基于虚拟现实的机器人遥操作关键技术研究

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1、第３８卷第１０期仪器仪表学报Ｖｏｌ３８Ｎｏ１０２０１７年１０月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＯｃｔ．２０１７基于虚拟现实的机器人遥操作关键技术研究倪得晶，宋爱国，李会军（东南大学仪器科学与工程学院南京２１００９６）摘要：机器人遥操作是实现空间、医疗及深海等领域作业的重要手段，基于虚拟现实的机器人遥操作是克服时延的有效方法，具有透明性强、稳定性高的优点，成为当前机器人遥操作的主要方式。首先分析了基于虚拟现实的机器人遥操作系统的关键组成部分，并对其关键模块的具体作用进行了介绍；其次，归纳分析了各类虚拟现实环境建模方法，主要从几何建

2、模和动力学建模方面展开，阐述了每种方法的应用领域、主要特点；此外，进一步分析了遥操作虚拟夹具设计的构建方法及适用领域。最后对当前存在的难点进行总结，指出今后研究的思路。关键词：虚拟现实；遥操作；环境建模；虚拟夹具中图分类号：ＴＰ２４２．３ＴＰ２４９Ｖ１１ＴＨ３９文献标识码：Ａ国家标准学科分类代码：５９０．１０４６０．４０ＳｕｒｖｅｙｏｎｒｏｂｏｔｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙＮｉＤｅｊｉｎｇ，ＳｏｎｇＡｉｇｕｏ，ＬｉＨｕｉｊｕｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖ

3、ｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｏｂｏｔｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｓｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｉｍｐｌｅｍｅｎｔｔａｓｋｓｉｎｓｐａｃｅ，ｔｅｌｅｓｕｒｇｅｒｙ，ｄｅｅｐｏｃｅａｎａｒｅａｓ．Ｒｏｂｏｔｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｉｓａｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔｗａｙｔｏｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅｔｉｍｅｄｅｌａｙｐｒｏｂｌｅｍ，ｗｈｉｃｈｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｗｉｔｈａｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｗｉｔｈｈｉｇｈｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙａｎｄｓｔｒｏｎｇｓｔａｂｉｌｉｔｙｐｅｒｆｏｒｍａｎ

4、ｃｅ，ａｎｄｉｔｉｓｃｕｒｒｅｎｔｌｙｔｈｅｍａｉｎｗａｙｔｏｒｅａｌｉｚｅｒｏｂｏｔｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｅａｃｈｍｏｄｕｌｅｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｍｅｔｈｏｄｓｔｏｒｅａｌｉｚｅｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｍｏｄｅｌｌｉｎｇａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌｌｉｎｇａｎｄｔｈｅｄ

5、ｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｅａｃｈｍｏｄｅｌｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｒｅａｓｏｆｖｉｒｔｕａｌｆｉｘｔｕｒｅｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｃｕｒｒｅｎｔｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｔｈｉｓａｒｅａａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｓｏｍｅｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙ；ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ；ｅｎｖｉｒ

6、ｏｎｍｅｎｔｍｏｄｅｌｌｉｎｇ；ｖｉｒｔｕａｌｆｉｘｔｕｒｅ在遥操作作业过程中，操作者通过主端控制回路，经由通０引言信链路，向从端发出控制指令，从端控制回路接收指令控制机器人完成作业，同时将机器人与环境的交互信息反近年来随着空间探索、深海开发、核辐射探测、医疗机馈给主端，帮助操作者了解环境状况，并做出进一步的规器人等领域的快速发展，人类亟需智能机器人完成自主作划和决策。良好的交互式遥操作系统不仅可以高效地实业。虽然智能机器人领域已有较大突破，但是受制于现有现危险作业，而且可以让操作者感受机器人与环境交互［３］传感、机构、控制等技术，研究出能在未知环境中自主作业时的“感受”，

7、在本地端实现“临场感”操作。的智能机器人仍是长期内难以实现的。因此，人与机器人然而，由于主端与从端地理位置的差异，时延成为影［１］交互式遥操作技术是实现远程复杂环境作业的主要手段。响遥操作系统性能不可避免的因素之一。在遥操作应用［２］［４］交互式遥操作系统主要由５个部分构成，包括操领域，时延可由１００ｍｓ到数十秒，这不仅降低了遥操作者、主端控制回路、通信链路、从端控制回路及机器人。作系统的稳定性、影响操作性能，而且极大地弱化了操作收稿日期：２０１７０３ＲｅｃｅｉｖｅｄＤａｔｅ：２０１７０３基金项目：国家重点研