本文關(guān)鍵詞：基于多種人機(jī)交互設(shè)備的空間遙操作機(jī)器人控制技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 人機(jī)交互設(shè)備 遙操作 虛擬預(yù)測環(huán)境 RANSAC算法 骨骼追蹤

【摘要】：近年來,隨著科技的不斷進(jìn)步,人類的空間活動(dòng)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(jì)劃。由于太空環(huán)境十分惡劣,很多作業(yè)任務(wù)需要空間機(jī)器人去完成。然而由于空間環(huán)境的未知性和復(fù)雜性,機(jī)器人全自主式工作受到很多限制。基于人機(jī)交互設(shè)備的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)安全穩(wěn)定,具有廣闊的應(yīng)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(jī)器人系統(tǒng)中的人機(jī)交互技術(shù)進(jìn)行了深入研究,并研制開發(fā)了一套空間遙操作機(jī)器人地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),主要包括兩種不同的人機(jī)交互設(shè)備(一個(gè)是基于Kinect,另一個(gè)是基于穿戴式數(shù)據(jù)手臂)、三維虛擬預(yù)測環(huán)境和人機(jī)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(wù),操作者在地面端使用人機(jī)交互設(shè)備能夠準(zhǔn)確地控制太空端的空間機(jī)器人,力覺和視覺的反饋增強(qiáng)了操作者的臨場感,提高了工作效率。本課題的創(chuàng)新點(diǎn)在于：(1)在基于力反饋人機(jī)交互設(shè)備的空間遙操作機(jī)器人地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)解算模塊中引入了ROS(機(jī)器人操作系統(tǒng))提供的KDL(運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)庫),它是基于數(shù)值計(jì)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(yùn)算速度快,準(zhǔn)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(yù)測環(huán)境涉及到對空間機(jī)器人、工作環(huán)境、目標(biāo)物體和力覺反饋等進(jìn)行建模,采用了3DS MAX和OpenGL相結(jié)合的建模方式對太空端場景進(jìn)行了高度仿真。還設(shè)置了虛擬攝像頭,可以從多個(gè)角度拍攝并顯示虛擬預(yù)測環(huán)境。(3)從三維點(diǎn)云圖中提取出目標(biāo)物體。先根據(jù)HSL色彩特征,濾除非相關(guān)的離群點(diǎn),再通過RANSAC算法(隨機(jī)抽樣一致性算法),從一堆包含“局外點(diǎn)”的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中,通過迭代的方式,估計(jì)目標(biāo)物體數(shù)學(xué)模型的參數(shù),再與庫中的模型進(jìn)行匹配,最終得到目標(biāo)物體的幾何模型參數(shù)。(4)使用kinect對人體全身骨骼進(jìn)行追蹤,獲取各個(gè)骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置信息,再通過人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)的旋轉(zhuǎn)矩陣計(jì)算各骨骼關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角度。還設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)顯示操作者骨骼動(dòng)態(tài)圖的交互軟件。(5)計(jì)算手臂關(guān)節(jié)的歐拉角時(shí)引入了四元數(shù)的方法,把歐拉角轉(zhuǎn)換成四元數(shù)后,只要進(jìn)行四元數(shù)的乘法計(jì)算即可,簡潔快速、非奇異表達(dá)。
【關(guān)鍵詞】：人機(jī)交互設(shè)備 遙操作 虛擬預(yù)測環(huán)境 RANSAC算法 骨骼追蹤
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP242
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-21
• 1.1 研究背景11-13
• 1.1.1 遙操作機(jī)器人技術(shù)概述11-12
• 1.1.2 人機(jī)交互設(shè)備12-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-18
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀13-17
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀17-18
• 1.3 論文研究的主要內(nèi)容18-19
• 1.4 論文組織結(jié)構(gòu)19-21
• 第二章 空間遙操作機(jī)器人地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)21-35
• 2.1 系統(tǒng)原理及組成21
• 2.2 空間機(jī)器人運(yùn)動(dòng)解算21-23
• 2.2.1 空間機(jī)器人的結(jié)構(gòu)21-22
• 2.2.2 基于KDL的機(jī)器人逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解22-23
• 2.3 三維虛擬預(yù)測環(huán)境23-27
• 2.3.1 虛擬機(jī)器人建模24-25
• 2.3.2 虛擬環(huán)境建模25-26
• 2.3.3 環(huán)境光照及虛擬攝像頭設(shè)置26-27
• 2.4 目標(biāo)物體的識別和建模27-32
• 2.4.1 Kinect采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)27-28
• 2.4.2 RANSAC算法提取目標(biāo)物體28-32
• 2.5 虛擬交互力的計(jì)算32-34
• 2.6 本章小結(jié)34-35
• 第三章 基于Kinect的人機(jī)交互設(shè)備35-49
• 3.1 硬件系統(tǒng)組成35
• 3.2 基于Kinect的全身骨骼跟蹤35-41
• 3.2.1 骨架空間35-36
• 3.2.2 空間變換36-37
• 3.2.3 骨骼追蹤37-38
• 3.2.4 關(guān)節(jié)角度計(jì)算38-41
• 3.3 轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)跟蹤41-43
• 3.3.1 轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)跟蹤模塊組成41
• 3.3.2 姿態(tài)傳感器設(shè)計(jì)41-42
• 3.3.3 無線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)42-43
• 3.4 手指運(yùn)動(dòng)跟蹤和力反饋43-44
• 3.5 交互軟件設(shè)計(jì)44-47
• 3.5.1 軟件界面設(shè)計(jì)44-45
• 3.5.2 網(wǎng)絡(luò)通信45-47
• 3.6 本章小結(jié)47-49
• 第四章 基于穿戴式數(shù)據(jù)手臂的人機(jī)交互設(shè)備49-61
• 4.1 系統(tǒng)介紹49-51
• 4.1.1 系統(tǒng)組成49
• 4.1.2 工作流程49-50
• 4.1.3 工作模式50-51
• 4.2 傳感子系統(tǒng)設(shè)計(jì)51-56
• 4.2.1 基于四元數(shù)的歐拉角解算51-55
• 4.2.2 基于光纖角度傳感器的手勢識別55-56
• 4.3 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)計(jì)56-58
• 4.3.1 數(shù)據(jù)采集電路56-58
• 4.3.2 硬件安裝58
• 4.4 藍(lán)牙通信設(shè)計(jì)58-59
• 4.5 交互軟件設(shè)計(jì)59-60
• 4.6 本章小結(jié)60-61
• 第五章 不同人機(jī)交互設(shè)備的遙操作實(shí)驗(yàn)研究61-73
• 5.1 遙操作實(shí)驗(yàn)介紹61-63
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)61-63
• 5.1.2 實(shí)驗(yàn)對象63
• 5.2 基于力反饋的遙操作實(shí)驗(yàn)63-66
• 5.2.1 有無力反饋的比較實(shí)驗(yàn)63-64
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析64-66
• 5.3 基于虛擬預(yù)測環(huán)境的遙操作實(shí)驗(yàn)66-71
• 5.3.1 5s時(shí)延下的比較實(shí)驗(yàn)66-68
• 5.3.2 10s時(shí)延下的比較實(shí)驗(yàn)68-70
• 5.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析70-71
• 5.4 三種人機(jī)交互設(shè)備綜合性能71-72
• 5.5 本章小節(jié)72-73
• 第六章 總結(jié)與展望73-77
• 6.1 工作總結(jié)73-74
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)74
• 6.3 未來工作的展望74-77
• 致謝77-79
• 參考文獻(xiàn)79-83
• 作者在學(xué)期間的成果83

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：738356