基于眼动跟踪和力反馈的移动机器人编队远程控制系统

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多机器人系统通过合作能够执行比单机器人更复杂的任务而且具有更强的灵活性、容错性和环境适应性。然而,尽管近年来机器人的自主任务执行能力发展迅速,但复杂环境中,仍然需要人类以高级推理和规划的形式进行干预。因此将人类的智慧引入到多机器人系统的控制和决策中,相比于全自主的多机器人系统更具有现实意义。此外,如果主端的操作员可以接受来自从端的力触觉反馈,其临场感和反应能力将会得到显著的提高,因此利用力反馈设备与多机器人系统进行交互已经引起了广泛关注。然而利用力反馈设备与多机器人系统交互时,存在遥操作任务有限、交互不直观及操作员承担的操作负荷巨大等问题。对此,本文研究基于眼动跟踪和力反馈的移动机器人编队控制系统,以基于手眼双模态输入的远程控制为重点展开研究。首先设计了基于眼动跟踪的人机交互接口。对操作员的注视信息进行建模,建立注视点和停留时间与队形命令的映射关系。利用眼动仪获取操作员在图形交互界面上的注视点及停留时间,通过算法处理得到从端多机器人系统的期望队形。同时,提出了一种基于眼动跟踪和力反馈的移动机器人编队控制系统,该系统将多移动机器人的任务划分为两个层级:遥操作任务和自主任务。遥操作任务由操作员操控主端人机交互设备完成,力反馈设备的末端执行器用来产生多移动机器人的速度和队形大小命令。眼动仪通过捕捉操作员在图形用户界面上的注视点,生成期望队形形状命令。自主任务包括避障和队形保持等,由多机器人系统自主完成。同时从端多机器人系统通过力反馈设备将内部状态传递给主端操作员。最后进行了系统集成和实验验证,实验包括半实物仿真实验和实物实验。在半实物仿真实验的可行性分析中,设计了三个任务场景:覆盖任务、避障任务、编队任务。此外,为了评价本课题提出的远程控制系统的性能设计了对比实验,与传统的双边遥操作系统进行比较。利用转向熵、主任务效率和附加任务效率对实验结果进行定量分析,同时通过心理物理学实验定性评价了系统的性能。然后,在实物平台上综合验证了本课题提出的基于眼动跟踪和力反馈的多移动机器人远程控制系统的各项功能。实验结果表明,相比于仅利用力反馈设备控制多移动机器人的传统模式,在本课题提出的基于手眼双模态输入的遥操作系统中,操作员的认知负荷减少45.3%,主任务效率提高了35.5%,可承担的附加任务增加了43%。此外,用户普遍表示相比于传统的双边遥操作系统,本课题提出的远程控制系统的体验感更好,趣味性更强。
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