基于虛擬現實與局部自主的空間機器人遙操作技術研究.pdf

1、利用空間機器人代替宇航員進行太空作業(yè)，不僅可以使宇航員避免在惡劣太空環(huán)境中作業(yè)時可能受到的傷害，還可以降低成本、提高空間探索活動的效率。由于空間工作環(huán)境非結構化及工作任務多變的特點，同時受計算機、控制、人工智能和機構等關鍵支撐技術發(fā)展水平的制約，目前研制出在空間環(huán)境下完全自主工作的機器人還很難實現。因此，切實可行的方法是充分利用人的智能進行高層任務規(guī)劃，采用地面遙操作空間機器人的方式完成空間作業(yè)。本文針對衛(wèi)星在軌維護任務，建立了衛(wèi)星自維

2、護的地面遙操作演示平臺，對基于虛擬現實和局部自主的空間機器人遙操作進行了研究。
　　本文建立了一套衛(wèi)星在軌自維護的地面遙操作演示系統(tǒng)。利用人為增加時延的方法，位于武漢的操作者通過 Internet遙操作位于哈爾濱的機器人完成衛(wèi)星維護任務，模擬了地面遙操作空間機器人的大時延情況，并利用虛擬現實技術實現了三維圖形預測顯示，有效地克服了大時延對遙操作的影響。利用反饋的機器人實際位置和視覺識別操作對象結果，在虛擬環(huán)境下重新構建了虛擬的實際

3、機器人和操作對象場景，有效地克服了低帶寬對流暢視頻傳輸的限制，使操作者直觀形象地感知遠端實際狀態(tài)。
　　在遙操作的主操作端，遙操作的操作安全性與操作性能之間是互斥的。手動操作的操作性能差但處理異常能力（安全性）強，離線任務規(guī)劃的操作性能好但處理異常能力差。本文提出了在主端利用柔性虛擬夾具方法輔助遙操作，通過柔性系數調節(jié)機器人傾向于理想運動方向的程度，有效地將離線任務規(guī)劃與操作者手動控制結合起來，在遙操作的安全性與操作性能之間進行折

4、衷，保證了遙操作的操作精度與異常處理能力。并在此基礎上，將虛擬力反饋、顏色識別及虛擬厚度方法融合到柔性虛擬夾具中，進一步提高了操作性能。
　　在遙操作的從機器人端，實現了基于關節(jié)位置、關節(jié)力矩、腕力傳感器和視覺的多傳感器機器人局部自主功能，提高了機器人的智能水平。在自由運動階段，采用基于視覺的機器人最優(yōu)接近速度控制。在約束運動階段，針對空間機器人經常與高剛度環(huán)境接觸情況，基于力外環(huán)思想，本文提出了基于阻抗內環(huán)的力跟蹤方法，對比實驗

5、證明該方法保證了機器人與高剛度環(huán)境接觸時較好的力控制性能。
　　基于虛擬現實遙操作的前提是虛擬模型與實際場景的一致性。然而，受空間環(huán)境變化及傳感器測量誤差等影響，虛擬模型與實際場景之間存在著不可避免的模型誤差。本文將模型修正法與機器人的控制方法結合起來，一方面在遙操作主端利用反饋的機器人實際位置和視覺識別結果分別對虛擬機器人和虛擬操作對象的位姿進行修正，盡可能地減小虛擬模型與實際場景的差別；另一方面，對于仍殘存的模型誤差，在從機器

6、人端采用對模型誤差具有一定的魯棒性的阻抗控制、混合阻抗控制方法，進一步消除殘存的模型誤差。實驗證明了該方法能夠消除模型誤差對遙操作的影響。
　　在本文的最后，對于結構化空間環(huán)境，采用基于虛擬現實的遙操作方式克服了約14秒的大通訊時延對遙操作的影響，順利地完成了打開衛(wèi)星天線的衛(wèi)星維護任務。對于存在誤差的非結構化空間環(huán)境，分別進行了打開衛(wèi)星太陽能帆板和擦拭衛(wèi)星鏡頭的兩個典型衛(wèi)星維護遙操作實驗，克服了模型誤差對遙操作的影響，驗證了本文提