基于虚拟现实的机器人灵巧手遥操作平台的设计和实现

论文摘要

人类绝大多数的劳动是靠一双手来完成的。机器人手臂已经在工业界取得了令人瞩目的成就，如果能配上一双灵巧的“手”，那么离开真正的机器人操作就为期不远了。从目前国内外研究出的机器人灵巧手来看，它们已具有很高的灵活性。通过手指间的协调控制、对空间位置的把握、目标形状与手形的匹配，可以完成一些模拟人手精细的操作。因而灵巧手作为机器人的末端执行装置，具有被广泛应用在核能、太空和深海等危险环境的前景。在危险的环境下工作似乎是机器人与生俱来的“职责”，然而机器人尚未“成年”。在目前的技术成熟度情况下，与其让它在复杂的工作环境中困难地独立自主地执行任务，还不如选择人-机合作更为现实。所谓人-机合作，即利用人的智能，以遥操作的方式参与机器人灵巧手的编程规划。也就是本地的操作者利用遥操作设备实现对远端的灵巧手系统的遥操作，使其完成各种各样的任务。虚拟现实技术作为一种可视化工具有助于改善遥操作系统中的人机接口。将虚拟现实技术与遥控技术和机器人灵巧手技术结合起来，形成一个虚拟现实机器人灵巧手遥操作平台。特别是应用虚拟现实技术研究开发具有“临场感”的虚拟操作界面，即人机交互接口系统，使操作人员可以更精确的操作远端的目标物，对提高遥操作机器人灵巧手的抓取效率和可靠性都具有重要意义。本研究以基于虚拟现实技术的机器人灵巧手操作平台的设计和实现为目标。基于虚拟现实技术的机器人灵巧手操作平台从控制角度来看，是一种主从式的遥控机器人系统，由三大部分组成，即主手、从手和机器人灵巧手操作平台，本研究特点是：尝试将虚拟手作为主动手，实际灵巧手作为从动手。操作人员使用鼠标点击操作平台中的控制面板，直接操控虚拟环境里的三维图形虚拟手，从而同步带动实际灵巧手完成各种各样的操作。希望用这种方法来减少控制环节，降低系统的硬件和软件成本。本系统具有以下控制方式和相关功能：●采用直接控制的方式：操作人员使用鼠标点击操作平台中的控制面板，直接操控虚拟环境里的三维图形虚拟手，从而同步带动实际灵巧手完成各种各样的操作。实现操作人员对实际灵巧手的直接遥操作。●采用示教再现的方式：首先由操作人员“教”灵巧手完成某一抓取任务，然后由灵巧手自动完成同类的任务。实现示教再现灵巧手遥操作。●采用自动的方式：使虚拟灵巧手根据被抓物体的几何特征与位姿，自动产生抓取方案，进行抓取过程的预演。实现虚拟灵巧手自动生成抓取规划。本论文首先在灵巧手运动学分析的基础上，采用OpenGL和VC的开发工具在计算机中构造出一个虚拟作业场景，使操作者更加有效地直观地了解机器人灵巧手在操作过程中的位姿，碰撞等信息。其次，从理论上讨论了机器人灵巧手抓取操作规划的方法。在分析了灵巧手抓取操作任务后，拟定了手掌的运动规划和手的抓取规划。然后针对灵巧手抓取方式选择的问题，提出了平行抓取、聚中抓取和捏式抓取这三种最典型的抓取方式，并采用模糊控制的方法对机器人灵巧手的抓取方式进行智能选择。再次，根据对AABB和OBB两种碰撞检测算法的分析对比，设计出了一套在机器人灵巧手操作平台中可行的、有效的和精确的碰撞检测算法。最后对本论文涉及的实验作系统地阐述。实验证明，基于虚拟现实技术的机器人灵巧手操作平台的设计理念是切实可行。这不仅为机器人灵巧手的控制探索了一条途径，而且为机器人灵巧手运动学和动力学的研究建立了一个实验平台。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 机器人灵巧手的发展概况
• 1.2.1 国外灵巧手的研究成果
• 1.2.2 国内灵巧手的研究成果
• 1.3 虚拟现实技术的发展极其特征
• 1.3.1 虚拟现实技术的发展概况
• 1.3.2 虚拟现实技术的特征
• 1.4 虚拟现实技术在机器人领域的应用
• 1.4.1 国外研究成果
• 1.4.2 国内研究成果
• 1.5 本论文研究的主要内容和特点
• 第二章 基于虚拟现实的机器人灵巧手遥操作平台的设计
• 2.1 引言
• 2.2 虚拟现实机器人灵巧手遥操作平台的总体结构
• 2.2.1 虚拟现实机器人灵巧手遥操作平台的硬件结构
• 2.2.2 虚拟现实机器人灵巧手遥操作平台的软件结构
• 2.3 构建虚拟作业场景
• 2.3.1 虚拟对象的构建
• 2.3.2 动画效果的实现
• 2.4 虚拟灵巧手运动学建模
• 2.4.1 实验室灵巧手的基本结构
• 2.4.2 虚拟灵巧手的运动学分析和建模
• 2.5 灵巧手控制方式的设计
• 2.5.1 直接控制方式实现对灵巧手的遥控
• 2.5.2 示教方式实现对灵巧手的遥控
• 2.5.3 自动方式实现灵巧手操作的预演
• 2.6 操作界面的设计
• 2.7 本章小结
• 第三章 灵巧手抓取操作规划
• 3.1 引言
• 3.2 手掌运动规划
• 3.2.1 手掌接近物体的方向
• 3.2.2 手掌的空间运动轨迹
• 3.3 手指运动规划
• 3.4 虚拟灵巧手的抓取规划
• 3.5 本章小结
• 第四章 虚拟环境的碰撞检测
• 4.1 引言
• 4.2 基于AABB的碰撞检测方法
• 4.2.1 AABB包围盒的定义
• 4.2.2 AABB包围盒的相交测试及实现
• 4.3 基于OBB的碰撞检测方法
• 4.3.1 OBB包围盒的定义
• 4.3.2 OBB包围盒的相交测试及实现
• 4.3.3 OBB方法的缺点
• 4.4 综合运用AABB和OBB方法的实现
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于模糊逻辑的灵巧手抓取方式规划设计
• 5.1 引言
• 5.2 机器人灵巧手的抓取方式
• 5.2.1 平行抓取
• 5.2.2 聚中抓取
• 5.2.3 捏式抓取
• 5.3 模糊控制
• 5.4 抓取方式规划算法的推导
• 5.4.1 确定模糊控制器的输入变量和输出变量
• 5.4.2 输入变量和输出变量的模糊化
• 5.4.3 建立模糊控制规则
• 5.4.4 模糊推理与模糊控制响应表
• 5.5 基于模糊逻辑的抓取方式规划的实现
• 5.6 本章小结
• 第六章 灵巧手抓取实验
• 6.1 实验平台的硬件和软件
• 6.1.1 硬件配置和连接
• 6.1.2 软件结构
• 6.2 不同方式下的灵巧手抓取实验
• 6.2.1 直接控制方式的灵巧手抓取实验
• 6.2.2 示教控制方式的灵巧手抓取实验
• 6.2.3 自动控制方式的虚拟灵巧手的抓取实验
• 6.3 本章小结
• 第七章 全文的总结和展望
• 7.1 研究工作的主要进展
• 7.2 后续研究工作的展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间撰写的论文和申请的专利
• 致谢