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《重庆大学》 2012年
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基于虚拟现实的机器人仿真研究

张克敏  
【摘要】:伴随着计算机技术的飞跃,虚拟现实系统的发展及完善在不断地继续,其应用领域也在不断扩大。基于虚拟现实技术开发的机器人临场感仿真实验平台就是最好的应用。本课题由国家高技术研究发展计划(863计划)和国家留学基金委资助,其目的是研究开发基于虚拟现实的机器人临场感仿真实验平台,为其它类型的研究在物理样机上实验之前,提供很好的前期实验平台,在该平台上可任意修改物理参数;开发出的平台因为有很好的程序接口,可进行二次开发;该平台也可用于教学演示。 在此平台上操作者能通过三维交互设备将人手的运动数据映射到虚拟场景中,并对虚拟机器人进行虚拟操作,同时虚拟场景和机器人反馈数据给三维交互设备,产生实时的视觉、力觉、运动觉和听觉效果等,使操作者有种“身临其境”的感觉。对于一个完整的机器人临场感仿真实验平台来说,虚拟操作、捕捉抛物的仿真、晃动轨迹的仿真以及力觉仿真都是不可缺少的重要组成部分,它极大增强了整个仿真过程的沉浸感、逼真感,而要实现机器人的临场感仿真,则需提出和研究新的仿真方法。 本文提出了在OpenGL环境下实现机器人虚拟操作的建模方法,以虚拟三自由度机器人为例进行了应用分析,采用D-H参数法求解正逆运动学方程的同时,通过运动映射将基础坐标系、连杆坐标系与世界坐标系、局部坐标系对应起来,将连杆坐标系的平移、旋转和比例因子缩放映射为模型的平移、旋转和缩放,建立了虚拟三自由度机器人的三维模型;求解机器人运动学方程逆解的过程是复杂的,而且逆解往往是不唯一的,为了求解出正确的逆解,本文采用了代数法和几何法共同求解,使得结果相互印证,完成了虚拟操作的仿真研究。 提出了机器人捕捉抛物的仿真方法,以虚拟三自由度机器人捕捉虚拟小球为例进行了应用计算,分析解决了抛出虚拟小球的运动跟踪,捕捉点坐标的计算,并且将对固定物的捕捉作为特例进行了分析计算,结合初始位置以及规划的轨迹,得出了实现VS编程仿真的实时插补关节角度;同时对碰撞检测展开了一定的研究,充分利用机器人自身的特点,采用点到点的距离、点到面的距离以及关节角的转动范围来作为开发本仿真平台的主要碰撞检测方法。完成了机器人捕捉抛物的仿真研究。 提出了一种通过单自由度小阻尼自由振动模型来实现机器人末端在虚拟场景中的晃动轨迹的仿真方法,以虚拟三自由度机器人为例详细分析该方法,建立了晃动轨迹的微分方程,通过离散化、逆运动学,得出了实现VS编程仿真的离散型关节轨迹方程,提高了仿真的临场感效果,完成了晃动轨迹仿真的研究。 提出了一种新的机器人力觉临场感仿真方法,以虚拟三自由度机器人为具体实例进行了详细分析,离散化整个仿真过程,充分利用力雅克比,计算出了每个离散点上虚拟机器人末端的力,建立了合理的力反馈计算模型,得出了操作者感觉到的力与关节力矩之间的离散型递推方程,完成了力觉临场感仿真研究。 最后,分析了仿真平台的结构和功能,解决了若干关键内容的实现方法,编程开发了虚拟三自由度机器人临场感仿真实验平台,该平台主要有硬件系统和软件系统组成,其中硬件系统主要有计算机、三维交互设备Falcon、键盘和鼠标构成。软件系统是在计算机上依据仿真模型开发出相应的仿真软件,该软件采用Windows XP操作系统、Visual Studio2008应用程序开发环境、OpenGL图形库和Falcon数据库,结合MFC类库开发,通过Falcon实现人机交互,实现运动信息以及力信息的相互映射。虚拟三自由度机器人的运动信息由计算机和Falcon实时给定和采样计算,对虚拟操作,捕捉抛物、晃动轨迹以及力觉进行了仿真,仿真实验结果有很好的视觉临场感、力觉临场感和听觉临场感,表明了本文算法的有效性,同时也证明了本文的仿真模型已成功应用在了三自由度机器人的临场感仿真平台中。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TP242

【引证文献】
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