面向 EAST腔远程检测的虚拟现实仿真系统设计与实现.pdf

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1、第７期周涛涛等．面向ＥＡＳＴ腔远程检测的虚拟现实仿真系统设计与实现７０１面向ＥＡＳＴ腔远程检测的虚拟现实仿真系统设计与实现周涛涛卢俊国（上海交通大学自动化系系统控制与信息处理教育部重点实验室，上海２００２４０）摘要针对先进实验超导托卡马克（ＥＡＳＴ）腔远程检测可视化和安全性的需要，设计并实现了一个高效的虚拟现实仿真系统。该系统采用高性能的开源三维图形渲染引擎ＯｐｅｎＳｃｅｎｅＧｒａｐｈ开发。虚拟现实仿真系统接收控制系统发送来的柔性内窥机械臂的实时位置数据来更新虚拟现实仿真系统中虚拟柔性内窥机械臂的位置。能通过快速碰撞检测

2、确保远程检测的安全。该虚拟现实仿真系统还具有３Ｄ显示、操作培训等功能，也可以在规划的轨迹应用到柔性内窥机械臂之前进行正确性的验证。另外，通过虚拟现实仿真系统可以直接控制远程柔性内窥机械臂执行任务。关键词虚拟现实ＥＡＳＴ腔远程检测柔性内窥机械臂中图分类号ＴＨ８６５文献标识码Ａ文章编号１０００３９３２（２０１６）０７０７０１０６先进实验超导托卡马克核聚变实验装置（Ｅｘ染引擎ＯｐｅｎＳｃｅｎｅＧｒａｐｈ开发。虚拟现实仿真系ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＡｄｖａｎｃｅｄＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＴｏｋａｍａｋ，统能工作在在线和

3、离线两种模式。在线模式虚拟ＥＡＳＴ）已经在中国科学院等离子体物理研究所现实仿真系统从柔性内窥机械臂接收位置信息，［１］（ＡＳＩＰＰ）建造并成功运行。ＥＡＳＴ腔易受聚变并实时更新到仿真中，该模式提供了经典虚拟仿［４］中子撞击而损坏，ＥＡＳＴ腔的远程检测任务是一个真系统的基本功能，例如实时查看场景中机械［２］极具挑战的工作。柔性内窥机械臂（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ臂位置和实时碰撞检测。在离线模式中提供了操ＩｎｖｅｓｓｅｌＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎＲｏｂｏｔ）是一个十自由度的机械作培训和轨迹验证的功能。另外，虚拟现实仿真臂，可以在不影响ＥＡ

4、ＳＴ内部环境的情况下对系统还提供了一些高级功能，例如３Ｄ显示、增强［３］ＥＡＳＴ腔进行远程检测。远程检测安全运行，虚拟的场景再现、从虚拟现实仿真系统中直接控尤其是避免柔性内窥机械臂与ＥＡＳＴ腔的碰撞非制柔性内窥机械臂。目前，该虚拟现实仿真系统常重要，所以一些确保安全的工具，例如距离传感已经成功地应用到ＥＡＳＴ腔远程检测任务中。器、视觉传感器需要安装在ＥＡＳＴ腔内部或者携１柔性内窥机械臂结构介绍带在机械臂上。然而由于腔内有限的空间和高γ柔性内窥机械臂是具有十自由度的宏微机械［３，５］射线环境会导致效果下降，很难准确计算出柔

5、性臂，如图１所示，宏臂部分包括关节１～６，其内窥机械臂相对于ＥＡＳＴ腔的位置。另外，用户中两个旋转关节、４个滑动关节，主要控制机械臂操作培训非常困难、耗费资源，并且培训时影响托进出ＥＡＳＴ腔体和在腔内沿圆弧运动；微臂包括４卡马克的正常运行。针对上述原因，面向ＥＡＳＴ个旋转关节，末端携带两个监控相机，微臂具有灵腔远程检测开发一个具有能计算出柔性内窥机械活的运动空间和高精度检测的特点。臂相对于ＥＡＳＴ腔位置、能进行操作培训和其他功能（碰撞检测、轨迹验证、３Ｄ显示）的虚拟现实仿真系统非常必要。收稿日期：２０１５１１０３（修

6、改稿）笔者设计了一个面向ＥＡＳＴ腔远程检测的虚基金项目：国家科技部国际热核聚变实验堆（ＩＴＥＲ）计划专项拟现实仿真系统，采用高性能的开源三维图形渲（国内研究）（２０１２ＧＢ１０２００１）７０２化工自动化及仪表第４３卷Ｃ＋＋，运行环境是Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统，为了取得更好的显示效果，配置了专业的图形工作站和３Ｄ显示屏。远程检测系统结构如图２所示，主要分为本地端和远程执行端两部分。本地端与远程端通过ＬＡＮ进行通信，一方面，本地端发送控制命令给远程执行端；另一方面，从远程端接收反馈回来的真实机械臂位置信息和相机图像信息。虚拟现

7、实仿真系统安装在本地端，系统从本地ＰＣ接收数图１柔性内窥机械臂结构据，例如：关节控制数据、ＥＡＳＴ腔表面砖块图像数２虚拟现实仿真系统设计据、外部设备（３Ｄ鼠标、键盘）的输入数据。与此虚拟现实仿真系统采用高性能的开源三维图同时，虚拟现实仿真系统发送反馈数据（碰撞检形渲染引擎ＯｐｅｎＳｃｅｎｅＧｒａｐｈ开发，人机界面采用测结果、警告信息）到本地ＰＣ。图２远程检测系统结构３虚拟现实仿真系统的功能新。如图３所示，操作人员通过虚拟现实仿真系３．１实时观察场景（在线）统能知道柔性内窥机械臂与ＥＡＳＴ腔的相对位实时观察场景是虚拟现实仿

8、真系统的一个主置。另外，通过鼠标拖曳，操作人员能从任意角度要功能，操作人员能利用该功能在视觉信息受限查看虚拟现实系统中的柔性内窥机械臂的情况。的情况下清楚地了解到柔性内窥机械臂相对于３．２实时碰撞检测（在线）ＥＡＳＴ腔的位置，为了实现这个功能，虚拟现实仿实时碰撞检测能确保机械臂安全工作。虚拟现真系统通过ＬＡＮ接收柔性