遥控焊接接触任务图形仿真中的虚拟力觉预测显示技术

论文摘要

在遥控焊接任务中,有多个子任务涉及工具装配接触操作,适合于采用基于精确任务环境标定和力觉传感局部自主控制的监督控制接触任务策略。基于虚拟环境模型的力觉预测显示技术是获得虚拟装配接触力信息,实现机器人遥控焊接监督控制策略的关键技术,该技术能够为遥控焊接向实用化方向发展奠定基础。本文建立了能够在模型环境中产生虚拟力的预测显示系统,实现了基于人机交互的机器人遥控焊接虚拟力觉预测显示。该系统运用Solidworks三维几何建模、机器人运动学建模以及虚拟标定技术完成了虚拟环境建模。在图形仿真过程中,实现了虚拟接触力的图形矢量化显示,并将虚拟力觉信息传递给力反馈设备形成给操作者的力觉反馈,增强遥控焊接图形仿真系统的功能和接触任务图形仿真过程的效果。针对虚拟力大小的计算,建立了用弹簧-阻尼-质量体表示力/变形的单点接触动力学模型的计算方法,与力/位移成线性关系的方法相比,计算更准确;针对虚拟力方向的确定,采用了曲面法向量求解方法和相贯线曲率中心求解方法,实现了虚拟力的方向随接触表面变化的效果。基于极限环境管道维修遥控焊接任务,采用具有开放控制器的机器人进行了虚拟力觉预测显示实验,实现了遥控焊接机器人监督控制策略。通过局部自主接触力控制表面跟踪得到的接触力测量值与虚拟力觉预测显示系统中得出的虚拟力计算值进行对比,验证了虚拟力觉显示功能和虚拟力算法的正确性;在监督控制模式下,运用虚拟力觉预测显示技术检测出仿真路径中可能存在的障碍物,通过修改任务指令序列完成路径优化,提高接触任务的稳定性和安全性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 相关领域研究现状
• 1.2.1 基于虚拟环境的机器人遥操作监督控制
• 1.2.2 虚拟力觉预测显示技术
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 虚拟环境建模
• 2.1 引言
• 2.2 系统平台建立
• 2.3 三维几何建模
• 2.3.1 设备建模
• 2.3.2 工作单元布局
• 2.4 机器人运动学建模
• 2.4.1 正运动学算法
• 2.4.2 逆运动学算法
• 2.4.3 按路径运动控制模块
• 2.5 虚拟环境标定
• 2.5.1 虚拟标定原理
• 2.5.2 马鞍形工件标定
• 2.6 本章小结
• 第3章 虚拟力觉预测显示
• 3.1 引言
• 3.2 接触检测
• 3.3 力反馈操纵杆接口程序
• 3.4 虚拟力求解模型
• 3.4.1 非稳定接触动力学模型
• 3.4.2 稳定接触动力学模型
• 3.5 虚拟力计算
• 3.5.1 常用的计算模型
• 3.5.2 虚拟力大小
• 3.5.3 虚拟力方向
• 3.6 本章小结
• 第4章 虚拟力觉预测显示实验
• 4.1 虚拟力觉预测显示实验
• 4.1.1 实验条件
• 4.1.2 实验步骤
• 4.1.3 实验工件
• 4.1.4 实验过程与结果
• 4.2 机器人离线编程避碰实验
• 4.2.1 实验条件
• 4.2.2 实验步骤
• 4.2.3 实验工件
• 4.2.4 实验过程与结果
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢