机械手遥操作三维预测仿真系统原理

机械手遥操作三维预测仿真系统原理摘要三维预测仿真技术是目前解决大时延遥操作的主要方法，在机械手的遥操作中起着至关重要的作用。利用 3Dmax开发环境， 与Visual C + +、Unity3D相结合，建立搬运机器人的三维模型，本文介绍了搬运机械手系统及其遥操作分系 统组成，以及图形预测仿真原理。仿真系统以小型机械手的运动学模型和动力学 模型进行驱动，具有快速、准确的图形碰撞检测功能。实现实时控制与实时仿真 的一体化。关键词：机械手；三维预测仿真；遥操作。1 绪论1.1机械手简介1.1.1机械手特点及遥操作三维预测仿真系统机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操 作的自动装置，一般由执行机构、驱动系统、控制系统及检测装置三大部分组成。 它特别是在咼温、咼压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、 单调、频繁的操作中代替人作业，因此获得日益广泛的应用。而小型化的机械手既可以深入人类无法到达的地方工作，也可以随身携带， 成为人类日常生活的好帮手。由此可见，在未来的世界里，小巧灵活的机械手有 着巨大的发展前景。由于受机构 、控制、传感及人工智能等支撑技术的制约 ， 从80年代开始普遍认为，实现完全自主的机器人是短期内难以达到的目标， 因此目前的研究重点是有人参与的局部自主遥操作系统。图1.1机械手三维预测仿真1.2.1遥操作机械手系统介绍首先根据遥机械手外形建立一个虚拟机械手三维外观网格模型，再根据机械 手本体内部的关节及其他运动机构的位置，建立一个内嵌于网格模型下的骨骼模 型；经过坐标、数学模型转换，把遥机械手运动学模型应用到虚拟机械手骨骼模 型上,实现遥机械手与机械手骨骼模型的运动学模型一致.通过无线发送把遥机 械手运动数据传输到监控端,利用Visual C + +编程计算把运动数据转换成虚拟 机械手运动指令，运动指令控制骨骼模型运动，骨骼模型的运动同时驱动虚拟机 器人三维网格模型运动，虚拟机器人三维模型将产生一个与遥机器人同步运动的 动画,从而实现了对遥操作机器人运动的三维监控。2.1预测仿真子系统设计2.1.1图形预测仿真原理预测仿真的基本思想是基于系统模型，根据当前状态和控制输入，对系统 状态进行预测，并以图形的方式显示给操作员。操作者在三维图形仿真系统中操 作仿真模型，图形预测仿真的流程为：首先在本地计算机建立远端机器人及环 境的仿真模型；然后操作者根据仿真模型的反应进行连续操作，而不必等遥端 传回状态信息和视频图像；最后生成的遥操作命令经过安全检查和碰撞检测后 连续发送给遥端的机器人执行。由于操作员与仿真图形之间基本不存在时延，实际的机器人在几秒的时延后跟随仿真图形的动作而动作，这样就消除了时间延迟的影响。空间环境的不同使得模型参数发生了变化，所以必须对模型进行 校正来保证和真实情况接近。同时仿真过程中还会产生积累误差，当接收到机械 手的信息，对仿真过程的状态进行校正，以消除仿真的累积误差。2.2预测仿真子系统详细设计ftpC图2.2预测仿真子系统组成图预测仿真子系统组成如图2.2所示。为了便于整个遥操作分系统的开发 按模块化的思想对各子系统进行单独设计。预测仿真子系统包括：用户界面模块、三维模型模块、运动学、动力 学及模型校正模块、碰撞检测模块、网络模块、处理引擎模块。处理引擎 模块是各模块互相连接的桥梁，负责各种对象的生成、管理和调度。用户界面模 块负责与操作者进行交互，提供人性化、友好的人机界面，进行状态数据的显示； 碰撞时发出视觉刺激信息并提供发生碰撞的位置信息；同时利用手控器实时控制机器人的运动。三维模型模块提供机械手及空间环境的三维模型。运动学、动力学模型及模型校正模块是本系统的核心模块 ，用于实时响应操作命令,对机械手 的运行状态进行预测，以驱动图形显示。碰撞检测模块负责进行碰撞的检测，并 在有危险发生时发出报警信号。网络模块负责与信息处理子系统和动力学模型工 作站的信息交换。3机械手仿真系统实现思路正运动学分析是利用已知机器人的所有关节角度和连杆长度来计算机械手 的位姿。而逆运动学分析则是利用机械手的每一个关节的角度和连杆的长度如何 使机械手放在一个期望的位置。下面先推机械手的正运动学方程，然后利用正运动学方程来计算逆运动学方程。3.1机械手正运动学算法思路假设搬运机械手由若干杆件通过关节运动副装配组成。搬运机械手是开链拓扑结构的多体系统，可以用拉格朗日多体运动学描述机 器人的运动行为。对实体机器人用Denavit-Hartenberg方法进行建模。具体的建模方法按以下规则：(1) Z n轴沿着第n个关节的运动轴；基坐标系的选择为：当第1关节变量为零时，零坐标系与1坐标系重合。(2) X n轴垂直于Zn轴并指向离开Zn轴的方向。(3) 丫 n轴的方向按右手定则确定。该仿真系统的R C-B系列机器人的部分节点建模如3.1.2图所示。%图3.1.2节点建模4基于Unity3D的搬运工业机器人仿真系统4.1利用3Dmax三维软件建立搬运工业机器人的三维模型如图4.1所示图4.1搬运工业机器人的三维模型4.2将搬运工业机器人的三维模型导入Unity3D场景中Unity3D程序首先创建设备环境和渲染环境。设置图像格式及三维模型透视模 式，让三维模型看起来有真实感。接下来让搬运工业机器人运动起来。工业机 器人末端执行器的运动轨迹及姿态的三维运动轨迹仿真结果，大体如图4.2所示。图4.2三维运动轨迹仿真结果4.3骨骼蒙皮动画”技术以遥操作机器人为例，介绍遥操作机器人运动的实时三维监控技术遥操作机器人运动的实时三维监控技术机器人本体的三维模型介绍与运动分析在实际应用时，所用虚拟三维模型方法与骨骼动画方法类似，但模型的运动 控制方式不同。普通骨骼蒙皮动画在虚拟世界中运动时，控制骨骼运动的运动数 据跟现实世界中的运动没有联系，而遥操作机器人运动时监控到的运动数据是来 自现实世界，然后把这些真实运动数据转换成虚拟三维机器人模型的运动控制指 令，使三维模型在运动数据的控制下产生与真实机器人同样的动作。具体实现方法是：首先用尺子等量具仔细量取真实机器人的外观大小和各部分比率尺寸，特别是要准确记录机器人各运动电机、 关节在整个机器人本体中的位置，这一步很 关键，因为它对后面的虚拟机器人表面模型成型和骨骼模型运动关节定位都很重 要。然后使用3DMAX Maya等3D造型软件，按照机器人外观比率尺寸绘出一个 与之非常相似的三维模型，如图1所示，利用3DMA）软件绘制出真实移动清洗机 器人3D外观模型（图1左），以及它的网格模型（图431中）。图431移动机器人外观三维模型（带贴图）与它的表面网格模型 图431左边是一个两关节移动机器人 3D MAX外观三维模型图，右边是模型去掉表面贴图和材质后的网格模型图，其中网格模型是由许多三角形面片（图5右）包装起来的，在图形学里这个叫网格模型埔1（Mesh model2 ing）,它是由一个个三角形面片元素构成的。虚拟空间中任何物体的几何造型都可用许多三角 形小格连在一起包装而成，这种模型的里面是中空的，只是外观表面的壳，也叫 “表皮”，是用多个三角形面片包裹形成的一个空间曲面，这个曲面就像一张皮 蒙在机器人模型的表面上，皮的宅间位置取决于皮上众多三角形面顶点的几何坐 标位置。光有了皮，只是有了外形，还不能动。要使具有机器人外形的三维模型 （如图432所示）能动起来，需要把它附着到一个能产生运动的骨架的骨骼上 去，这样虚拟机器人就有了完整的皮肤和骨骼。 骨骼的运动可以带动表皮的运动， 看上去机器人三维模型就能行动自如了。图432人形机器人三维网格模型5遥操作演示验证实验（选自文献 2）5.1实验条件目标抓捕中空间机器人飞行基座处于自由飞行模式（基座 姿态 受控）,FFSR姿态控制精度为土 0 .5 ,姿态稳定度土 0.05 /s。实验中设置了两个特 殊位置，即捕获准备位置和标称停泊位置。当机械手末端坐标系与捕获手柄坐标 系重合（或者两者的相对位置、姿态偏差）在某一阈值范围内时，即认为目标 抓捕成功。限于篇幅，在此仅给出了典型的主从遥操作实验的结果。5.2遥操作实验结果利用该平台，分别从广州（华南理工大学计算机与科学工程学院）和西安 （西北工业大学航天学院）进行了多次遥操作实验，以验证所研制的预测仿真子 系统的有效性。操作者在三维图形仿真系统中操作仿真模型，如图5.2.1所示,其中线框模型为预测机器人，实体模型为反馈机器人。操作者利用手控器连续操 作预测机器人进行目标的抓捕，控制命令经过网络传送给地面验证子系统，命令 经过缓冲后连续执行，实验结果如图5.2.2所示。为了提高系统的安全性，当末端 和目标的距离小于安全距离时，接近速度逐渐降低为零。实验结果为手爪可以安全的将目标抓住，操作可以连续进行，相对于依赖反馈视频的直接主从遥操作大大的提高了效率。图521主从模式遥操作实验图形预测仿真图图5.2.2主从模式地面验证实验结果6三维预测仿真系统应用6.1空间机器人的遥操作空间机器人系统在未来的空间活动中具有越来越重要的作用，其中在轨服务、卫星维修以及建造大的空间结构方面具有广泛的应用前景。图6.1图6.1空间机器人6.2救援机器人的遥操作救援机器人，为救援而采取先进科学技术研制的机器人，如地震救援机器人, 它是一种专门用于大地震后在地下商场的废墟中寻找幸存者执行救援任务的机 器人。这种机器人配备了彩色摄像机，热成像仪和通讯系统。图6.2图6.2救援机器人6.3水下机器人的遥操作水下机器人也称无人遥控潜水器，是一种工作于水下的极限作业机器人。 图 6.3图6.3水下机器人参考文献：1 程智勇，李晓娟（广州铁路职业技术学院机电学院，广东广州510430）.搬运工业机器人的教学仿真系统设计2 王学谦，梁斌，李成，徐文福（1哈尔滨工业大学深圳研究生院， 深圳518055;2哈尔滨工业大学空间智能系统研究所，哈尔滨150001）.自由飞 行空间机器人遥操作三维预测仿真系统研究3 刘伟军，朱 枫，董再励（中国科学院沈阳自动化研究所机器人学开放研 究实验室沈阳110015）.虚拟现实辅助机器人遥操作技术研究4 曹文明，王耀南，印峰，伍锡如，夏汉民。（湖南大学电气信息学院长沙 410082）.遥操作机器人运动的实时三维监控方法研究5 雷振伍，李元春.大时延遥操作的三维预测显示及力反馈控制研究 袁锋：伟，李必文，何 彬（南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳421001）. 基于SolidWorks- VRML实现工业机器人在虚拟环境中建模问题或想法：问题一：图形预测仿真的流程是什么？答：首先建立机械手及环境的仿真模型；然后操作者根据仿真模型的反应进行连续 操作,最后生成的遥操作命令经过安全检查和碰撞检测后连续发送给遥端的机器 人执行。预测仿真子系统包括：用户界面模块、 三维模型模块、运动学、 动力学及模型校正模块、碰撞检测模块、网络模块、处理引擎模块。处理 引擎模块是各模块互相连接的桥梁，负责各种对象的生成、管理和调度。用户界 面模块负责与操作者进行交互，提供人性化、友好的人机界面，进行状态数据的 显示；碰撞时发出视觉刺激信息并提供发生碰撞的位置信息；同时利用手控器实时控制机器人的运动。三维模型模块提供机械手及空间环境的三维模型。运动学、 动力学模型及模型校正模块是本系统的核心模块，用于实时响应操作命令,对机 械手的运行状态进行预测，以驱动图形显示。碰撞检测模块负责进行碰撞的检测， 并在有危险发生时发出报警信号。网络模块负责与信息处理子系统和动力学模型 工作站的信息交换。问题二：如何创建三维模型以及如何控制其运动？答：在精确测量机械手的结构大小后，首先用3Dmax建立机械手模型，再导入到Unity3D中，如果要使具有机械手外形的模型能动起来，需要把它附着到一个能 产生运动的骨架的骨骼上。首先根据前面测出的机械手关节电机在本体上的确切位置。然后在机械手三维网格模型内部找到相应的机械手关节电机位置，在这些位置点上设置“骨骼关节点”，骨骼关节点位于两段骨骼的连接处，关节点与关节点之间用骨骼相连， 所有骨骼和关节构成一个骨架，整个骨架就是机械手的骨骼模型。骨架上的骨骼是具有层级关系的：骨骼受关节旋转而摆动，子关节运动受父 关节运动的影响，末级关节受与它相连的各级父关节运动的影响， 这种开链式耦 合运动特点与真实机器人手臂关节运动相似，正因为两者都具有这个特点，所以 骨骼模型能很好地模拟真实机器人手臂运动。机械手骨骼模型内嵌在三维模型内部， 而且在“骨骼蒙皮动画”技术中两者 还存在一种绑定关系，所以当整个骨骼模型运动时，整个网格三维模型也会跟着 一起运动；当骨骼模型按照机器人运动学模型运动时， 网格三维模型也会按机器 人运动学模型运动。演讲内容PPT题目：机械手遥操作三维预测仿真系统原理机1手遥1作三集预豪仿真系址原理4卡郦行器倾詡淞及锻渊 堆运聊曲佛和世桑环嵋*鱷03傅略丈氏m 班愎删祖横或*迂三鹹型 看商来有頁客画。播下辛让擁恒 工JHJ.器人羔动起主.工上机器 人末Mf老的运渤站灰姿态 龍三毕厲才孰说仿良箱耳