指导教师：吴洪涛 教授/博导
论文题目：新型混联力反馈主手及异构遥操作系统研究
答辩委员会：
主席：王兴松 教授/博导 东南大学
委员：谭业发 教授/博导 陆军工程大学
孙 宇 教授/博导 南京理工大学
陈 柏 教授/博导 南京航空航天大学
游有鹏 教授/博导 南京航空航天大学
秘书： 王旦 副教授/硕导 南京航空航天大学
时间： 2021年11月30日9:00
地点： 南京航空航天大学明故宫校区A17# -519
学位论文简介：
本文研究了一种混联力反馈主手及主从异构遥操作系统控制的若干关键问题。作为虚拟现实技术人机交互中不可缺少的部分，力反馈主手已经成为机器人技术中研究领域热点之一。遥操作系统是一种人机交互形式工作的机器人系统，由主机器人与从机器人以及控制器，通信通道等设备组成。遥操作系统根据主从机器人的结构是否相同可分为主从同构遥操作系统与主从异构遥操作系统。针对力反馈主手目前存在的一些问题，本文从结构改进及创新的角度出发，研制了一种高刚度，具有较大输出能力，通用型的混联六自由度力反馈主手。以研制的混联力反馈主手作为主机器人，以Baxter双臂机器人作为从机器人设计了一套异构遥操作系统。对设计的新型异构遥操作系统做了系统的研究，设计并验证了新型异构遥操作系统的控制算法，验证了新型异构遥操作系统的关键特性：稳定性，跟踪性，透明性（临场感）。
论文完成的主要工作及取得的成果如下：
1. 针对目前力反馈主手存在的问题，根据力反馈主手对于特性的要求，选择了现有两种并联机构并对两种机构进行了改进，选择的两种机构分别作为力反馈主手的移动机构与转动机构结合构成混联六自由度力反馈主手。引入旋量理论对转动机构进行了自由度分析，分别对移动机构与转动机构做了详细的运动学分析，包括瞬态运动学、几何学、奇异性分析等。对移动机构与转动机构做了动力学分析。以设计的混联力反馈主手与Baxter双臂机器人作为从机器人设计了新型异构遥操作系统。
2. 为保证混联力反馈主手的力传递性能以及保持结构紧凑，提出以体积与灵巧度相结合的评价指标，并基于遗传算法在对混联力反馈主手机构的尺寸参数进行了优化，得到符合力反馈主手的最优灵巧度及最小体积空间。在保证机构运动性能的同时，减小了机构整体尺寸。根据得到的优化参数选择了合适的电器元件并装配了力反馈主手样机。基于蒙特卡罗方法对主从手工作空间进行了研究，针对主从手结构的不同，设计了主从异构操作空间的映射算法。较好地完成了主机器人工作空间向从机器人工作空间的映射，为提高异构遥操作系统的跟踪性提高理论基础。
3. 研究了基于避障任务的异构遥操作系统运动，遥操作系统从手为7自由度冗余双臂协作机器人，从手在有无障碍物的情况下完成协调装配及避障等动作。首先研究了主从手碰撞检测，对机械臂胶囊体包围盒以及物体包围盒进行了性能对比，选用了机械臂胶囊体包围盒与球体包围盒碰撞的情况，研究了机械臂传统避障算法及改进的在线避障算法，并对两种算法避障进行了实验仿真，得到的结果表明改进的在线臂章算法优于传统避障算法，对从手双臂协调装配任务在有无障碍物的两种情况进行了分析，分析了从机器人无障双臂协调操作过程的运动学，对主从手无障碍物状态下的协调装配进行了实验仿真，结果显示从手能平稳的完成任务，对从机器人在有障碍物情况下的协调装配进行了分析与实验仿真，结果显示从手双臂在协调装配过程中能安全避障，也验证了避障算法的可行性。
4. 对遥操作系统在通信时延时的系统不稳定性问题进行了研究，引入波变量的概念对系统进行矫正解决系统不稳定问题，对波变量引入遥操作系统产生波反射的问题也进行了研究并进行矫正。通过仿真验证了波变量的引入对系统跟踪性和透明性的影响。研究并介绍了遥操作系统的常见运动控制算法及系统稳定性判断条件，针对本文设计的异构遥操作系统，采用常见的单关节PID算法进行控制，验证系统的跟踪性能与透明性，结合状态方程，基于状态观测器设计了更符合实际状态的鲁棒控制算法。分别在无时延及固定时延条件下，经仿真验证，改善了系统跟踪性能与透明性。
5. 基于设计的力反馈主手和Bater双边机器人搭建了实验平台。在此实验平台下，根据设计的运动控制算法，分别在无时延及固定时延情况下，验证了系统的跟踪性能与透明性能，结果显示获得良好的控制效果。
主要创新点如下：
（1）根据力反馈主手特性的要求以及设计原则，选择了3PRPaR机构和并联机构ROBO_003分别作为移动机构和转动机构组合成一种新混联六自由度力反馈主手。引入旋量理论对转动机构进行了自由度分析，以设计的混联力反馈主手与Baxter双臂机器人作为从机器人设计了新型异构遥操作系统。
（2）为保证混联力反馈主手的力传递性能以及保持结构紧凑，提出以体积与灵巧度相结合的评价指标，并基于遗传算法在对混联力反馈主手机构的尺寸参数进行了优化，得到符合力反馈主手的最优灵巧度及最小体积空间。根据得到的优化参数选择了合适的电器元件并装配了力反馈主手样机。针对主从手结构的不同，提出了主从异构操作空间的映射算法。较好地完成了主机器人工作空间向从机器人工作空间的映射。
（3）基于避障任务的异构遥操作系统运动及机械臂传统避障算法，提出了改进的从手在线避障算法，并对两种算法避障进行了实验仿真，得到的结果表明改进的在线臂章算法优于传统避障算法，对从手双臂协调装配任务在有无障碍物的两种情况进行了分析，验证了避障算法的可行性。
（4）引入波变量的概念对异构遥操作系统进行矫正，解决系统在通信时延影响下的不稳定问题，通过仿真验证了波变量的引入对系统跟踪性和透明性的影响。针对本文设计的异构遥操作系统，基于状态观测器设计了更符合实际状态的鲁棒控制算法。分别在无时延及固定时延条件下，经仿真验证，改善了系统跟踪性能与透明性。
