基于动态虚拟夹具的机器人遥操作系统

摘要

随着机器人研究的深入和机器人领域的拓展，许多恶劣、危险环境下的作业，都需要由作机器人完成。这些作业一般都比较复杂，由于受机器人技术水平的限制，目前机器人很难自主完成这些任务，所以需要操作者远程地进行控制，因此出现机器人遥操作系统。但是当前机器人遥操作系统存在着时延、安全性、精确度和人机交互差等问题。
　　 为了克服机器人遥操作系统的上述问题，本文引进动态虚拟夹具系统提高机器人遥操作安全性和精确度。虚拟夹具是在遥操作系统加入软件实现的虚拟工具，用于约束虚拟机器人的运动，从而约束真实机器人的运动。但是结构化虚拟夹具不能根据环境变化进行调整，因此，本文提出动态虚拟夹具，它具有动态创建、修改等功能，能够根据非结构化环境动态地进行调整。动态虚拟夹具能够对机器人进行碰撞检测禁止进入危险区域的功能，导引控制保证机器人的安全性和操作的精确度，从而更好完成遥操作任务。
　　 本文主要包括三部分:
　　 首先是详细阐述了动态虚拟夹具的各种数学模型，并且在保证虚拟夹具光滑可导情况下提出组合模型和圆角模型，使虚拟夹具具有动态生成、修改、导引机器人等功能。
　　 第二部分是将动态虚拟夹具应用于遥操作系统的技术实现，主要包括虚拟夹具的多视图显示和如何通过二维信息动态生成三维虚拟夹具，并增加虚拟夹具碰撞检测和导引控制策略，以及遥操作流程的设计实现。
　　 第三部分主要是搭建机器人遥操作平台，设计实现遥操作的网络通信协议和控制指令，并在此平台的基础上，加入动态虚拟夹具系统；之后通过此平台进行实验，利用动态虚拟夹具导引履带机器人和模块机器人，验证动态虚拟夹具的动态生成、调整，以及对机器人的导引和避障功能，最后对机器人遥操作系统出现的时延进行分析。
　　 通过实验验证，本文提出的动态虚拟夹具应用于机器人遥操作系统能很好地导引机器人，避免与障碍物碰撞，从而提高操作者的工作效率，帮助操作者更快更好地完成任务。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 机器人遥操作技术

1.1.2 遥操作系统存在问题

1.1.3 虚拟夹具思想的引入

1.2 虚拟夹具国内外研究状况

1.2.1 虚拟夹具国外研究状况

1.2.2 虚拟夹具国内研究状况

1.3 研究发展趋势

1.4 研究意义

1.5 文章组织结构

第二章 相关理论与技术研究

2.1 虚拟现实

2.1.1 虚拟现实特点与分类

2.1.2 虚拟现实应用

2.1.3 虚拟现实关键技术

2.2 Java 3D技术

2.2.1 Java 3D坐标系

2.2.2 Java 3D场景结构

2.2.3 Java 3D与其他3D技术

2.3 空间物体碰撞检测

2.3.1 空间分解法

2.3.2 层次包围盒法

2.3.3 Java 3D碰撞检测技术

2.4 机器人运动学模型

2.4.1 机器人DH参数

2.4.2 机器人运动正解

2.4.3 机器人运动反解

2.5 本章小结

第三章 动态虚拟夹具系统设计与实现

3.1 虚拟夹具分析

3.2 基本数学原理

3.2.1 坐标系变换

3.2.2 放射坐标系变换

3.2.3 直角坐标系变换

3.3 虚拟夹具建模

3.3.1 基本数学模型

3.3.2 虚拟夹具原子模型

3.3.3 虚拟夹具复合模型

3.4 动态夹具功能

3.4.1 动态生成

3.4.2 动态修改

3.5 动态夹具实现结构

3.5.1 实现架构

3.5.2 类结构

3.5.3 接口结构

3.5.4 扩展结构

3.6 夹具系统的实现

3.6.1. 基本界面

3.6.2 功能模式

3.6.3 虚拟夹具控制

3.6.4 扩展结构

3.6.5 导引功能

3.7 本章小结

第四章 基于动态虚拟夹具的遥操作技术实现

4.1 动态虚拟夹具控制

4.1.1 三维视图映射

4.1.2 视图与多视图实现

4.1.3 空间位置信息转换

4.1.4 虚拟夹具动态调整

4.2 机器人导引控制

4.2.1 动态夹具碰撞导引

4.2.2 机器人运动控制

4.3 遥操作技术实现

4.3.1 遥操作流程设计

4.3.2 遥操作流程实现

4.4 本章小结

第五章 机器人遥操作系统设计与实现

5.1 遥操作系统整体架构

5.1.1 遥操作系统体系结构

5.1.2 遥操作系统功能结构

5.2 指令模块

5.2.1 本地端指令

5.2.2 网络端指令

5.3 本章小结

第六章 实验与结果分析

6.1 实验意义

6.2 导引履带机器人

6.2.1 实验条件

6.2.2 实验平台

6.2.3 实验过程

6.2.4 结果分析

6.3 导引模块机器人

6.3.1 实验条件

6.3.2 实验平台

6.3.3 实验过程

6.3.4 结果分析

6.4 遥操作时延分析

6.4.1 时延原因

6.4.2 结果分析

6.5 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢