论文摘要：基于多传感器信息融合的冗余度双臂机器人协调操作研究

随着航天技术的发展，人类在太空的活动越来越多，将有大量空间舱内工作要做，这些大量而危险的工作不可能仅靠宇航员完成，采用空间机器人协助或代替宇航员的工作在经济性和安全性方面都具有重要的意义。在太空中的许多操作任务靠单个机器人是不可能完成的，需要两个机器人相互协调和配合才能很好地完成各项操作任务。为了更好的完成双机器人的协调操作，需要在机器人上安装多种传感器，以提高机器人的对环境的感知能力和智能化水平。本文研究了利用多传感器信息融合对双臂机器人协调操作进行控制的方法。本文以面向空间舱内服务的冗余度双臂机器人作为主要研究对象，内容涉及了冗余度双臂机器人协调操作技术、被操作物位姿检测技术、视觉伺服技术、多传感器信息融合技术和智能控制技术，目的在于提高冗余度双臂机器人协调操作的可靠性、灵活性和智能化水平。论文的主要研究工作简述如下：1、简要介绍了冗余度双臂空间机器人系统平台的基本构成，研究了冗余度机器人的正向运动学，用梯度投影法和加权最小范数法进行了机器人逆运动学优化，介绍机器人末端的位姿插补方法。2、研究了冗余度双臂机器人协调操作的特点，对冗余度机器人运动的灵活性进行了分析。分析了协调操作时物体与主机器人之间、主从机器人之间的运动学约束关系，建立了基于位置控制的协调操作约束方程。对于机器人运动分析，一方面研究了冗余度机器人双臂协调的避碰规划，主要介绍了最大距离指标方法，并给出了仿真实例；另一方面介绍了双机器人的协调操作灵活性的常用性能指标，主要介绍了面向任务的双臂协调操作度，并介绍了两种不同的计算方法。3、对各种构形串连机器人运动学模型进行了研究，抽象出了针对任意构形串连机器人的数据模型，这样保证了仿真程序具有通用性、可移植性。基于这种数据模型建立了双冗余度机器人协调操作的运动学三维图形仿真。该仿真软件的各项指标数据完全严格采自空间机器人实验平台。其正向运动学、逆向运动学功能齐全，具有各种优化选项，并能进行关节曲线、关节速度曲线的输出，可以记录并再现这些曲线。4、研究并提出了利用CCD摄像机和超声传感器相结合的物体位姿检测方法。该方法首先利用单个摄像机所采集的一幅图像确定物体上特征点在图像坐标中的理想坐标，从而能够确定投影矢量（摄像机坐标系原点与特征点的连线）的姿态。然后利用超声传感器测量该矢量的长度。这样就得到了投影矢量在摄像机坐标系中的方向和大小，也就得到了特征点在摄像机坐标系中的位置，进而通过摄像机坐标系与机器人基坐标系的转换关系，得到特征点在机器人基系中的位置坐标。与立体视觉的检测方法相比，该方法避免了立体视觉中的图像匹配过程，并且可以大大减少运算量。本文还对这种方法的检测精度进行了分析。5、研究了基于多传感器信息融合的冗余度双臂机器人协调控制方法，提出了对于双臂协调操作的不同过程，采用分阶段控制的方法：（1）在物体识别和位姿检测阶段，首先利用全局视觉“粗测”，然后利用局部视觉进行“精测”；（2）在轨迹规划阶段，利用局部视觉进行视觉引导；（3）在对操作对象的夹持阶段，利用腕力传感器进行“微调”；（4）在双臂协调阶段，利用腕力传感器和指端力传感器进行力/位混合控制。该方法减少了多传感器信息融合算法的复杂性，操作简单，实现方便，提高了机器人的智能感觉系统。本文对提出的方法都进行了仿真或实验验证，证明了它们的正确性。

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