面向微操作的虚拟现实关键技术研究

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1、摘要摘要微操作机器人在微小零件装配、生物工程、显微医疗、光学调整等领域具有广泛应用前景。本课题的研究工作在国家863计划基金资助下(项目批准号:2001AA422120)，结合微操作的需要，在已有微操作机器人研究成果的基础上，引入虚拟现实技术，建立了一套基于网络的具有视觉反馈和力觉反馈功能的虚拟环境系统，对微操作的操作过程进行预测仿真，并且监测、控制实际的微操作，完成了直径0.2mm的轴孔零件装配。本文首先研究了微操作虚拟现实系统的结构体系，阐述了其各个组成部分的功能。在此基础上，针对已有的主从式遥微操作机器人系统进行了深入的分析，并且在基于PC平台

2、的硬件结构上，运用VisualC++和CODE99软件开发平台，建立了微操作机器人的三维图形模型。分析了微操作机器人的运动学模型。在虚拟现实系统中，虚拟物体和真实物体不但要在外形上相似，还要具有真实世界中的物理特性。为了防止虚拟物体之间的互相碰撞，本文在分析了各种碰撞检测算法之后，运用FDH包围盒算法建立了虚拟环境下的图形碰撞监测模型。研究了微小物体在微小作用力下的变形，以微针与微孔为分析目标，分析了微针在插孔过程中的各种受力状态，并且给出了微针变形的微分方程，将由碰撞产生的变形和虚拟力反馈给操作者。网络数据通信模块对于连接整个微操作虚拟现实系统的各

3、个组成部分是非常关键的。本文研究了主从机器人通过TCP/IP协议的数据通信方法，利用基于客户端/服务器模式的socket网络数据通信，采用多线程编程技术，构建了网络数据通讯平台，实现虚拟环境与微操作系统的信息交互。建立了虚拟环境的人机接口，包括空间鼠标的接口和友好的操作界面。以微小轴孔零件装配为目标，在校园局域网的基础上，设计了基于虚拟环境的遥微操作实验平台，并且设计了微小轴孔零件的装配策略，完成了直径为0.2mm的微小轴孔装配任务。关键词微操作机器人;虚拟现实;碰撞检测:网络通信:人机接口哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractMicro-m

4、anipulatingrobothasagreatapplicationexpansibilityinthefieldofmicro-assembly,bio-engineering,andsoon.ThisresearchissupportedbytheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentProgramofChina,(No2001AA422120).Basedonthepresentmicro-manipulatingrobot,virtualrealitytechnologyisintrodu

5、ced,andamicromanipulationsystemwithvirtualrealityinterfacebasedonInternetisfounded,whichhasvisionfeedbackcontrolandforcefeedbackcontrol.Thevirtualenvironmentcansimulate,monitorandcontroltheactualmicromanipulationprocessandsuccessfullyperformspeg-in-holetaskwiththediameterof0.2m

6、m.Inthisresearch,thestructureandprincipleofmicromanipulationvirtualrealitysystemisanalyzed,andthefunctionofitspartsisdiscussed.Afteranalyzingthemicro-manipulatingrobotindetail,the3Dgraphicmodelofmicro-manipulatingrobotissetup,withVisualC++andCODE99software.Thenthekinematicsequa

7、tionofmicro-manipulatingrobotisanalyzed.Invirtualenvironment,thevirtualobjectsshouldnotonlyreflecttheshapecharactersoftheactualobjects,butalsoreflectthephysicalcharactersoftheactualworld.Toavoidthecollisionbetweenvirtualobjects,thecollisioncheckmathematicmodelsareanalyzed,andac

8、ollisioncheckmodelbasedonfixeddirectionshulls(FDH)boun