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软体机械手遥操作系统设计和实验研究

软体机械手遥操作系统设计和实验研究

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作者：陈俊涛燕山大学

学位级别：硕士

本文以驱动感知一体化气动软体机械手为研究对象,围绕气动软体机器人在远程非结构工作环境下因缺乏信息反馈、气源不便而导致其工作能力降低、应用范围受限等问题,以实现其远程可靠控制为目标,尝试将柔性传感器技术、虚拟现实技术和物... 详细信息

本文以驱动感知一体化气动软体机械手为研究对象,围绕气动软体机器人在远程非结构工作环境下因缺乏信息反馈、气源不便而导致其工作能力降低、应用范围受限等问题,以实现其远程可靠控制为目标,尝试将柔性传感器技术、虚拟现实技术和物联网通信技术引入到对软体末端远程闭环控制当中,在驱动感知一体化软体致动器的构型设计、软体致动器力学模型分析、样机制作工艺、控制系统设计、虚拟场景设计和遥操作系统实验等方面开展系统的研究。首先,对软体机器人遥操作系统进行总体结构设计,将系统划分为近地系统和远地系统,确定遥操作系统的主要构成部分,对系统的不同控制方案进行分析,选择建立遥操作系统所需要的软件平台和运行环境。其次,基于“快速气动网络”的设计理念,以提高气密性、可靠性和可拆卸为原则对驱动感知一体化的软体致动器进行构型创新设计,推导出软体基体硅胶材料的本构模型和相关参数,对致动器进行非线性有限元分析,预估软体致动器的大致工作气压范围。基于常曲率假设和应力均布假设,建立软体致动器气压和弯曲角度的力学理论模型,并通过致动器充气实验对理论模型进行修正。再次,基于形状沉积制造思想,以提高可靠性、简化工艺步骤为原则,设计了软体致动器的浇筑模具,提出了驱动感知一体化软体致动器的分步浇筑成型工艺,并结合3D打印技术对仿人手的自感知软体末端的进行了样机制作。同时搭建了软体末端的集成化驱动控制系统硬件,在近地端设计了基于串行接口和MQTT物联网通信协议的客户端软件界面,以实现远程信息传输。最后,提出了适用于软体致动器的3Dmax骨骼蒙皮模型设计方法,并利用Unity3D建立了虚拟作业场景,并对虚拟软体末端和目标对象添加脚本组件,通过脚本程序设计实现远地端反馈信息对软体末端的运动控制和对目标对象的碰撞拾取。应用自感知软体末端样机、集成控制系统和虚拟作业场景,搭建软体末端的遥操作系统测试平台,完成遥操作系统手势映射实验和几何物体遥控抓取实验,并对实验结果进行分析评估,对基于虚拟现实技术的软体末端遥操作系统有效性进行验证。

关键词：自感知软体末端遥操作虚拟现实技术手势映射

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