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基于细胞注射机器人的遥操作控制系统的研究与设计

作　者: 庄贤雯
导　师: 郝丽娜
学　校: 东北大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 遥操作主从控制视觉反馈力反馈 UDT协议
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 5次
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内容摘要

机器人遥操作系统是当前机器人领域中重要的前沿课题和研究热点,它可以拓展人类在太空、深海、核环境等危险情况下的作业能力,代替人类完成危险、恶劣以及极限环境下的作业任务,因而在诸多领域具有广阔的应用前景。随着网络技术的发展,网络作为通信媒介应用到遥操作机器人系统中,摆脱了原来的那种专人专机进行远程控制的状况,这不仅降低了系统的搭建成本,而且大大扩展了遥操作的远程控制距离。本文的遥操作系统是基于细胞注射机器人开发的,旨在探索遥操作技术在细胞注射微操作中的应用。本文主要工作有以下几个方面：(1)介绍了国内外遥操作机器人系统的发展现状和研究热点,对主从式遥操作力反馈控制系统进行动力学建模,并将动力学模型转化为二端口网络模型,对系统性能和稳定性进行了分析。(2)在遥操作系统中研究并使用了临场感技术,包括视觉临场感和力觉临场感。操作者在操作过程中能够观看到实时的远端实验视频,并能通过力反馈控制器实时感受到注射针的受力情况。(3)在使用网络进行通信的遥操作系统中,网络传输时延直接影响到系统的性能和稳定性。本文对遥操作系统的网络时延进行了分析,给出了网络时延计算模型,并在校园网范围内对图像传输产生的传输时延进行了测试。同时为了降低网络时延,提高网络传输效率,在通信实现中使用了UDT协议。UDT协议是基于UDP协议开发的,拥有较高的传输效率,并可保证数据传输的可靠性。(4)对遥操作系统中的各个功能模块进行了具体的实验测试,包括视觉反馈、力觉反馈、主从控制中机器人对主端控制器的位置跟踪等。本文所作的理论分析和实验测试验证了细胞注射机器人遥操作系统设计方案的可行性,为后续更深入的研究打下了基础。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-7
目录  7-10
第1章绪论  10-18
  1.1 课题研究的背景  10-11
  1.2 遥操作机器人概述  11-16
    1.2.1 主从式遥操作机器人  11-12
    1.2.2 基于网络通信的遥操作系统  12
    1.2.3 遥操作系统中的临场感技术  12-13
    1.2.4 力反馈控制器在遥操作系统中的应用  13-16
  1.3 国内外研究现状  16-17
    1.3.1 国外研究现状  16
    1.3.2 国内研究现况  16-17
  1.4 本课题研究内容  17-18
第2章遥操作细胞注射机器人系统的组成  18-30
  2.1 概述  18-19
  2.2 系统的硬件组成  19-24
    2.2.1 显微视觉子系统主要硬件组成  19-21
    2.2.2 细胞注射子系统主要硬件组成  21-24
    2.2.3 主端控制子系统硬件组成  24
  2.3 软件开发  24-26
    2.3.1 Visual C++  24-25
    2.3.2 OpenCV计算机视觉库  25
    2.3.3 Labview程序开发环境  25-26
  2.4 系统软件界面  26-28
    2.4.1 主端控制程序的界面  26
    2.4.2 从端显微视觉子系统的程序界面  26-27
    2.4.3 细胞注射子系统的程序界面  27-28
  2.5 本章小结  28-30
第3章遥操作细胞注射机器人系统的设计  30-48
  3.1 遥操作系统的概述  30
  3.2 主从控制  30-37
    3.2.1 遥操作控制系统的建立  30-31
    3.2.2 遥操作力反馈控制系统的动力学建模  31-32
    3.2.3 二端口网络模型的建立  32-34
    3.2.4 稳定性分析  34-35
    3.2.5 仿真分析  35-37
  3.3 视觉反馈  37-38
  3.4 力触觉反馈  38-43
    3.4.1 Novint Falcon力反馈控制器及编程开发环境  38-39
    3.4.2 力触觉交互算法  39-42
    3.4.3 力触觉反馈系统的设计  42-43
  3.5 图像分析部分  43-47
    3.5.1 细胞位置识别  43-46
    3.5.2 注射针识别  46-47
  3.6 本章小结  47-48
第4章遥操作控制系统的网络通信  48-60
  4.1 遥操作控制系统的时延分析  48-51
    4.1.1 时延分析  48-49
    4.1.2 网络时延模型计算  49-50
    4.1.3 网络时延测试  50-51
  4.2 UDT Protocol的使用  51-54
    4.2.1 UDT协议的特性  51-52
    4.2.2 UDT协议的层次架构  52
    4.2.3 UDT协议的拥塞控制机制  52-54
  4.3 网络通信的实现  54-59
    4.3.1 实时视觉反馈的通信实现  54-56
    4.3.2 力反馈信息的传输  56-58
    4.3.3 Falcon控制器位置控制信息的传输  58-59
  4.4 本章小结  59-60
第5章遥操作控制系统的实验  60-66
  5.1 注射机器人实验系统构成  60
  5.2 实验图像的传输显示  60-61
  5.3 力反馈实验数据分析  61-62
  5.4 注射机器人的位置跟踪实验  62-63
  5.5 对显微镜的远程控制  63-64
  5.6 本章小结  64-66
第6章总结与展望  66-68
  6.1 本文总结  66
  6.2 展望  66-68
参考文献  68-72
致谢  72-74
攻读硕士学位期间发表的论文  74-76
作者简介  76

基于细胞注射机器人的遥操作控制系统的研究与设计

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