基于外骨骼技術的機器人遠程控制.pdf

1、本文的主要工作是對基于外骨骼的遙操作系統(tǒng)及其相關技術進行了探索性研究.機器人遙操作系統(tǒng)的本質是人機之間,以及機器設備之間的協(xié)同,合作,而Internet技術代表的是開放,分布式和互聯(lián).在Internet時代,如何構造更好的遙操作軟件平臺以適應遙操作系統(tǒng)主客體日益發(fā)展變化的性能對于遙操作系統(tǒng)體系結構的研究至關重要.因此,本論文拋棄了傳統(tǒng)的基于B/S或者C/S模式的系統(tǒng)架構,而采用目前比較先進的對等網(wǎng)技術實了一種基于P2P分布式網(wǎng)絡模型的模

2、塊化可重用的遙操作系統(tǒng)框架.該框架以資源的動態(tài)發(fā)現(xiàn)為基礎,以XML作為模塊和資源的本體描述方法,以事件和管道作為子系統(tǒng)間底層通訊平臺,實現(xiàn)了模塊間以及各個子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)工作,從而使得整個遠程控制系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運行在一個動態(tài)的、協(xié)同的、并行的、有實時控制要求的環(huán)境中.外骨骼以其卓越的人機信息耦合能力,成為實現(xiàn)該遙操作系統(tǒng)的關鍵,而難點在于其機構的設計.在分析現(xiàn)有的外骨骼機構形式和特點后,本文提出了采用"并聯(lián)三自由度機構"+"四連桿機構"+

3、"并聯(lián)三自由度機構"來實現(xiàn)外骨骼的"肩"、"肘"和"腕"等關節(jié),以氣缸為驅動元件的設計方案.相比其他外骨骼,該機構具有重量輕,可穿戴性強,操作靈活等優(yōu)點.本文在分析并聯(lián)三自由度機構的數(shù)學模型的基礎之上建立了其運動學正、逆解方程及其雅克比矩陣計算公式,并利用這些方程和公式計算出了并聯(lián)機構的工作空間和靈活工作空間.通過分析并聯(lián)機構主要機構參數(shù)及運動副限制條件與機構運動空間和機構運動靈活性之間的關系,得到了設計并聯(lián)機構的幾個原則,并在此原則的

4、指導下,設計加工出了氣動手臂外骨骼的原型機.以Internet為信息媒介的遙操作系統(tǒng)中,由于網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸存在的不穩(wěn)定時延對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大.為了在根本上解決系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題,本文采用了基于非時間參量的控制和協(xié)調(diào)方法,并對其進行了拓展,發(fā)展出了一種基于非時間參量的" 混合"控制系統(tǒng)和結構并利用該方法成功的實現(xiàn)了對遠程機器人的實時控制.由于外骨骼信息耦合的雙向性,雙向控制是帶有反饋的遙操作系統(tǒng)的基本控制結構,其通常是以〈速度、力〉的

5、形式進行耦合的.然而對于遙操作系統(tǒng)而言,由于網(wǎng)絡中的不穩(wěn)定時延,采用力反饋極易導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定以及反饋效果變差.本文提出了以位置反饋取代力反饋,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和良好的反饋效果,而外骨骼位置閉環(huán)控制的實現(xiàn)以及外骨骼與人體力耦合的本質特性使得操作者仍然可以通過施加力來控制遠程機械手,保證了操作過程的真實感和控制效果.最后,本論文對外骨骼遙操作系統(tǒng)進行了系統(tǒng)綜合和實驗研究,建立了外骨骼遙操作系統(tǒng)的軟硬件平臺,并建立了單自由度的外骨骼遙操作