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1、機械手遙操作三維預測仿真系統(tǒng)原理摘要三維預測仿真技術是目前解決大時延遙操作的主要方法，在機械手的遙操作中起著至關重要的作用。利用 3Dmax開發(fā)環(huán)境， 與Visual C + +、Unity3D相結合，建立搬運機器人的三維模型，本文介紹了搬運機械手系統(tǒng)及其遙操作分系 統(tǒng)組成，以及圖形預測仿真原理。仿真系統(tǒng)以小型機械手的運動學模型和動力學 模型進行驅動，具有快速、準確的圖形碰撞檢測功能。實現(xiàn)實時控制與實時仿真 的一體化。關鍵詞：機械手；三維預測仿真；遙操作。1 緒論1.1機械手簡介1.1.1機械手特點及遙操作三維預測仿真系統(tǒng)機械手是模仿人的手部動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運和操

2、作的自動裝置，一般由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及檢測裝置三大部分組成。 它特別是在咼溫、咼壓、多粉塵、易燃、易爆、放射性等惡劣環(huán)境中，以及笨重、 單調、頻繁的操作中代替人作業(yè)，因此獲得日益廣泛的應用。而小型化的機械手既可以深入人類無法到達的地方工作，也可以隨身攜帶， 成為人類日常生活的好幫手。由此可見，在未來的世界里，小巧靈活的機械手有 著巨大的發(fā)展前景。由于受機構 、控制、傳感及人工智能等支撐技術的制約 ， 從80年代開始普遍認為，實現(xiàn)完全自主的機器人是短期內難以達到的目標， 因此目前的研究重點是有人參與的局部自主遙操作系統(tǒng)。圖1.1機械手三維預測仿真1.2.1遙操作機械手系統(tǒng)介紹首先根據(jù)

3、遙機械手外形建立一個虛擬機械手三維外觀網格模型，再根據(jù)機械 手本體內部的關節(jié)及其他運動機構的位置，建立一個內嵌于網格模型下的骨骼模 型；經過坐標、數(shù)學模型轉換，把遙機械手運動學模型應用到虛擬機械手骨骼模 型上,實現(xiàn)遙機械手與機械手骨骼模型的運動學模型一致.通過無線發(fā)送把遙機 械手運動數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控端,利用Visual C + +編程計算把運動數(shù)據(jù)轉換成虛擬 機械手運動指令，運動指令控制骨骼模型運動，骨骼模型的運動同時驅動虛擬機 器人三維網格模型運動，虛擬機器人三維模型將產生一個與遙機器人同步運動的 動畫,從而實現(xiàn)了對遙操作機器人運動的三維監(jiān)控。2.1預測仿真子系統(tǒng)設計2.1.1圖形預測仿真原理

4、預測仿真的基本思想是基于系統(tǒng)模型，根據(jù)當前狀態(tài)和控制輸入，對系統(tǒng) 狀態(tài)進行預測，并以圖形的方式顯示給操作員。操作者在三維圖形仿真系統(tǒng)中操 作仿真模型，圖形預測仿真的流程為：首先在本地計算機建立遠端機器人及環(huán) 境的仿真模型；然后操作者根據(jù)仿真模型的反應進行連續(xù)操作，而不必等遙端 傳回狀態(tài)信息和視頻圖像；最后生成的遙操作命令經過安全檢查和碰撞檢測后 連續(xù)發(fā)送給遙端的機器人執(zhí)行。由于操作員與仿真圖形之間基本不存在時延，實際的機器人在幾秒的時延后跟隨仿真圖形的動作而動作，這樣就消除了時間延遲的影響?？臻g環(huán)境的不同使得模型參數(shù)發(fā)生了變化，所以必須對模型進行 校正來保證和真實情況接近。同時仿真過程中還會產

5、生積累誤差，當接收到機械 手的信息，對仿真過程的狀態(tài)進行校正，以消除仿真的累積誤差。2.2預測仿真子系統(tǒng)詳細設計ftpC圖2.2預測仿真子系統(tǒng)組成圖預測仿真子系統(tǒng)組成如圖2.2所示。為了便于整個遙操作分系統(tǒng)的開發(fā) 按模塊化的思想對各子系統(tǒng)進行單獨設計。預測仿真子系統(tǒng)包括：用戶界面模塊、三維模型模塊、運動學、動力 學及模型校正模塊、碰撞檢測模塊、網絡模塊、處理引擎模塊。處理引擎 模塊是各模塊互相連接的橋梁，負責各種對象的生成、管理和調度。用戶界面模 塊負責與操作者進行交互，提供人性化、友好的人機界面，進行狀態(tài)數(shù)據(jù)的顯示； 碰撞時發(fā)出視覺刺激信息并提供發(fā)生碰撞的位置信息；同時利用手控器實時控制機器

6、人的運動。三維模型模塊提供機械手及空間環(huán)境的三維模型。運動學、動力學模型及模型校正模塊是本系統(tǒng)的核心模塊 ，用于實時響應操作命令,對機械手 的運行狀態(tài)進行預測，以驅動圖形顯示。碰撞檢測模塊負責進行碰撞的檢測，并 在有危險發(fā)生時發(fā)出報警信號。網絡模塊負責與信息處理子系統(tǒng)和動力學模型工 作站的信息交換。3機械手仿真系統(tǒng)實現(xiàn)思路正運動學分析是利用已知機器人的所有關節(jié)角度和連桿長度來計算機械手 的位姿。而逆運動學分析則是利用機械手的每一個關節(jié)的角度和連桿的長度如何 使機械手放在一個期望的位置。下面先推機械手的正運動學方程，然后利用正運動學方程來計算逆運動學方程。3.1機械手正運動學算法思路假設搬運機械

7、手由若干桿件通過關節(jié)運動副裝配組成。搬運機械手是開鏈拓撲結構的多體系統(tǒng)，可以用拉格朗日多體運動學描述機 器人的運動行為。對實體機器人用Denavit-Hartenberg方法進行建模。具體的建模方法按以下規(guī)則：(1) Z n軸沿著第n個關節(jié)的運動軸；基坐標系的選擇為：當?shù)?關節(jié)變量為零時，零坐標系與1坐標系重合。(2) X n軸垂直于Zn軸并指向離開Zn軸的方向。(3) 丫 n軸的方向按右手定則確定。該仿真系統(tǒng)的R C-B系列機器人的部分節(jié)點建模如3.1.2圖所示。%圖3.1.2節(jié)點建模4基于Unity3D的搬運工業(yè)機器人仿真系統(tǒng)4.1利用3Dmax三維軟件建立搬運工業(yè)機器人的三維模型如圖4.

8、1所示圖4.1搬運工業(yè)機器人的三維模型4.2將搬運工業(yè)機器人的三維模型導入Unity3D場景中Unity3D程序首先創(chuàng)建設備環(huán)境和渲染環(huán)境。設置圖像格式及三維模型透視模 式，讓三維模型看起來有真實感。接下來讓搬運工業(yè)機器人運動起來。工業(yè)機 器人末端執(zhí)行器的運動軌跡及姿態(tài)的三維運動軌跡仿真結果，大體如圖4.2所示。圖4.2三維運動軌跡仿真結果4.3骨骼蒙皮動畫”技術以遙操作機器人為例，介紹遙操作機器人運動的實時三維監(jiān)控技術遙操作機器人運動的實時三維監(jiān)控技術機器人本體的三維模型介紹與運動分析在實際應用時，所用虛擬三維模型方法與骨骼動畫方法類似，但模型的運動 控制方式不同。普通骨骼蒙皮動畫在虛擬世界

9、中運動時，控制骨骼運動的運動數(shù) 據(jù)跟現(xiàn)實世界中的運動沒有聯(lián)系，而遙操作機器人運動時監(jiān)控到的運動數(shù)據(jù)是來 自現(xiàn)實世界，然后把這些真實運動數(shù)據(jù)轉換成虛擬三維機器人模型的運動控制指 令，使三維模型在運動數(shù)據(jù)的控制下產生與真實機器人同樣的動作。具體實現(xiàn)方法是：首先用尺子等量具仔細量取真實機器人的外觀大小和各部分比率尺寸，特別是要準確記錄機器人各運動電機、 關節(jié)在整個機器人本體中的位置，這一步很 關鍵，因為它對后面的虛擬機器人表面模型成型和骨骼模型運動關節(jié)定位都很重 要。然后使用3DMAX Maya等3D造型軟件，按照機器人外觀比率尺寸繪出一個 與之非常相似的三維模型，如圖1所示，利用3DMA）軟件繪制

10、出真實移動清洗機 器人3D外觀模型（圖1左），以及它的網格模型（圖431中）。圖431移動機器人外觀三維模型（帶貼圖）與它的表面網格模型 圖431左邊是一個兩關節(jié)移動機器人 3D MAX外觀三維模型圖，右邊是模型去掉表面貼圖和材質后的網格模型圖，其中網格模型是由許多三角形面片（圖5右）包裝起來的，在圖形學里這個叫網格模型埔1（Mesh model2 ing）,它是由一個個三角形面片元素構成的。虛擬空間中任何物體的幾何造型都可用許多三角 形小格連在一起包裝而成，這種模型的里面是中空的，只是外觀表面的殼，也叫 “表皮”，是用多個三角形面片包裹形成的一個空間曲面，這個曲面就像一張皮 蒙在機器人模型的

11、表面上，皮的宅間位置取決于皮上眾多三角形面頂點的幾何坐 標位置。光有了皮，只是有了外形，還不能動。要使具有機器人外形的三維模型 （如圖432所示）能動起來，需要把它附著到一個能產生運動的骨架的骨骼上 去，這樣虛擬機器人就有了完整的皮膚和骨骼。 骨骼的運動可以帶動表皮的運動， 看上去機器人三維模型就能行動自如了。圖432人形機器人三維網格模型5遙操作演示驗證實驗（選自文獻 2）5.1實驗條件目標抓捕中空間機器人飛行基座處于自由飛行模式（基座 姿態(tài) 受控）,FFSR姿態(tài)控制精度為土 0 .5 ,姿態(tài)穩(wěn)定度土 0.05 /s。實驗中設置了兩個特 殊位置，即捕獲準備位置和標稱停泊位置。當機械手末端坐標

12、系與捕獲手柄坐標 系重合（或者兩者的相對位置、姿態(tài)偏差）在某一閾值范圍內時，即認為目標 抓捕成功。限于篇幅，在此僅給出了典型的主從遙操作實驗的結果。5.2遙操作實驗結果利用該平臺，分別從廣州（華南理工大學計算機與科學工程學院）和西安 （西北工業(yè)大學航天學院）進行了多次遙操作實驗，以驗證所研制的預測仿真子 系統(tǒng)的有效性。操作者在三維圖形仿真系統(tǒng)中操作仿真模型，如圖5.2.1所示,其中線框模型為預測機器人，實體模型為反饋機器人。操作者利用手控器連續(xù)操 作預測機器人進行目標的抓捕，控制命令經過網絡傳送給地面驗證子系統(tǒng)，命令 經過緩沖后連續(xù)執(zhí)行，實驗結果如圖5.2.2所示。為了提高系統(tǒng)的安全性，當末端

13、 和目標的距離小于安全距離時，接近速度逐漸降低為零。實驗結果為手爪可以安全的將目標抓住，操作可以連續(xù)進行，相對于依賴反饋視頻的直接主從遙操作大大的提高了效率。圖521主從模式遙操作實驗圖形預測仿真圖圖5.2.2主從模式地面驗證實驗結果6三維預測仿真系統(tǒng)應用6.1空間機器人的遙操作空間機器人系統(tǒng)在未來的空間活動中具有越來越重要的作用，其中在軌服務、衛(wèi)星維修以及建造大的空間結構方面具有廣泛的應用前景。圖6.1圖6.1空間機器人6.2救援機器人的遙操作救援機器人，為救援而采取先進科學技術研制的機器人，如地震救援機器人, 它是一種專門用于大地震后在地下商場的廢墟中尋找幸存者執(zhí)行救援任務的機 器人。這種

14、機器人配備了彩色攝像機，熱成像儀和通訊系統(tǒng)。圖6.2圖6.2救援機器人6.3水下機器人的遙操作水下機器人也稱無人遙控潛水器，是一種工作于水下的極限作業(yè)機器人。 圖 6.3圖6.3水下機器人參考文獻：1 程智勇，李曉娟（廣州鐵路職業(yè)技術學院機電學院，廣東廣州510430）.搬運工業(yè)機器人的教學仿真系統(tǒng)設計2 王學謙，梁斌，李成，徐文福（1哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院， 深圳518055;2哈爾濱工業(yè)大學空間智能系統(tǒng)研究所，哈爾濱150001）.自由飛 行空間機器人遙操作三維預測仿真系統(tǒng)研究3 劉偉軍，朱 楓，董再勵（中國科學院沈陽自動化研究所機器人學開放研 究實驗室沈陽110015）.虛擬現(xiàn)實輔助

15、機器人遙操作技術研究4 曹文明，王耀南，印峰，伍錫如，夏漢民。（湖南大學電氣信息學院長沙 410082）.遙操作機器人運動的實時三維監(jiān)控方法研究5 雷振伍，李元春.大時延遙操作的三維預測顯示及力反饋控制研究 袁鋒：偉，李必文，何 彬（南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽421001）. 基于SolidWorks- VRML實現(xiàn)工業(yè)機器人在虛擬環(huán)境中建模問題或想法：問題一：圖形預測仿真的流程是什么？答：首先建立機械手及環(huán)境的仿真模型；然后操作者根據(jù)仿真模型的反應進行連續(xù) 操作,最后生成的遙操作命令經過安全檢查和碰撞檢測后連續(xù)發(fā)送給遙端的機器 人執(zhí)行。預測仿真子系統(tǒng)包括：用戶界面模塊、 三維模型模塊

16、、運動學、 動力學及模型校正模塊、碰撞檢測模塊、網絡模塊、處理引擎模塊。處理 引擎模塊是各模塊互相連接的橋梁，負責各種對象的生成、管理和調度。用戶界 面模塊負責與操作者進行交互，提供人性化、友好的人機界面，進行狀態(tài)數(shù)據(jù)的 顯示；碰撞時發(fā)出視覺刺激信息并提供發(fā)生碰撞的位置信息；同時利用手控器實時控制機器人的運動。三維模型模塊提供機械手及空間環(huán)境的三維模型。運動學、 動力學模型及模型校正模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，用于實時響應操作命令,對機 械手的運行狀態(tài)進行預測，以驅動圖形顯示。碰撞檢測模塊負責進行碰撞的檢測， 并在有危險發(fā)生時發(fā)出報警信號。網絡模塊負責與信息處理子系統(tǒng)和動力學模型 工作站的信息交換

17、。問題二：如何創(chuàng)建三維模型以及如何控制其運動？答：在精確測量機械手的結構大小后，首先用3Dmax建立機械手模型，再導入到Unity3D中，如果要使具有機械手外形的模型能動起來，需要把它附著到一個能 產生運動的骨架的骨骼上。首先根據(jù)前面測出的機械手關節(jié)電機在本體上的確切位置。然后在機械手三維網格模型內部找到相應的機械手關節(jié)電機位置，在這些位置點上設置“骨骼關節(jié)點”，骨骼關節(jié)點位于兩段骨骼的連接處，關節(jié)點與關節(jié)點之間用骨骼相連， 所有骨骼和關節(jié)構成一個骨架，整個骨架就是機械手的骨骼模型。骨架上的骨骼是具有層級關系的：骨骼受關節(jié)旋轉而擺動，子關節(jié)運動受父 關節(jié)運動的影響，末級關節(jié)受與它相連的各級父關

18、節(jié)運動的影響， 這種開鏈式耦 合運動特點與真實機器人手臂關節(jié)運動相似，正因為兩者都具有這個特點，所以 骨骼模型能很好地模擬真實機器人手臂運動。機械手骨骼模型內嵌在三維模型內部， 而且在“骨骼蒙皮動畫”技術中兩者 還存在一種綁定關系，所以當整個骨骼模型運動時，整個網格三維模型也會跟著 一起運動；當骨骼模型按照機器人運動學模型運動時， 網格三維模型也會按機器 人運動學模型運動。演講內容PPT題目：機械手遙操作三維預測仿真系統(tǒng)原理機1手遙1作三集預豪仿真系址原理4卡酈行器傾詡淞及鍛淵 堆運聊曲佛和世桑環(huán)嵋*鱷03傅略丈氏m 班愎刪祖橫或*迂三鹹型 看商來有頁客畫。播下辛讓擁恒 工JHJ.器人羔動起主.工上機器 人末Mf老的運渤站灰姿態(tài) 龍三畢厲才孰說仿良箱耳