机械手遥操作三维预测仿真系统原理 - 图文

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。它特别是在高温、高压、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

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: ①用户界面模块 、② 三维模型模块 、③运动学 、动力学及模型校正模块、④碰撞检测模块、⑤网络模块、⑥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。

3.1.1关节及运动副

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) Zn 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) Xn 轴垂直于 Zn 轴并指向离开 Zn 轴的方向。 ( 3) Yn 轴的方向按右手定则确定。

该仿真系统的 ＲC-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3DMAX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4.3.1中)。

图4.3.1移动机器人外观三维模型(带贴图)与它的表面网格模型

图4.3.1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

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