半自主遥操作下核电机器人的运动分析与控制研究

This project aims to meet the urgent demand of practical application of Semiautonomous-Teleoperation Robot (STR) in the nuclear power plant, and carries out the research around the kinematic analysis and control. Considering the special environment of nuclear radiation, the probability distribution of STR under random noises in the SE (2) space and distribution along any path of STR at different speeds are analyzed. To solve the problem of the instability and slow convergence, Discrete Kalman Filter under predetermined error is proposed to proceed data fusion. Comparing the dead reckoning path with the distribution function, the maximum error range of reckoning of STR under different probability is determined. Based on the distribution in SE (2) space, a threshold selection criteria and sport safety index are proposed and an effective approach of obstacle avoidance and path optimization in the nuclear power plant is studied. In the nuclear radiation environment, by recognizing the feedback current sequences of motor in the wheels and flippers, the stair-climbing status of STR is recognized and predicted, and multi-mode stability control method based on it is proposed to achieve stable climbing stairs. The research results of this project will provide scientific basis for the practical application of STR, and is of great significance.

本项目针对核辐射环境下半自主遥操作机器人在实际应用中的迫切需求，对半自主遥操作下核电机器人的运动分析与运动控制的核心问题展开基础理论研究。首先从核辐射的特殊环境出发，揭示SE(2)空间中核电机器人在不同速度行驶时沿任意路径的运动分布规律，接着提出基于既定误差的离散卡尔曼滤波的数据融合方法，解决数据融合算法不稳定和收敛速度慢的问题，并确定核电机器人航位推算在不同概率下的最大误差范围。然后，根据SE(2)空间中核电机器人的动态分布，提出一种最优危险函数选择和运动安全指数准则，建立危险函数和运动安全指数的数学模型，构建核电机器人的运动控制机制，以实现核辐射环境下的高效避障与路径规划。最后通过识别核电机器人驱动轮与导臂的反馈电流序列识别和预测核电机器人的爬楼状态，解决在核辐射环境下人机交互的通信时延或间歇性中断问题，并基于爬楼状态预测提出多模式稳定控制方法实现核电机器人的稳定爬楼。

本项目针对半自主遥操作下核电机器人的运动分析与运动控制的核心问题展开基础理论研究，主要围绕人机交互下半自主遥操作机器人的控制技术，从优化人机交互方式、人机融合性、遥操作力控制方面，及其半自主遥操作下核电机器人的运动控制、遥操作友好性等方面展开了研究，并取得了一定的研究成果，主要包括：1）提出了一套带有导臂的移动机器人平台结构，能基本实现在复杂环境下的自由移动，并具备一定的复杂地面的可通过能力。2）针对核电机器人在核岛内运行时对复杂环境迅速做出可靠安全的路径规划需求，为了解决多边形相交情况下的最邻近空间划分问题，提出了可相交凸多边形的维诺图。3）提出基于虚拟外骨骼的无标定视觉伺服系统，实现人机交互下缺失关节的柔顺控制，克服核辐射环境下由于通信中断等原因可能导致传回的核电机器人关节状态反馈的部分缺失问题。4）针对人机交互下的人机融合性，考虑到操作人员控制核岛内核电机器人时的人机融合性，以操作人员为整个系统的核心，用多传感融合后的信息表征操作人员的状态，利用非线性模型建立主动端输入与从动端输出和反馈之间的联系，增强操作人员对核电机器人的人机一体融合性。5）基于已有的半自主遥操作移动机器人平台，提出一种遥操作下的目标抓取策略，利用机器人末端夹持器的增强型刚度反馈机制，将目标物的刚度实时反馈到操作人员端，帮助半自主遥操作机器人的更加顺利完成目标抓取任务。6）提出了一种具有触觉的力控制遥操作方法，采用基于非时间参考的遥操作方法用于消除随机时延对系统的影响。该方法设计了力模糊控制器和神经网络用来增强控制方法的有效性，以使操作人员能够更加快速有效地调节控制力的大小。7）为了解决跨模态生成的图像效果差和多模态融合的数据缺乏等问题，提出了变分贝叶斯高斯混合条件生成对抗网络的跨模态多样性噪声数据生成式方法，利用多模态融合提升核电机器人对外界环境的感知能力。