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1、朱广超等:面向遥操作的机器人臂/手集成系统图形仿真¹面向遥操作的机器人臂/手集成系统图形仿真朱广超º王田苗丑武胜张玉茹张启先(北京航空航天大学机器人研究所北京100083)摘要介绍了机器人臂与多指灵巧手集成系统的图形仿真及其在遥操作中的应用,对其体系结构、环境建模、运动规划、基于虚拟现实的人机接口技术、视频图像与仿真图形的融合技术、分布式仿真技术进行了研究,并介绍了已经完成的工作。关键词图形仿真,虚拟现实,遥操作,分布式进行研究有着十分现实和深远的意义。0引言为此,本文作者以面向空间作业的机器人臂/
2、手集成系统(以下简称臂/手系统)为遥操作平台,对机对于工作在太空、深海等环境中的机器人系统,器人图形仿真系统及其在遥操作中的应用进行了深由于空间作业环境的复杂多变性和当前智能技术发入的研究,分别在SGI工作站上和PC机上完成了展的限制,依靠机器人系统的完全自主完成任务目臂/手系统的几何实体建模、抓持操作的仿真和规前是不可能实现的,必须利用人的智能以遥操作的划,并进一步利用遥操作设备,实现了基于虚拟现实方式参与机器人编程规划,即本地的操作者利用遥的人机遥操作交互界面,并通过网络模拟时间延迟,操作设备实
3、现远端机器人系统的遥控。然而由于信完成了臂/手集成系统的在线网络遥操作。号传输存在大的通讯时延,操作者通过延时的视频图像来遥控机器人显然是非常困难的,操作的安全1图形仿真系统的构成性也很难保证。解决这个大时延问题唯一有效的途径是利用机器人实时图形仿真技术在计算机中建立考虑到图形仿真在遥操作中的作用,作者对机一个虚拟的现实环境,操作人员通过操作虚拟环境器人臂/手系统图形仿真的组成部分及其相互关系中的机器人来实现对远端的真实机器人遥控。由于进行了分析,作者实现的图形仿真系统结构如图1操作人员与仿真图形之
4、间基本不存在时延,因而这所示。图中臂/手系统仿真模型的建立是整个图形种控制是非常容易的,而实际的机器人则在几秒后仿真的基础,它包括机器人臂和灵巧手的几何实体跟着仿真图形的动作而动作,从而实现了操作者对建模、运动学建模和运动规划算法的建模等部分;传远端机器人的遥操作,有效地解决了大时延的问题。感器的仿真模块包括对集成系统中光纤接近觉传感因此,在对远程机器人的遥操作进行研究时,图形仿器、腕六维力/力矩传感器等的建模和行为仿真;传真是不可缺少的重要组成部分。目前,德国、美国、感器信息的可视化模块实现了在机
5、器人运动过程日本等都在研究有关图形仿真的预测显示技术来克中,以图形可视化方式实时和直观地显示机器人的服大延时的问题,其中有些还引入了/虚拟通道0、位置、力/力矩等状态信息,在遥操作中可以利用该/虚拟墙0等虚拟引导工具以及MITI的/超级摄像模块显示远端现场的一些不可见的信息如接近距[1-3]机0等辅助操作工具。大量空间机器人实验研离、力/力矩等信息,可使本地操作者根据这些信息究表明,作为人机接口的图形仿方便地完成遥操作任务;臂/手系统的运动规划和抓真,不但是克服大时延的有效手持规划模块完成臂/手系统
6、抓持和操作任务的规划段,也为人的监控和机器人系统仿真。局部自主的共享控制的实现提供图1中的仿真图像与视频图像的融合模块、遥了人机交互的界面。因此,对面操作命令预览与预测显示模块、与VR设备的通讯向遥操作的机器人图形仿真技术接口模块及与实现共享控制和柔顺控制的接口模块¹863计划资助项目(863-512-9804-17)。º男,1971年生,博士生;研究方向:机器人遥操作,虚拟现实技术;联系人。(收稿日期:2000-03-17))59)高技术通讯2001.6都是服务于机器人臂/手系统遥操作任务的。其中
7、自己的受控对象,而且所有的操作者面对同一个仿遥操作命令预览与预测显示模块可以在离线的方式真环境,可以互相协调地完成操作任务。这就要求下,对遥操作的命令通过图形仿真进行预览,经执行图形仿真系统采用分布式结构,并且各个子单元之无误后,再送给远端机器人系统,以提高遥操作的安间通过网络进行通讯和协调。特别是在完成一些复全性;仿真图形与视频图像的融合模块完成仿真图杂的任务时,往往需要不同研究领域的专家进行协形与视频图像的标定和叠加,便于实时地监测机器同规划操作,利用分布式仿真可以使操作者在不同人执行的过程,提
8、高遥操作的精度和效率;与实现共的地理位置通过网络实现遥操作。作者研制开发的享控制和柔顺控制的接口模块完成人的智能、图形遥操作机器人仿真系统采用了分布式结构,它可以仿真、机器人的局部自主三者的有机融合和共享,实提供多视点和多视角的三维图形显示,允许多个操现遥操作的共享控制和柔顺控制,更安全高效地完作者通过分布式仿真环境来共同完成复杂的遥操作成遥操作作业;与VR的通讯接口模块将先进的虚任务,这不仅提高了仿真系统的可靠性、可扩展性和拟现实技术与图形仿真相结合,为操作者提供一
