帶力反饋的機器人虛擬操作.pdf

1、在日常生活中，人們通過觸覺和視覺來感知周圍的環(huán)境，并對環(huán)境中的物體進行相應(yīng)的處理。若要在無法到達的環(huán)境中完成復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)，或者要實現(xiàn)“身臨其境”的體驗未知的環(huán)境，往往需要用到虛擬現(xiàn)實技術(shù)。借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的“觸覺”和“視覺”，可以產(chǎn)生“身臨其境”的感覺。在操縱遠端機器人時，操作者如果同時能夠看到并感受到遠端環(huán)境，將能夠更精確的實現(xiàn)對遠端機器人的控制并完成作業(yè)任務(wù)。
　　本論文主要利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)帶力覺的機器人抓取物體的虛

2、擬操作。其中視覺的再現(xiàn)主要依靠對虛擬環(huán)境的仿真、運動學(xué)建模實現(xiàn)；觸覺、力覺的再現(xiàn)主要通過碰撞檢測、力反饋模型和PHANTOM力反饋器實現(xiàn)。帶力反饋機器人虛擬操作系統(tǒng)由力反饋器，仿真模型，顯示設(shè)備三部分組成，主要模塊包括位姿信息采集模塊，位姿信息處理模塊，力反饋模塊，碰撞檢測模塊，虛擬環(huán)境模塊，顯示模塊。
　　帶力反饋機器人虛擬操作系統(tǒng)的硬件組成包括 PHANTOM力反饋設(shè)備和計算機。PHANTOM力反饋設(shè)備具有力反饋和主操作手兩種

3、功能。在虛擬操作系統(tǒng)中，操作者通過操作力反饋器的操作桿來控制虛擬機器人執(zhí)行相應(yīng)的動作，完成任務(wù)。在機器人運動的過程中，機器人和環(huán)境中物體的碰撞以及虛擬物體之間的相互碰撞產(chǎn)生的作用力均通過PHANTOM的操作桿反饋給操作者。系統(tǒng)中計算機的作用為處理碰撞檢測、位姿信息、反饋力信息等軟件模塊。
　　位姿信息處理部分主要包括正向運動學(xué)與逆向運動學(xué)。由于 PHANTOM與虛擬機器人屬于異構(gòu)系統(tǒng)，兩者的結(jié)構(gòu)和功能不盡相同，故PHANTOM的位

4、姿信息需要通過一系列變換映射到虛擬機器人空間，從而得到虛擬機器人的位姿信息。即“關(guān)節(jié)-位姿-位姿-關(guān)節(jié)”的驅(qū)動方式。其中“關(guān)節(jié)-位姿”為PHANTOM端的正向運動學(xué)過程，“位姿-關(guān)節(jié)”為虛擬機器人端逆向運動學(xué)過程。
　　碰撞檢測用于檢測運動過程中物體之間是否發(fā)生碰撞，若發(fā)生碰撞則進行反饋力的計算與輸出，如反饋力的大小和方向；以及碰撞物體后續(xù)運動情況的處理，如碰撞后物體的運動情況等。在碰撞檢測部分，本文采用基于圖像空間的碰撞檢測方法

5、。該方法通過OpenGL的擴展功能--FBO（Frame Buffer Object）技術(shù)--將虛擬環(huán)境中物體的深度信息渲染至紋理，然后利用GPU的運算能力對紋理中的深度數(shù)據(jù)進行運算處理，根據(jù)運算結(jié)果判斷出是否發(fā)生碰撞。
　　針對反饋力的計算和實現(xiàn)。首先本論文分析了“質(zhì)點-彈簧-阻尼器模型”和“Stick-snag”兩種力反饋模型，并依照物理學(xué)原理給出了“頂點-面”“邊-邊”兩種基礎(chǔ)接觸模式下非摩擦類反饋力的計算公式，以及動摩擦力