機(jī)械手遙操作三維預(yù)測(cè)仿真系統(tǒng)原理

1、機(jī)械手遙操作三維預(yù)測(cè)仿真系統(tǒng)原理摘 要 三維預(yù)測(cè)仿真技術(shù)是目前解決大時(shí)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(cè)仿真原理。仿真系統(tǒng)以小型機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng), 具有快速、準(zhǔn)確的圖形碰撞檢測(cè)功能。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制與實(shí)時(shí)仿真的一體化。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；三維預(yù)測(cè)仿真；遙操作。1 緒論1.1 機(jī)械手簡(jiǎn)介1.1.1機(jī)械手特點(diǎn)及遙操作三維預(yù)測(cè)仿真系統(tǒng) 機(jī)械手是模仿人的手部動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取

2、、搬運(yùn)和操作的自動(dòng)裝置，一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及檢測(cè)裝置三大部分組成。它特別是在高溫、高壓、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1.1機(jī)械手三維預(yù)測(cè)仿真1.2.1遙操作機(jī)械手系統(tǒng)介紹

3、首先根據(jù)遙機(jī)械手外形建立一個(gè)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(dòng)機(jī)構(gòu)的位置,建立一個(gè)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(dòng)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(dòng)學(xué)模型一致.通過無線發(fā)送把遙機(jī)械手運(yùn)動(dòng)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(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成虛擬機(jī)械手運(yùn)動(dòng)指令,運(yùn)動(dòng)指令控制骨骼模型運(yùn)動(dòng),骨骼模型的運(yùn)動(dòng)同時(shí)驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)器人三維網(wǎng)格模型運(yùn)動(dòng),虛擬機(jī)器人三維模型將產(chǎn)生一個(gè)與遙機(jī)器人同步運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)遙操作機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的三維監(jiān)控。2.1 預(yù)測(cè)仿真子系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1.1圖形預(yù)測(cè)仿真原理

4、預(yù)測(cè)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(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè) ,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(cè)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(cè)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(shí)延,實(shí)際的機(jī)器人在幾秒的時(shí)延后跟隨仿真圖形的動(dòng)作而動(dòng)作, 這樣就消除了時(shí)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(duì)模型進(jìn)行校正來保證和真實(shí)情況接近。同時(shí)仿

5、真過程中還會(huì)產(chǎn)生積累誤差, 當(dāng)接收到機(jī)械手的信息, 對(duì)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(cè)仿真子系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)圖2.2預(yù)測(cè)仿真子系統(tǒng)組成圖預(yù)測(cè)仿真子系統(tǒng)組成如圖 2.2所示。為了便于整個(gè)遙操作分系統(tǒng)的開發(fā), 按模塊化的思想對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。 預(yù)測(cè)仿真子系統(tǒng)包括: 用戶界面模塊 、 三維模型模塊 、運(yùn)動(dòng)學(xué) 、動(dòng)力學(xué)及模型校正模塊、碰撞檢測(cè)模塊、網(wǎng)絡(luò)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(fù)責(zé)各種對(duì)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(shí)發(fā)出視覺刺激信息并提供發(fā)生碰撞的位置信息；同

6、時(shí)利用手控器實(shí)時(shí)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。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(dòng)學(xué)、動(dòng)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(shí)響應(yīng)操作命令,對(duì)機(jī)械手的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè),以驅(qū)動(dòng)圖形顯示。碰撞檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行碰撞的檢測(cè), 并在有危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)模塊負(fù)責(zé)與信息處理子系統(tǒng)和動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)度來計(jì)算機(jī)械手的位姿。而逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析則是利用機(jī)械手的每一個(gè)關(guān)節(jié)的角度和連桿的長(zhǎng)度如何使機(jī)械手放在一個(gè)期望的位置。下面先推機(jī)械手的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程， 然后利用正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程來計(jì)算逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。3.1機(jī)械手正運(yùn)動(dòng)學(xué)算

7、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(dòng)副裝配組成。3.1.1關(guān)節(jié)及運(yùn)動(dòng)副搬運(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(dòng)學(xué)描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)行為。對(duì)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) Zn 軸沿著第 n 個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軸; 基坐標(biāo)系的選擇為: 當(dāng)?shù)?1 關(guān)節(jié)變量為零時(shí)， 零坐標(biāo)系與 1坐標(biāo)系重合。( 2) Xn 軸垂直于 Zn 軸并指向離開 Zn 軸的方向。( 3) Yn 軸的方向按右手定則確定。該仿真系統(tǒng)的 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

8、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(chǎng)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(dòng)起來。工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡及姿態(tài)的三維運(yùn)動(dòng)軌跡仿真結(jié)果，大體如圖4.2所示。圖4.2三維運(yùn)動(dòng)軌跡仿真結(jié)果4.3“骨骼蒙皮動(dòng)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(dòng)的實(shí)時(shí)三維監(jiān)控技術(shù)遙操作機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)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(dòng)分析在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，所用虛擬三維

9、模型方法與骨骼動(dòng)畫方法類似，但模型的運(yùn)動(dòng)控制方式不同。普通骨骼蒙皮動(dòng)畫在虛擬世界中運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制骨骼運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)跟現(xiàn)實(shí)世界中的運(yùn)動(dòng)沒有聯(lián)系，而遙操作機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)監(jiān)控到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)是來自現(xiàn)實(shí)世界，然后把這些真實(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成虛擬三維機(jī)器人模型的運(yùn)動(dòng)控制指令，使三維模型在運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的控制下產(chǎn)生與真實(shí)機(jī)器人同樣的動(dòng)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)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(dòng)電機(jī)、關(guān)節(jié)在整個(gè)機(jī)器人本體中的位置，這一步很關(guān)鍵，因?yàn)樗鼘?duì)后面的虛擬機(jī)器人表面模型成型和骨骼模型運(yùn)動(dòng)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

10、繪出一個(gè)與之非常相似的三維模型，如圖1所示，利用3DMAX軟件繪制出真實(shí)移動(dòng)清洗機(jī)器人3D外觀模型(圖1左)，以及它的網(wǎng)格模型(圖4.3.1中)。圖4.3.1移動(dòng)機(jī)器人外觀三維模型(帶貼圖)與它的表面網(wǎng)格模型圖4.3.1左邊是一個(gè)兩關(guān)節(jié)移動(dòng)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(gè)叫網(wǎng)格模型埔1(Mesh model·ing)，它是由一個(gè)個(gè)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

11、用多個(gè)三角形面片包裹形成的一個(gè)空間曲面，這個(gè)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(dòng)。要使具有機(jī)器人外形的三維模型(如圖4.3.2所示)能動(dòng)起來，需要把它附著到一個(gè)能產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)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。骨骼的運(yùn)動(dòng)可以帶動(dòng)表皮的運(yùn)動(dòng)，看上去機(jī)器人三維模型就能行動(dòng)自如了。圖4.3.2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±0 .5°,姿態(tài)穩(wěn)定度

12、±0.05°/s 。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了兩個(gè)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(duì)位置 、姿態(tài)偏差) 在某一閾值范圍內(nèi)時(shí) ,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(tái) ,分別從廣州( 華南理工大學(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(cè)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(cè)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(cè)機(jī)器人進(jìn)行

13、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(shí),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(duì)于依賴反饋視頻的直接主從遙操作大大的提高了效率。圖 5.2.1主從模式遙操作實(shí)驗(yàn)圖形預(yù)測(cè)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(cè)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(dòng)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)

14、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(chǎng)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)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 15

15、0001).自由飛行空間機(jī)器人遙操作三維預(yù)測(cè)仿真系統(tǒng)研究3劉偉軍，朱楓，董再勵(lì)(中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)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(zhǎng)沙410082).遙操作機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)三維監(jiān)控方法研究5雷振伍，李元春.大時(shí)延遙操作的三維預(yù)測(cè)顯示及力反饋控制研究 6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：?jiǎn)栴}一：圖形預(yù)測(cè)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

16、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(cè)后連續(xù)發(fā)送給遙端的機(jī)器人執(zhí)行。預(yù)測(cè)仿真子系統(tǒng)包括: 用戶界面模塊 、 三維模型模塊 、運(yùn)動(dòng)學(xué) 、動(dòng)力學(xué)及模型校正模塊、碰撞檢測(cè)模塊、網(wǎng)絡(luò)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(fù)責(zé)各種對(duì)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(shí)發(fā)出視覺刺激信息并提供發(fā)生碰撞的位置信息；同時(shí)利用手控器實(shí)時(shí)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。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(dòng)學(xué)、動(dòng)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(shí)響應(yīng)操作命令,對(duì)機(jī)械

17、手的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè),以驅(qū)動(dòng)圖形顯示。碰撞檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行碰撞的檢測(cè), 并在有危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)模塊負(fù)責(zé)與信息處理子系統(tǒng)和動(dòng)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(dòng)？答： 在精確測(cè)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(dòng)起來，需要把它附著到一個(gè)能產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的骨架的骨骼上。首先根據(jù)前面測(cè)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(gè)骨架，整個(gè)骨架就是機(jī)械