基于射线求交方式的虚拟夹具仿真系统在机器人遥操作系统中的应用

摘要

随着机器人技术的发展,机器人被广泛地运用到社会生产的各个方面：从火星探测到工业制造,从核电站维护到家庭服务,从深海探测到家庭娱乐,我们都可以看到机器人的身影。在危险或者遥远的机器人工作地点,操作人员不能直接操作机器人,人们为了方便操作人员控制,开发了机器人仿真系统,利用三维建模结合机器人远端传送回来的视频、传感器等信息,操作人员可以较好地把握机器人的实时状态。虽然这样可以减少网络时延对操作机器人所带来的影响,但是这样并不能加快操作者的操作效率,降低操作者的工作负担。 本文在借鉴国内外研究者的研究基础上,结合本实验室前人开发的机器人仿真系统,构建了基于射线求交算法为核心的虚拟夹具仿真系统。虚拟夹具仿真系统可以根据机器人运动场景的不同,让操作者选择不同的夹具,添加到机器人所要运动的路径上,利用夹具来约束机器人前行的轨迹。一方面,操作者操作机器人前行,同时机器人利用射线求交算法感知周围夹具局部信息计算并自动转向目标点。这种半自动的机器人操作方式,不仅可以利用计算机强大的计算能力,降低了操作者的操作负担,加快了操作效率,同时也充分利用操作者的判断能力,提高了机器人完成任务的准确性和精度。射线求交算法的主要思想是在机器人在前行过程中,前端发射一定形状的射线,让射线去探测周围夹具的局部信息(如法线等),然后利用坐标转换,得到机器人的转向点信息。其主要特点是计算量较传统的碰撞检测小、设计简单。考虑到机器人场景的多样性和操作的友好性,本系统设计了多种类型的夹具,同时添加了若干种方便用户控制夹具位置的方式,如鼠标控制,滑动条控制等。本文最后设计一个操作对比实验,验证了本虚拟夹具仿真系统的有效性。

目录

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第一章绪论

1.1课题研究背景

1.2虚拟夹具研究现状

1.2.1国外虚拟夹具研究状况

1.2.2国内虚拟夹具研究进展

第二章相关技术研究和夹具开发平台

2.1 Java 3D技术

2.1.1 Java 3D的特点

2.1.2 Java 3D简介

2.2 VRML虚拟现实建模语言

2.2.1虚拟现实

2.2.2 VRML

2.3 JMF简介

2.3.1 RTP/RTCP协议

2.3.2 JMF(Java媒体框架)

2.3.3 JMF的RTP体系结构

2.4常用设计模式简介

2.4.1模式的起源和发展

2.4.2常用模式简介

2.5机器人遥操作系统软件结构

2.6本章小结

第三章虚拟夹具仿真系统的设计和关键技术

3.1虚拟夹具仿真系统设计的总体目标

3.2碰撞检测简介

3.3机器人运动学

3.3.1机器人DH参数的建立

3.3.2机器人逆运动学求解

3.4虚拟夹具仿真系统的整体架构

3.4.1系统用户界面

3.4.2机器人和虚拟夹具三维模型的建立

3.4.3机器人的运动数据抽象

3.4.4 Java 3D、机器人基坐标系、机器人末端坐标系之间的转化

3.4.5控制器的建立

3.4.6夹具位置的调整

3.5本章小结

第四章机器人指令的传输和视频反馈

4.1指令传输模块

4.1.1指令传输策略

4.1.2指令的格式

4.2视频反馈模块

4.3本章小结

第五章虚拟夹具仿真系统实验及分析

5.1真实机器人和虚拟机器人的同步

5.2实验场景的设计

5.3实验操作流程

5.4夹具有效性和精度的对比实验

5.4.1实验环境参数的配置和操作者的选择

5.4.2实验数据的测量结果及性能评价

5.5实验误差分析

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢