动态虚拟夹具在机器人虚拟仿真系统中的应用

摘要

随着当今世界的技术的进步，机器人在很多情况下代替了人在远端作业，特别是一些危险的工作环境。机器人的虚拟仿真技术应运而生，其使得操作者在遥操作中对远端的工作环境有了虚拟的临场感，从而辅助了操作者更好的完成任务。虚拟夹具是在机器人虚拟仿真系统上提出的，来更好的辅助操作者和提高机器人的工作效率和安全性。目前国内外很多研究的虚拟夹具都是预先建模的，本文提出并且实现了具有动态性的虚拟夹具。
　　 本文在实验室原有的遥操作系统基础上了，增加了具有动态虚拟夹具的虚拟仿真系统。系统包括了机器人和仿真环境建模、动态虚拟夹具、机器人导引控制、机器人运动模型控制计算等几个功能模块。使用本系统，操作者可以在虚拟仿真系统中建立动态性的虚拟夹具，通过虚拟夹具的辅助导引作用，来控制遥操作中的远端的机器人。
　　 本文以移动机器人和机器人手臂作为实验对象，对本文实现的动态虚拟夹具的有效性、导引控制算法、预测碰撞检测技术等功能进行了验证。应用了这些功能的遥操作虚拟仿真系统顺利的完成了任务。本文具有的动态虚拟夹具功能的虚拟仿真系统经过了验证，提高的了操作机器人的作业效率和安全性，减少了操作者的误操作和提高临场感、更好的辅助了操作者完成任务。而且本文所实现的导引控制算法能够有效的较少每次任务所需的移动距离和姿态调整次数。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 虚拟夹具

1.2.1 国外发展情况

1.2.2 国内发展情况

1.3 本文的研究意义

1.4 本文的文章结构

第二章 虚拟仿真和动态虚拟夹具

2.1 虚拟仿真

2.1.1 虚拟仿真现状

2.1.2 虚拟仿真特性和分类

2.1.3 虚拟仿真与机器人遥操作

2.2 虚拟仿真建模

2.2.1 几何建模

2.2.2 运动建模

2.2.3 物理建模

2.2.4 对象行为建模

2.2.5 模型分割管理

2.3 VRML 与 Java3D

2.3.1 VRML

2.3.2 Java3D

2.4 动态虚拟夹具

2.4.1 动念虚拟夹具模型

2.4.2 三维空间映射模型

2.5 本章小结

第三章 虚拟仿真中的碰撞检测

3.1 虚拟仿真中的碰撞检测

3.2 碰撞检测分类

3.2.1 基于时间域的碰撞检测算法分类

3.2.2 基于空间域的碰撞检测算法分类

3.3 层次包围体树法

3.3.1 基于包围球的碰撞检测

3.3.2 基于AABB的碰撞检测

3.3.3 基于OBB的碰撞检测

3.3.4 基于k—Dops 的碰撞检测

3.3.5 几种包围盒的优缺点

3.3.6 算法流程

3.4 线性对象相交运算

3.5 碰撞信息预测

3.6 本章小结

第四章 机器人虚拟仿真运动控制

4.1 机器人数学基础

4.1.1 位姿矩阵表示

4.1.2 齐次变换和变换算子

4.1.3 D-H 模型

4.2 机器人运动学

4.2.1 正向运动学

4.2.2 逆向运动学

4.3 机器人工作空间

4.4 本章小结

第五章 基于动态虚拟夹具的虚拟仿真系统

5.1 整体系统设计

5.1.1 系统设计

5.1.2 系统构架设计

5.1.3 机器人和仿真环境建模

5.2 动态虚拟夹具系统

5.2.1 基本描述

5.2.2 2D取点到3D取点转换过程

5.2.3 系统实现

5.3 导引控制

5.3.1 基本流程

5.3.2 运动调整

5.3.3 机器人运动模型控制计算子系统

5.4 本章小结

第六章 实验与结果分析

6.1 实验对象

6.2 动态虚拟夹具在移动机器人中的应用实验及其结果分析

6.2.1 移动机器人动态夹具导引实验

6.2.2 操作时间实验

6.3 动态虚拟夹具在机器人手臂中的应用实验及其结果分析

6.4 导引控制效果分析

6.4.1 预测调整距离

6.4.2 包围球半径

6.4.3 随机方向实验

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士/硕士学位期间取得的研究成果

致谢