機(jī)械手遙操作三維預(yù)測仿真系統(tǒng)原理

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1、 機(jī)械手遙操作三維預(yù)測仿真系統(tǒng)原理 摘要 三維預(yù)測仿真技術(shù)是目前解決大時延遙操作的主要方法 ，在機(jī)械手的遙操作中 起著至關(guān)重要的作用。利用 3Dmax開發(fā)環(huán)境， 與Visual C + + 、Unity3D相 結(jié)合，建立搬運(yùn)機(jī)器人的三維模型，本文介紹了搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)及其遙操作分系 統(tǒng)組成，以及圖形預(yù)測仿真原理。仿真系統(tǒng)以小型機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)模型和動力學(xué) 模型進(jìn)行驅(qū)動，具有快速、準(zhǔn)確的圖形碰撞檢測功能。實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制與實(shí)時仿真 的一體化。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手；三維預(yù)測仿真；遙操作。 1 緒論 1.1 機(jī)械手簡介 1.1.1機(jī)械手特點(diǎn)及遙操作三維預(yù)測仿真系統(tǒng) 機(jī)械手是模仿人的手部動作，

2、按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動抓取、搬運(yùn)和操 作的自動裝置，一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)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(diào)、頻繁的操作中代替人作業(yè)，因此獲得日益廣泛的應(yīng)用。 而小型化的機(jī)械手既可以深入人類無法到達(dá)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(jī)械手有 著巨大的發(fā)展前景。由于受機(jī)構(gòu) 、控制、傳感及人工智能等支撐技術(shù)的制約 ， 從80年代開始普遍認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)完全自主的機(jī)器人是短期內(nèi)難以達(dá)到的目標(biāo)， 因此目前的研究重點(diǎn)是有人參與的局部自主遙操作系統(tǒng)。 圖1.

3、1機(jī)械手三維預(yù)測仿真 1.2.1遙操作機(jī)械手系統(tǒng)介紹 首先根據(jù)遙機(jī)械手外形建立一個虛擬機(jī)械手三維外觀網(wǎng)格模型，再根據(jù)機(jī)械 手本體內(nèi)部的關(guān)節(jié)及其他運(yùn)動機(jī)構(gòu)的位置，建立一個內(nèi)嵌于網(wǎng)格模型下的骨骼模 型；經(jīng)過坐標(biāo)、數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換，把遙機(jī)械手運(yùn)動學(xué)模型應(yīng)用到虛擬機(jī)械手骨骼模 型上,實(shí)現(xiàn)遙機(jī)械手與機(jī)械手骨骼模型的運(yùn)動學(xué)模型一致.通過無線發(fā)送把遙機(jī) 械手運(yùn)動數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控端,利用Visual C + +編程計(jì)算把運(yùn)動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成虛擬 機(jī)械手運(yùn)動指令，運(yùn)動指令控制骨骼模型運(yùn)動，骨骼模型的運(yùn)動同時驅(qū)動虛擬機(jī) 器人三維網(wǎng)格模型運(yùn)動，虛擬機(jī)器人三維模型將產(chǎn)生一個與遙機(jī)器人同步運(yùn)動的 動畫,從而實(shí)現(xiàn)了對遙

4、操作機(jī)器人運(yùn)動的三維監(jiān)控。 2.1預(yù)測仿真子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1.1圖形預(yù)測仿真原理 預(yù)測仿真的基本思想是基于系統(tǒng)模型，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和控制輸入，對系統(tǒng) 狀態(tài)進(jìn)行預(yù)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(yù)測仿真的流程為：首先在本地計(jì)算機(jī)建立遠(yuǎn)端機(jī)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(yīng)進(jìn)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(jīng)過安全檢查和碰撞檢測后 連續(xù)發(fā)送給遙端的機(jī)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(shí)際的機(jī)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

5、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(jìn)行 校正來保證和真實(shí)情況接近。同時仿真過程中還會產(chǎn)生積累誤差，當(dāng)接收到機(jī)械 手的信息，對仿真過程的狀態(tài)進(jìn)行校正，以消除仿真的累積誤差。 2.2預(yù)測仿真子系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì) \ ftp C 圖2.2預(yù)測仿真子系統(tǒng)組成圖 預(yù)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(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。 預(yù)測仿真子系統(tǒng)包括：①用戶界面模塊、②三維模型模塊、③運(yùn)動學(xué)、動力 學(xué)及模型校正模塊、④碰撞檢測模塊、⑤網(wǎng)絡(luò)模塊、⑥處理引擎模塊。處理引擎 模塊是各模塊互相連接的橋梁，負(fù)責(zé)各種對象的生成、管理和調(diào)度。用

6、戶界面模 塊負(fù)責(zé)與操作者進(jìn)行交互，提供人性化、友好的人機(jī)界面，進(jìn)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(shí)時控制 機(jī)器人的運(yùn)動。三維模型模塊提供機(jī)械手及空間環(huán)境的三維模型。運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)模型及模型校正模塊是本系統(tǒng)的核心模塊 ，用于實(shí)時響應(yīng)操作命令,對機(jī)械手 的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，以驅(qū)動圖形顯示。碰撞檢測模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行碰撞的檢測，并 在有危險(xiǎn)發(fā)生時發(fā)出報(bào)警信號。網(wǎng)絡(luò)模塊負(fù)責(zé)與信息處理子系統(tǒng)和動力學(xué)模型工 作站的信息交換。 3機(jī)械手仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)思路 正運(yùn)動學(xué)分析是利用已知機(jī)器人的所有關(guān)節(jié)角度和連桿長度來計(jì)算機(jī)械手 的位姿。而逆運(yùn)動學(xué)分析則是利用機(jī)械手

7、的每一個關(guān)節(jié)的角度和連桿的長度如何 使機(jī)械手放在一個期望的位置。下面先推機(jī)械手的正運(yùn)動學(xué)方程， 然后利用正 運(yùn)動學(xué)方程來計(jì)算逆運(yùn)動學(xué)方程。 3.1機(jī)械手正運(yùn)動學(xué)算法思路 假設(shè)搬運(yùn)機(jī)械手由若干桿件通過關(guān)節(jié)運(yùn)動副裝配組成。 搬運(yùn)機(jī)械手是開鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多體系統(tǒng)，可以用拉格朗日多體運(yùn)動學(xué)描述機(jī) 器人的運(yùn)動行為。對實(shí)體機(jī)器人用Denavit-Hartenberg 方法進(jìn)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(guān)節(jié)的運(yùn)動軸；基坐標(biāo)系 的選擇為：當(dāng)?shù)?關(guān)節(jié)變量為零時，零坐標(biāo)系與1坐標(biāo)系重合。 (2) X n軸垂直于Zn軸并指向離開Zn軸的方向。 (3) 丫

8、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(jī)器人的部分節(jié)點(diǎn)建模 如3.1.2圖所示。 % 圖3.1.2節(jié)點(diǎn)建模 4基于Unity3D的搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人仿真系統(tǒng) 4.1利用3Dmax三維軟件建立搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人的三維模型 如圖4.1所示 圖4.1搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人的三維模型 4.2將搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人的三維模型導(dǎo)入 Unity3D場景中 Unity3D程序首先創(chuàng)建設(shè)備環(huán)境和渲染環(huán)境。設(shè)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(shí)感。接下來讓搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動起來。工業(yè)機(jī) 器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動軌跡及姿態(tài)的三維運(yùn)動軌跡仿真結(jié)果，大體如圖 4.2所 示。

9、 圖4.2三維運(yùn)動軌跡仿真結(jié)果 4.3骨骼蒙皮動畫”技術(shù) 以遙操作機(jī)器人為例，介紹遙操作機(jī)器人運(yùn)動的實(shí)時三維監(jiān)控技術(shù) 遙操作機(jī)器人運(yùn)動的實(shí)時三維監(jiān)控技術(shù) 機(jī)器人本體的三維模型介紹與運(yùn)動分析 在實(shí)際應(yīng)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(yùn)動 控制方式不同。普通骨骼蒙皮動畫在虛擬世界中運(yùn)動時，控制骨骼運(yùn)動的運(yùn)動數(shù) 據(jù)跟現(xiàn)實(shí)世界中的運(yùn)動沒有聯(lián)系，而遙操作機(jī)器人運(yùn)動時監(jiān)控到的運(yùn)動數(shù)據(jù)是來 自現(xiàn)實(shí)世界，然后把這些真實(shí)運(yùn)動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成虛擬三維機(jī)器人模型的運(yùn)動控制指 令，使三維模型在運(yùn)動數(shù)據(jù)的控制下產(chǎn)生與真實(shí)機(jī)器人同樣的動作。 具體實(shí)現(xiàn)方 法是：首先用尺子等量具仔細(xì)量取真實(shí)

10、機(jī)器人的外觀大小和各部分比率尺寸， 特 別是要準(zhǔn)確記錄機(jī)器人各運(yùn)動電機(jī)、 關(guān)節(jié)在整個機(jī)器人本體中的位置，這一步很 關(guān)鍵，因?yàn)樗鼘竺娴奶摂M機(jī)器人表面模型成型和骨骼模型運(yùn)動關(guān)節(jié)定位都很重 要。然后使用3DMAX Maya等3D造型軟件，按照機(jī)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）軟件繪制出真實(shí)移動清洗機(jī) 器人3D外觀模型（圖1左），以及它的網(wǎng)格模型（圖431中）。 圖431移動機(jī)器人外觀三維模型（帶貼圖）與它的表面網(wǎng)格模型 圖431左邊是一個兩關(guān)節(jié)移動機(jī)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(zhì)后的網(wǎng)格模型圖，其中網(wǎng)格模型

11、是由許多三角形面片 （圖 5右）包裝起來的，在圖形學(xué)里這個叫網(wǎng)格模型埔 1（Mesh model2 ing）,它是由 一個個三角形面片元素構(gòu)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(jī)器人模型的表面上，皮的宅間位置取決于皮上眾多三角形面頂點(diǎn)的幾何坐 標(biāo)位置。光有了皮，只是有了外形，還不能動。要使具有機(jī)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(chǎn)生運(yùn)動的骨架的骨骼上 去，這樣虛擬機(jī)器人就有了完整的皮膚和骨骼。 骨

12、骼的運(yùn)動可以帶動表皮的運(yùn)動， 看上去機(jī)器人三維模型就能行動自如了。 圖432人形機(jī)器人三維網(wǎng)格模型 5遙操作演示驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)（選自文獻(xiàn) 2） 5.1實(shí)驗(yàn)條件 目標(biāo)抓捕中空間機(jī)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(shí)驗(yàn)中設(shè)置了兩個特 殊位置，即捕獲準(zhǔn)備位置和標(biāo)稱停泊位置。當(dāng)機(jī)械手末端坐標(biāo)系與捕獲手柄坐標(biāo) 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(nèi)時，即認(rèn)為目標(biāo) 抓捕成功。限于篇幅，在此僅給出了典型的主從遙操作實(shí)驗(yàn)的結(jié)果 。 5.2遙操作實(shí)驗(yàn)結(jié)果 利用該平臺，分別從廣州（華南理工大

13、學(xué)計(jì)算機(jī)與科學(xué)工程學(xué)院）和西安 （西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院）進(jìn)行了多次遙操作實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證所研制的預(yù)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(yù)測機(jī)器人，實(shí)體模型為反饋機(jī)器人。操作者利用手控器連續(xù)操 作預(yù)測機(jī)器人進(jìn)行目標(biāo)的抓捕，控制命令經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳送給地面驗(yàn)證子系統(tǒng)，命令 經(jīng)過緩沖后連續(xù)執(zhí)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5.2.2所示。為了提高系統(tǒng)的安全性，當(dāng)末端 和目標(biāo)的距離小于安全距離時，接近速度逐漸降低為零。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果為手爪可以安全的將目標(biāo)抓住 ，操作可以連續(xù)進(jìn)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

14、操作實(shí)驗(yàn)圖形預(yù)測仿真圖 圖5.2.2 主從模式地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果 6三維預(yù)測仿真系統(tǒng)應(yīng)用 6.1空間機(jī)器人的遙操作 空間機(jī)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(wù)、衛(wèi)星維修以及建造大的空間結(jié)構(gòu)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。圖 6.1 圖6.1空間機(jī)器人 6.2救援機(jī)器人的遙操作 救援機(jī)器人，為救援而采取先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研制的機(jī)器人，如地震救援機(jī)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(wù)的機(jī) 器人。這種機(jī)器人配備了彩色攝像機(jī)，熱成像儀和通訊系統(tǒng)。圖 6.2 圖6.2救援機(jī)器人 6.3水下機(jī)

15、器人的遙操作 水下機(jī)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(jī)器人。 圖 6.3 圖6.3水下機(jī)器人 參考文獻(xiàn)： [1] 程智勇，李曉娟（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院， 廣東廣州 510430）.搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人的教學(xué)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì) [2] 王學(xué)謙，梁斌，李成，徐文福（1?哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院， 深圳518055;2?哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間智能系統(tǒng)研究所，哈爾濱150001）.自由飛 行空間機(jī)器人遙操作三維預(yù)測仿真系統(tǒng)研究 [3] 劉偉軍，朱 楓，董再勵（中國科學(xué)院沈陽自動化研究所機(jī)器人學(xué)開放研 究實(shí)驗(yàn)室沈陽110015）.虛擬現(xiàn)實(shí)輔助機(jī)器人遙操作技術(shù)研究 [

16、4] 曹文明，王耀南，印峰，伍錫如，夏漢民。（湖南大學(xué)電氣信息學(xué)院長沙 410082）.遙操作機(jī)器人運(yùn)動的實(shí)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(yù)測顯示及力反饋控制研究 ⑹ 袁鋒：偉，李必文，何 彬（南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽421001）. 基于SolidWorks- VRML實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人在虛擬環(huán)境中建模 問題或想法： 問題一：圖形預(yù)測仿真的流程是什么？ 答： 首先建立機(jī)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(yīng)進(jìn)行連續(xù) 操作,最后生成的遙操作命令經(jīng)過安全檢查和碰撞檢測后連續(xù)發(fā)送給遙端的機(jī)器 人執(zhí)行。 預(yù)測仿真子系統(tǒng)包括：①用戶界面模

17、塊、② 三維模型模塊、③運(yùn)動學(xué)、 動力學(xué)及模型校正模塊、④碰撞檢測模塊、⑤網(wǎng)絡(luò)模塊、⑥處理引擎模塊。處理 引擎模塊是各模塊互相連接的橋梁，負(fù)責(zé)各種對象的生成、管理和調(diào)度。用戶界 面模塊負(fù)責(zé)與操作者進(jìn)行交互，提供人性化、友好的人機(jī)界面，進(jìn)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(shí) 時控制機(jī)器人的運(yùn)動。三維模型模塊提供機(jī)械手及空間環(huán)境的三維模型。運(yùn)動學(xué)、 動力學(xué)模型及模型校正模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，用于實(shí)時響應(yīng)操作命令,對機(jī) 械手的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，以驅(qū)動圖形顯示。碰撞檢測模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行碰撞的檢測， 并在有危險(xiǎn)發(fā)生時發(fā)出報(bào)警信號。網(wǎng)絡(luò)模塊負(fù)責(zé)與信息處理子

18、系統(tǒng)和動力學(xué)模型 工作站的信息交換。 問題二：如何創(chuàng)建三維模型以及如何控制其運(yùn)動？ 答： 在精確測量機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大小后，首先用 3Dmax建立機(jī)械手模型，再導(dǎo)入到 Unity3D中，如果要使具有機(jī)械手外形的模型能動起來，需要把它附著到一個能 產(chǎn)生運(yùn)動的骨架的骨骼上。 首先根據(jù)前面測出的機(jī)械手關(guān)節(jié)電機(jī)在本體上的確切位置。 然后在機(jī)械手三 維網(wǎng)格模型內(nèi)部找到相應(yīng)的機(jī)械手關(guān)節(jié)電機(jī)位置， 在這些位置點(diǎn)上設(shè)置“骨骼關(guān) 節(jié)點(diǎn)”，骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)位于兩段骨骼的連接處，關(guān)節(jié)點(diǎn)與關(guān)節(jié)點(diǎn)之間用骨骼相連， 所有骨骼和關(guān)節(jié)構(gòu)成一個骨架，整個骨架就是機(jī)械手的骨骼模型。 骨架上的骨骼是具有層級關(guān)系的：骨骼受關(guān)節(jié)

19、旋轉(zhuǎn)而擺動，子關(guān)節(jié)運(yùn)動受父 關(guān)節(jié)運(yùn)動的影響，末級關(guān)節(jié)受與它相連的各級父關(guān)節(jié)運(yùn)動的影響， 這種開鏈?zhǔn)今?合運(yùn)動特點(diǎn)與真實(shí)機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)運(yùn)動相似，正因?yàn)閮烧叨季哂羞@個特點(diǎn)，所以 骨骼模型能很好地模擬真實(shí)機(jī)器人手臂運(yùn)動。 機(jī)械手骨骼模型內(nèi)嵌在三維模型內(nèi)部， 而且在“骨骼蒙皮動畫”技術(shù)中兩者 還存在一種綁定關(guān)系，所以當(dāng)整個骨骼模型運(yùn)動時，整個網(wǎng)格三維模型也會跟著 一起運(yùn)動；當(dāng)骨骼模型按照機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型運(yùn)動時， 網(wǎng)格三維模型也會按機(jī)器 人運(yùn)動學(xué)模型運(yùn)動。 演講內(nèi)容PPT 題目：機(jī)械手遙操作三維預(yù)測仿真系統(tǒng)原理 機(jī)1手遙1?作三集預(yù)豪仿真系址原理 4卡酈行器傾詡淞及鍛淵 堆運(yùn)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(jī)器 人末㈱Mf老的運(yùn)渤站灰姿態(tài) 龍三畢厲才孰說仿良箱耳