以实现微重力环境中移动不同质量物体的虚拟作业训练。