基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程機(jī)器人控制技術(shù)研究.pdf

1、本文圍繞基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程機(jī)器人控制技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題，如控制器的實(shí)時(shí)性、多機(jī)器人仿真及協(xié)同搬運(yùn)控制、機(jī)器人碰撞檢測(cè)、基于動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別的人機(jī)交互和立體視頻監(jiān)控等進(jìn)行了深入的研究，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的不足，提出了一種新型的機(jī)器人控制系統(tǒng)，建立了一個(gè)基于開(kāi)放式軟硬件結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺(tái)。在所建立的平臺(tái)上開(kāi)展了卓有成效的實(shí)驗(yàn)研究。 主要研究?jī)?nèi)容和成果如下： 本文針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器人控制系統(tǒng)價(jià)格高、實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，提出

2、了一套高效低成本的在操作系統(tǒng)級(jí)改善工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的方法，研發(fā)了相關(guān)系統(tǒng)。論文首先分析了機(jī)器人控制器的軟、硬體系結(jié)構(gòu)以及需要操作系統(tǒng)支持的實(shí)時(shí)性能，然后闡述了Linux在實(shí)時(shí)性支持上的弱點(diǎn)，分析了當(dāng)前基于Linux的內(nèi)核實(shí)時(shí)支持的相關(guān)主流技術(shù)，提出了實(shí)時(shí)性改造方案，并在Linux操作系統(tǒng)中予以了實(shí)現(xiàn)。為了驗(yàn)證改造的有效性，提出了相應(yīng)的測(cè)試方案，測(cè)試表明修改后的內(nèi)核無(wú)論在平均延時(shí)還是在最壞情況下都使任務(wù)響應(yīng)時(shí)間得到了很大的提高，為

3、機(jī)器人實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)提供了操作系統(tǒng)級(jí)的實(shí)時(shí)性支持。除此之外，論文還提出一種實(shí)時(shí)任務(wù)的層次調(diào)度算法，在一級(jí)調(diào)度上用EDF(Earliest Deadline First)算法保證實(shí)時(shí)任務(wù)的底限不丟失，在二級(jí)調(diào)度上采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃和貪婪算法相結(jié)合的策略，調(diào)度實(shí)時(shí)任務(wù)的可選部分，保證了帶寬的利用，克服了原系統(tǒng)中調(diào)度算法利用率受限制、系統(tǒng)開(kāi)銷較大和非周期部分響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。 本文對(duì)Open Inventor體系結(jié)構(gòu)

4、、機(jī)器人幾何建模和場(chǎng)景優(yōu)化方法進(jìn)行了研究，分析了虛擬多機(jī)器人協(xié)同仿真的過(guò)程，提出了從搬運(yùn)物體出發(fā)，根據(jù)搬運(yùn)物體運(yùn)動(dòng)路徑反求多機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)路徑的方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人協(xié)同搬運(yùn)仿真。此外，本文還就虛擬多機(jī)器人協(xié)同仿真控制系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，通過(guò)整合、改進(jìn)現(xiàn)有的碰撞檢測(cè)程序庫(kù)，設(shè)計(jì)了碰撞檢測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人協(xié)同仿真控制中的避碰撞。 本文還研究了基于視覺(jué)的動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別技術(shù)，采用基于膚色的高斯模型與改進(jìn)的光流場(chǎng)跟蹤算

5、法結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜背景下實(shí)時(shí)快速的手勢(shì)跟蹤。該方法具有快速和準(zhǔn)確的特點(diǎn)，且具有較好的魯棒性。對(duì)于動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別器，采用了隱馬爾可夫模型(HMM，Hidden Markov：Model)作為訓(xùn)練識(shí)別算法，推導(dǎo)了最佳狀態(tài)鏈的確定算法、HMM參數(shù)優(yōu)化算法。考慮到動(dòng)態(tài)手勢(shì)特征本身的一些特點(diǎn)，對(duì)HMM參數(shù)優(yōu)化算法重估式加以修正，調(diào)整了算法比例因子，并將之成功地應(yīng)用到基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程機(jī)器人控制系統(tǒng)中。 本文最后對(duì)立體視頻的顯示、儲(chǔ)存、傳輸

6、與回放技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，將二路實(shí)時(shí)視頻信息經(jīng)捕捉、壓縮和傳輸，提供給機(jī)器人控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了圖形仿真和視頻監(jiān)控的立體顯示，從而完成了遠(yuǎn)程多機(jī)器人立體視頻監(jiān)控。本文根據(jù)遠(yuǎn)程機(jī)器人控制系統(tǒng)的特殊要求對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻圖像數(shù)據(jù)情況進(jìn)行分析，對(duì)遠(yuǎn)程操作有直接影響的網(wǎng)絡(luò)延遲、遠(yuǎn)程機(jī)器人控制中數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶厥庑砸约耙曨l傳輸中網(wǎng)絡(luò)延時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題等諸多方面進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)了速率控制算法，提出在發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)候，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)動(dòng)態(tài)地選擇增量因子或減量因子，對(duì)發(fā)