面向空间机器人遥操作的环境建模与人机交互技术研究.pdf

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1、目录学校代码：10286分类号：TP242密级：公开UDC：621学号：149677面向空间机器人遥操作的环境建模与人机交互技术研究研究生姓名：倪得晶导师姓名：王爱民教授宋爱国教授申请学位类别工学博士学位授予单位东南大学一级学科名称仪器科学与技术论文答辩日期2018年6月16日二级学科名称测试计量技术与仪器学位授予日期年月日答辩委员会主席袁慎芳教授评阅人盲审2018年6月10日博士学位论文面向空间机器人遥操作的环境建模与人机交互技术研究专业名称：仪器科学与技术研究生姓名：倪得晶导师姓名：王爱民导师姓名：宋爱国RESEARCHONTECHNOLOGYOFENVIRONMENTMODELLIN

2、GANDHUMAN-ROBOTINTERACTIONFORSPACEROBOTTELEOPERATIONADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringBYDejingNiSupervisedbyProf.Ai-minWANGandAi-guoSONGSoutheastUniversity东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研

3、究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司、万方数据电子出版社、北京万方数据股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布

4、（包括以电子信息形式刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名：日期：摘要摘要太空探索一直是空间科学研究的热点，然而太空环境具有微重力、强辐射、不确定性等特点，对航天员的实地探索造成了极大的安全威胁，同时，完全自主的智能机器人难以在短期内实现，因此，人在回路的空间机器人遥操作仍是现阶段太空探索的主要技术手段，即地面的操作人员提供作业指令，控制空间机器人执行任务，作业过程中的多感知信息反馈给操作者，实现“身临其境”的作业感受，以顺利完成作业任务。本文以空间机器人遥操作为任务背景，对环境建模与人机交互技术进行分析，依次从基于虚拟环境的空间机器人遥操作系统的设计方法、非结构化虚拟环境建

5、模方法、可移动作业对象动力学在线建模与修正，以及非结构化环境中虚拟力约束动态生成及共享控制方法等方面展开深入研究。针对空间机器人遥操作的作业需求，设计并搭建了基于虚拟环境的空间遥操作机器人地面验证系统。首先建立了基于力反馈手控器、SChunk机械臂的主从异构设备的运动学模型，提出了基于位置增量累计映射的方法，实现主从异构机械臂高精度、大空间位姿控制；然后完成了虚拟环境建模，包括虚拟机械臂建模、虚拟环境建模、虚拟力反馈建模，并提出了一种分段线性力空间映射方法，解决了大范围虚拟力反馈向具有小范围输出力的力反馈手控器映射问题；最后完成了从端环境中的感知系统设计、基于ROS的机械臂及多信息控制系统

6、，为后续空间遥操作机器人系统的性能研制及验证提供了理论依据和实验平台。针对非结构化环境作业的需求，提出了一种基于RGB-D点云数据的非结构化环境建模方法，主要包括点云描述的环境几何建模与虚拟力反馈建模。首先对于环境几何建模采用基于多坐标系融合的机械臂辅助预配准，提出了基于SURF-表面法向量特征的点云粗配准，融合颜色与深度特征提高特征点匹配精度，采用了色相辅助的ICP算法进一步完成点云精细化配准，提出了一种点云自适应下采样算法，实现了点云间距的均匀性；然后对于虚拟力反馈建模，采用了一种基于包围球的点云碰撞检测方法，实现了交互设备与点云间实时碰撞检测，同时提出了一种基于表面法向量预估虚拟代理

7、运动的算法，完成了虚拟代理的实时运动估计；最后通过实验验证了本文所采用算法的有效性。针对机器人遥操作领域中动态交互的动力学建模问题，将可移动作业对象类的的动力学建模作为研究重点，提出了一种可移动作业对象动力学建模和在线修正的系统架构。首先研究了碰撞动力学模型与摩擦动力学模型，采用了线性质量-阻尼-弹簧的碰撞模型和改进的Karnopp摩擦动力学模型，提出了一种基于受力突变的运动状态分割算法，完成了交互对象的静态、临界状态和