基于多種人機交互設備的空間遙操作機器人控制技術研究.pdf

1、近年來，隨著科技的不斷進步，人類的空間活動逐漸頻繁，各國都積極開展對深空和太陽系的一系列探索計劃。由于太空環(huán)境十分惡劣，很多作業(yè)任務需要空間機器人去完成。然而由于空間環(huán)境的未知性和復雜性，機器人全自主式工作受到很多限制?；谌藱C交互設備的遙操作機器人系統(tǒng)安全穩(wěn)定，具有廣闊的應用前景。
　　為了滿足未來我國空間站的需要，本課題對遙操作機器人系統(tǒng)中的人機交互技術進行了深入研究，并研制開發(fā)了一套空間遙操作機器人地面實驗系統(tǒng)，主要包括兩種

2、不同的人機交互設備（一個是基于Kinect，另一個是基于穿戴式數(shù)據(jù)手臂）、三維虛擬預測環(huán)境和人機交互軟件平臺等。該系統(tǒng)可以完成典型的空間遙操作作業(yè)任務，操作者在地面端使用人機交互設備能夠準確地控制太空端的空間機器人，力覺和視覺的反饋增強了操作者的臨場感，提高了工作效率。
　　本課題的創(chuàng)新點在于:(1)在基于力反饋人機交互設備的空間遙操作機器人地面實驗系統(tǒng)的機器人運動解算模塊中引入了ROS（機器人操作系統(tǒng)）提供的KDL（運動學和動力

3、學庫），它是基于數(shù)值計算方法的，通過不斷迭代，找到最合適的解。比傳統(tǒng)的解析方法運算速度快，準確性高，穩(wěn)定性好。KDL里的函數(shù)使用起來也簡單方便。(2)三維虛擬預測環(huán)境涉及到對空間機器人、工作環(huán)境、目標物體和力覺反饋等進行建模，采用了3DS MAX和OpenGL相結合的建模方式對太空端場景進行了高度仿真。還設置了虛擬攝像頭，可以從多個角度拍攝并顯示虛擬預測環(huán)境。(3)從三維點云圖中提取出目標物體。先根據(jù)HSL色彩特征，濾除非相關的離群點，

4、再通過RANSAC算法（隨機抽樣一致性算法），從一堆包含“局外點”的三維點云數(shù)據(jù)中，通過迭代的方式，估計目標物體數(shù)學模型的參數(shù)，再與庫中的模型進行匹配，最終得到目標物體的幾何模型參數(shù)。(4)使用kinect對人體全身骨骼進行追蹤，獲取各個骨骼關節(jié)點的位置信息，再通過人體關節(jié)運動學的旋轉矩陣計算各骨骼關節(jié)運動的角度。還設計了實時顯示操作者骨骼動態(tài)圖的交互軟件。(5)計算手臂關節(jié)的歐拉角時引入了四元數(shù)的方法，把歐拉角轉換成四元數(shù)后，只要進行