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未知受限机构的操作臂交互操作研究

未知受限机构的操作臂交互操作研究

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作者：马德第上海交通大学

学位级别：硕士

护理操作臂是服务机器人最为常见不可或缺的一种。其主要作用可以代替用户或服务人员的双手,协助其完成某些任务、独立完成一部分日常操作、或为老年人/残疾人提供定制的康复性训练。在操作臂所能执行的一系列任务中,基本功能之一为代... 详细信息

护理操作臂是服务机器人最为常见不可或缺的一种。其主要作用可以代替用户或服务人员的双手,协助其完成某些任务、独立完成一部分日常操作、或为老年人/残疾人提供定制的康复性训练。在操作臂所能执行的一系列任务中,基本功能之一为代替用户完成对常见家具等受限机构的操作。本文旨在研究操作臂与环境的智能交互操作,设计一种通用控制器能够完成与不同未知受限机构的交互操作,包括受限机构的把持点的抓取和受限机构的操作。日常家居环境中,操作臂与受限机构的交互形式有很多,常见的如开关抽屉、开关门等。此类操作任务包括抓取把持点和操作受限机构两方面。针对如何抓取受限机构把持点,本文提出了基于多视觉引力场的视觉辅助抓取方法;而对受限机构操作,本文提出了基于动态交互的未知受限机构操作算法。在视觉辅助抓取方面,针对单目手眼相机深度信息估算不精确以及靠近目标时视野模糊的问题,本文提出了多视觉引力场的方法来抓取受限机构的把持点,此方法基于图像误差的伺服控制。本文设计了视觉控制器,并且根据距离信息动态调整不同摄像头的控制权重。对于未知受限机构的操作,本文提出了基于动态交互控制的算法,该方法的优点在于不需要对受限机构建模,不需要知道操作机构的摆放位姿。本文引入动态选择矩阵和牵引轴的概念,根据6维力/力矩传感器的信息,动态确定约束坐标系和动态选择矩阵。在约束坐标系上动态解耦牵引轴与非牵引轴,由于牵引轴为受限机构运动方向并为了保证操作臂的柔顺性,在牵引轴上采用速度控制,非牵引轴上采用阻抗控制。基于实验室研制的护理型助老助残操作臂平台,进行了操作臂与环境的交互控制实验。通过视觉与力/力矩传感器采集环境信息,控制操作臂来完成未知受限机构把持点的抓取以及对受限机构的操作。视觉辅助抓取方面,通过一个手眼相机和一个固定相机配合,采用多视觉引力场的方法控制操作臂抓取受限机构的把持点。通过门A的门把抓取实验,验证了多视觉引力场方法的有效性。在未知受限机构操作方面,通过对门A（饮水机门）、门B（壁橱门）和抽屉不同受限机构的操作实验,验证了此方法的有效性和适应性。

关键词：操作臂未知受限机构交互操作阻抗控制多视觉引力场

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