隧洞检测机器人用于隧洞隐患检测、隧洞防护等,其对减轻人类工作强度、避免发生重大事故等具有重要意义。由于受到智能控制、传感器水平等的限制,发展在复杂环境中全自主作业的机器人是当前难以达到的目标。融合机器人的局部自主和操作人员的高级决策的力反馈控制,可以提高机器人的作业能力。本文对隧洞检测机器人系统搭建和力反馈控制相关问题进行探讨。首先,推导差速驱动的移动机器人运动学模型,建立里程计直线模型和圆弧模型;搭建远端履带式移动机器人平台和近端操控平台,二者通过无线网桥通信,机器人搭载激光雷达、摄像机和编码器等传感器,操控平台配置了力反馈操纵杆;采用多线程技术,设计基于TCP/IP通信协议的服务端和客户端软件。其次,采用操纵杆位置坐标与机器人速度成指数型非线性变换的方法,解决线性变换方法存在的操控难度大的问题。在指数型非线性变换下,机器人不会出现线速度和角速度同时很大的情况,并且机器人做直线运动时会更加稳定,从而降低操控难度。为了获得机器人作业过程中的环境信息,采用极坐标矢量法建立环境模型,应用滚动视窗原理,实时地识别出滚动视窗内的障碍物。再次,应用改进人工势场法,将机器人所受的势场力变换为反馈力,反馈的力觉、运动觉辅助操作人员操控机器人。通过人机信任模型调节反馈力的大小,以确定反馈力对操作人员的辅助程度。采用无源性控制方法解决由时延引起的系统不稳定问题。最后,搭建了半物理仿真平台和模拟隧洞环境,在长11m,宽1.5m的模拟隧洞环境中进行机器人物理样机的遥控方法实验、反馈力设计方法实验和误操作实验,验证了机器人遥控方法和力反馈控制的有效性。进行力反馈控制性能评价实验,机器人行走完全程,有力反馈比没力反馈平均没人每次实验所用时间缩短3.21s、碰撞次数减少了2.75次,平均每次采样的最小距离的平均值增加了0.02m,证明了力反馈控制提高了操控性能。