基于力觉/触觉反馈的虚拟装配系统相关技术研究

论文摘要

力觉/触觉反馈技术可以使操作者通过反馈力感受虚拟模型的特征、约束和交互状态等,从而约束和引导操作者与虚拟环境进行实时交互。本文以单点型力觉/触觉反馈设备PHANToM?Desktop作为交互接口,研究了基于力觉/触觉反馈的虚拟装配技术,以增强虚拟装配操作的拟实程度,提高虚拟装配的力觉/触觉沉浸感和交互性。本文的研究内容和方法对其它单点型力觉/触觉反馈设备的研究和应用同样具有参考意义。基于力觉/触觉反馈的虚拟装配技术是随着力觉/触觉反馈技术的不断进步,在无力觉/触觉反馈的虚拟装配技术的基础上发展起来的,它需要研究的问题包括:（1）面向虚拟装配的力觉/触觉反馈接口,（2）基于PHANToM的力觉/触觉反馈式虚拟装配交互方式,（3）基于力觉/触觉反馈的虚拟装配操作和导航方法等。本文首先研究了力觉/触觉反馈技术的基本原理,给出了力觉/触觉反馈式虚拟装配系统的框架,定义了系统各模块的基本功能。实现了SolidWorks格式的产品装配模型在虚拟装配系统中的重构,为开展基于力觉/触觉反馈的虚拟装配技术研究构造了虚拟装配环境。根据力觉/触觉渲染局部性强、多线程结构以及各线程刷新频率不同的特点,提出了基于碰撞检测的力觉/触觉渲染优化方法。该方法在主线程中动态构造代理点的方向包围盒,通过代理点方向包围与虚拟模型的碰撞检测,裁减掉代理点不可能“触摸”到的三角面片集;在碰撞检测线程中只渲染可能“触摸”到的三角面片集,提高了力觉/触觉渲染的效率和系统的稳定性。为增大虚拟装配操作工作空间,提高虚拟装配操作定位精度,提出了动态空间匹配方法,使代理点在远视点处具有较大的工作空间,近视点处具有较高的定位精度,提高了虚拟装配操作的可交互性。提出了面向虚拟装配操作的力觉/触觉反馈式虚拟机械手臂模型。根据6自由度机械手臂结构和PHANToM结构的相似性,构建了基于PHANToM关节驱动的6自由度虚拟机械手臂模型,为使该虚拟机械手臂模型具有力觉/触觉反馈功能,提出了基于机器人运动学分析的空间匹配方法。该模型可以在虚拟装配环境中交互模拟机械手臂的装配操作,丰富了虚拟装配系统的交互方式。基于6自由度虚拟机械手臂模型,提出了基于反馈力约束和引导的交互式机械手臂装配路径规划方法。在该方法中,操作者通过PHANToM控制虚拟机械手臂运动,在反馈力的引导下结合操作者的经验和决策能力,以虚拟示教的方式完成装配路径的粗略规划;自动优化阶段使用基于距离准则的单端搜索法对粗略路径进行自动优化;在手动优化阶段,机械手臂末端点的运动被反馈力约束到装配路径上,操作者可以使用力觉/触觉反馈设备交互地编辑路径和被操作对象的姿态;最后通过动画的形式模拟机械手臂的装配过程,以供用户对该路径进行评价。提高了械手臂装配路径规划的人机交互性。研究了基于力反馈的虚拟装配操作和导航方法。使用自由度转化和归约法将装配约束转化为运动自由度约束,应用质点-弹簧模型计算装配过程中的约束反馈力,解决了约束运动条件下代理点与虚拟物体分离的问题;研究了基于特征和规则的装配工具建模、定位和操作方法,建立了标准紧固零件库和标准紧固工具库,在此基础上实现了基于反馈力约束和引导的虚拟装配工具交互模型。研究了基于稳定性分析的交互式装配顺序规划方法。该方法通过装配约束矩阵、装配接触矩阵和装配支撑矩阵的转换,求解已装配零件的稳定性;根据已装配零件的稳定性、未装配零件的连接关系和装配方向等向操作者提示下一步应该装配的零件;操作者结合自己的装配经验和决策能力判断哪一个零件是下一步应该装配的零件,从而通过逐步推进的方法生成装配顺序。研究了基于客户端/服务器结构的力觉/触觉反馈式虚拟装配系统,提出了基于接触状态预测的协同式力觉/触觉渲染方法。该方法在服务器端预测基本的接触状态,客户端根据从服务器端接收到的接触状态和本地代理点的位置计算反馈力,并且发送给本地反馈设备输出,完成力觉/触觉渲染。该方法减轻了网络传输的数据量,减小了由于代理点位置预测误差和网络延迟扰动造成的反馈力计算误差,提高了协同式力觉/触觉反馈虚拟装配系统的稳定性。综合以上技术,本文设计了一个基于力觉/触觉反馈的虚拟装配原型系统,通过某加工中心动力头部件的装配过程说明了该原型系统的使用步骤,实例说明本文提出的相关方法是有效的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 虚拟装配系统主要人机交互设备
• 1.2.1 无力觉/触觉反馈的位姿跟踪设备
• 1.2.2 主要力觉/触觉反馈设备
• 1.3 力觉/触觉反馈技术的应用
• 1.4 力觉/触觉反馈式虚拟装配技术的研究现状
• 1.4.1 无力觉/触觉反馈的虚拟装配系统的研究现状
• 1.4.2 基于PHANToM的力觉/触觉反馈式虚拟装配技术的研究现状
• 1.5 研究目标及内容
• 1.5.1 研究目标和意义
• 1.5.2 存在的问题
• 1.5.3 研究内容及组织安排
• 第2章 力觉/触觉反馈式虚拟装配系统框架研究
• 2.1 力觉/触觉反馈式应用系统的基本原理
• 2.1.1 力觉/触觉反馈技术
• 2.1.2 PHANToM的结构和原理
• 2.1.3 基于增量驱动的虚拟模型位姿调整
• 2.1.4 力觉/触觉渲染的特点和原理
• 2.2 多面体模型的力觉/触觉渲染方法
• 2.2.1 点-体力觉/触觉渲染方法
• 2.2.2 体-体力觉/触觉渲染方法
• 2.3 力觉/触觉反馈式虚拟装配系统框架
• 2.3.1 系统开发平台
• 2.3.2 桌面式力觉/触觉反馈虚拟装配系统框架及功能模块
• 2.3.3 基于力觉/触觉反馈的虚拟装配系统设计流程
• 2.3.4 力觉/触觉反馈在虚拟装配操作中的作用
• 2.4 虚拟装配模型转换和表达方法
• 2.4.1 虚拟装配系统建模
• 2.4.2 装配约束信息提取
• 2.4.3 零件信息提取
• 2.4.4 实例验证
• 2.5 本章小结
• 第3章 面向虚拟装配交互的力觉/触觉接口
• 3.1 力觉/触觉渲染框架
• 3.2 基于碰撞检测的力觉/触觉渲染优化方法
• 3.2.1 基于碰撞检测的力觉/触觉渲染优化方法框架
• 3.2.2 零件包围盒树模型的构造
• 3.2.3 代理点包围盒动态构造和包围盒裁减算法
• 3.2.4 实例分析
• 3.3 动态空间匹配法
• 3.4 本章小结
• 第4章 面向虚拟装配的虚拟示教机械手臂模型
• 4.1 引言
• 4.2 关节型机械手臂运动学分析
• 4.3 虚拟示教式机械手臂模型
• 4.3.1 正向匹配
• 4.3.2 逆向匹配
• 4.3.3 实例分析和结论
• 4.4 交互式机械手臂装配路径规划方法
• 4.4.1 交互式虚拟示教阶段
• 4.4.2 路径优化阶段
• 4.4.3 评价和可行性验证阶段
• 4.4.4 实例分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于反馈力约束和引导的虚拟装配操作和导航
• 5.1 引言
• 5.2 基于反馈力的零件操作和导航研究
• 5.2.1 基于反馈力的零件操作导航框架
• 5.2.2 装配约束与自由度之间的转化和归约
• 5.2.3 求解定位矩阵
• 5.2.4 装配约束导航和反馈力的计算
• 5.2.5 实例分析和验证
• 5.3 基于反馈力的工具操作和导航
• 5.3.1 标准紧固类工具和零件模型
• 5.3.2 基于特征和规则的虚拟装配工具交互模型
• 5.4 基于稳定性分析的交互式装配顺序规划
• 5.4.1 相关定义
• 5.4.2 稳定性分析
• 5.4.3 装配顺序规划
• 5.5 本章小结
• 第6章 协同式力觉/触觉反馈虚拟装配系统
• 6.1 基于接触状态预测的协同式力觉/触觉渲染方法研究
• 6.1.1 基于C/S框架的力觉/触觉反馈式虚拟装配系统
• 6.1.2 基于接触状态预测的协同式力觉/触觉渲染方法
• 6.1.3 实例分析和结论
• 6.2 图形模型的传输
• 6.2.1 OV table格式模型转换
• 6.2.2 实例分析
• 6.3 本章小结
• 第7章 基于力觉/触觉反馈的虚拟装配原型系统设计
• 7.1 原型系统的结构和虚拟装配设计流程
• 7.2 原型系统的虚拟装配运行实例
• 7.2.1 SolidWorks模型转换
• 7.2.2 虚拟装配模型的构造
• 7.2.3 产品装配过程
• 7.3 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表论文及参与课题
• 致谢
• 外文论文
• 学位论文评阅及答辩情况表