基于视觉伺服机理的遥操作机器人虚拟力反馈控制研究

【摘要】目前，在人类合理开发利用太空、海底等资源的过程中，机器人发挥着巨大的作用。机器人正朝着智能化的方向发展，由于受控制、传感及人工智能等发展水平的制约，目前的智能机器人研究重点应从全自主技术转向交互技术。主从机器人控制过程中，仍然主要依赖从端系统传输的图像、力、声音等信息，由于机器人处在远端的工作环境，操作者距离机器人较远，因此无法亲身感知机器人与环境的相对位姿，现有的主从机器人系统仍存在作业效率低、安全性低等问题，此外，由于图像特征不全、图像中作业对象不可见等原因，传统的视觉伺服控制方法不可避免的会出现作业对象偏离相机视野的现象。针对此问题，本文采用一种基于视觉伺服机理的遥操作机器人虚拟力反馈控制方法，充分利用传统图像伺服局部强稳固性和高鲁棒性的优点，引入图像虚拟引导力的概念，将机器人的局部自主性同操作者的高级智能性融合，实时地调整机器人的末端位姿，以保证图像中的操作任务始终处于相机视野中，从而有效的避免操作者误操作的发生，本文将视觉伺服控制引入遥操作领域，利用传统的视觉伺服控制原理，并在人工势场的理论基础上，构建图像虚拟力，并将虚拟力信号反馈给操控人员予以力感指引。本文结合国家自然科学基金项目“基于动觉/力觉导航的机器人共享控制研究”和吉林省重点科技攻关项目“机器人的动觉引导共享控制”。依托于吉林大学机械电子系工程机器人实验室的四自由度机器人、双目摄像头以及操纵手柄，搭建了图像虚拟力反馈控制试验台。为构建图像虚拟力，本文从机器人的运动学和动力学、作业对象的特征提取、复合图像雅可比矩阵在线估计、图像虚拟力模型构建几个方面做了深入的研究。本文主要完成以下工作：1、采用HSI（HueSaturationIntensity）图像分割算法、图像膨胀腐蚀算法以及轮廓多边形拟合算法，实现了机器人作业对象的特征信息提取；2、利用连杆齐次坐标矩阵变换的方法，建立了机器人运动学方程，并采用拉格朗日法建立了机器人动力学方程；3、将视觉伺服应用于机器人的遥操作，采用RLS（RecursiveLeastSquare）算法在线估计复合图像雅可比矩阵，并基于人工势场理论，构建机器人的虚拟力；4、搭建了机器人图像虚拟力反馈控制平台，采用VisualStudio2008开发了遥操作机器人虚拟力反馈控制系统软件，进行了图像虚拟力反馈控制试验，验证了本控制方法的可行性与有效性。
【作者】许鹏；
【导师】倪涛；
【作者基本信息】吉林大学，机械电子工程，2014，硕士
【关键词】遥操作；视觉伺服；复合图像雅可比矩阵；RLS算法；虚拟力反馈；

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