遥操作虚拟工程机器人的设计与研究

论文摘要

遥操作工程机器人系统是指在人操作下完成复杂工程作业任务的一种远距离操作系统,它能够帮助人类在危险和极端环境下工作。但是,操作者与远端工程机器人之间的信号传输存在较大的时延,严重影响了系统的稳定性和可操作性。在遥操作工程机器人系统中采用虚拟现实技术可以有效解决时延对系统的影响,有助于操作者更好地掌握工作现场的信息,提高遥操作作业的工作效率。虚拟工程机器人是基于虚拟现实的遥操作工程机器人系统的重要组成部分,包含了多种技术,主要是建模技术和碰撞检测技术。在理论条件下,只要虚拟环境与作业现场真实环境相同,虚拟工程机器人的状态变化可以在真实环境中显示出来,所以建模方法的选择格外重要,合适的建模方法不仅可以满足模型逼真的要求,还可以降低建模难度。虚拟工程机器人与待抓物体之间的碰撞检测的精度和效率在很大程度上影响了遥操作系统的沉浸感和临场感,优异的碰撞检测算法可以最大程度地减少误判现象及保证系统的实时性。所以,为了提高遥操作系统的沉浸感、临场感、实时性,本文对虚拟工程机器人的建模技术以及碰撞检测技术进行了研究,主要工作和结论如下：1.为了提高虚拟环境真实性及降低开发难度,针对工程机器人的结构和运动特点,采用OpenGL函数建模和SolidWorks建模的混合建模方法对虚拟工程机器人进行了几何建模。2.为了满足虚拟工程机器人的运动控制要求,在分析虚拟工程机器人运动特性基础上,采用D-H表示法,推导了虚拟工程机器人的运动学模型,建立了各伺服液压缸位移变化量与相邻关节转角角度之间的转换数学模型。3.推导了虚拟机械手爪与待抓物体之间的位置关系数学模型,为虚拟机械手爪与待抓物体之间的精确碰撞检测奠定数学基础。实验结果表明：所采用的建模方法不仅满足了虚拟工程机器人建模逼真的要求,且降低了建模难度,缩短了开发周期；所开发的碰撞检测算法可行、有效,实现了虚拟机械手爪与待抓物体之间的精确碰撞检测。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• CONTENTS
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 虚拟现实技术在遥操作领域的应用及研究现状
• 1.3 课题来源与意义
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 虚拟工程机器人的仿真平台
• 2.1 OpenGL
• 2.1.1 OpenGL概述
• 2.1.2 OpenGL的工作流程
• 2.2 Visual C++及其MFC库
• 2.2.1 Visual C++
• 2.2.2 MFC类库
• 2.3 虚拟工程机器人的仿真平台
• 2.4 虚拟环境的设置
• 2.4.1 颜色设置
• 2.4.2 光照设置
• 2.5 本章小结
• 第三章 虚拟工程机器人的建模
• 3.1 工程机器人
• 3.2 虚拟工程机器人的几何建模
• 3.2.1 建模方法的选择
• 3.2.2 利用SolidWorks建模
• 3.2.3 格式转换
• 3.2.4 利用OpenGL建模
• 3.3 虚拟工程机器人的运动学建模
• 3.3.1 虚拟工程机器人的坐标系建立
• 3.3.2 虚拟工程机器人的正向运动学方程
• 3.3.3 液压缸的位移变化量与相邻关节角之间的关系
• 3.4 本章小结
• 第四章 虚拟工程机器人的碰撞检测
• 4.1 层次包围盒法
• 4.1.1 层次包围盒法的原理
• 4.1.2 层次包围盒法的类型
• 4.1.3 AABB包围盒法的概念
• 4.1.4 虚拟机械手爪层次包围盒的构建
• 4.1.5 包围盒相交测试
• 4.1.6 碰撞检测算法
• 4.2 本章小结
• 第五章 虚拟工程机器人的实验研究
• 5.1 基于虚拟现实的遥操作工程机器人系统结构
• 5.1.1 整体结构
• 5.1.2 虚拟仿真系统
• 5.2 实验研究
• 5.2.1 实验方案
• 5.2.2 实验分析和实验结论
• 5.3 本章小结
• 结论
• 一 总结
• 二 进一步的工作
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢