虚拟现实技术在机器人臂灵巧手遥操作中的应用.pdf
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1、Vol. 16 No. 10 系系 统统 仿仿 真真 学学 报报 Oct. 2004 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION 2305虚拟现实技术在机器人臂虚拟现实技术在机器人臂/灵巧手遥操作中的应用灵巧手遥操作中的应用 胡海鹰,李家炜,王 滨,王 捷,刘 宏 (哈尔滨工业大学机器人研究所, 哈尔滨 150001) 摘摘 要:要:将虚拟现实技术应用机器人臂/灵巧手遥操作系统中,完成了环境建模、人-机接口、精确的图形碰撞检测和抓握稳定性分析,并实现了对虚拟环境中模型的实时误差校正。利用该虚拟现实系统,结合视觉反馈和力反馈,完成了按按钮、拉抽屉、抓握灯泡等遥操作任务。 关键词:关
2、键词:虚拟现实;遥操作;机器人臂/灵巧手系统;模型误差校正 文章编号:文章编号:1004-731X (2004) 10-2305-04 中图分类号:中图分类号:TP391.9 文献标识码:文献标识码:A An Application of Virtual Reality on Teleoperation of Robot Arm and Dexterous Hand HU Hai-ying, LI Jia-wei, WANG Bin, WANG Jie, LIU Hong (Robot Research Institute, Harbin Institute of Technology (HI
3、T), Harbin 150001, China) Abstract: A teleoperation system for robot arm and dexterous hand based on virtual reality is introduced in this paper. Environment modeling, human-machine interface, precise collision detection and grasp stability analysis are focused in the development. Especially, the mo
4、del in virtual can be updated in real-time. Utilizing this virtual reality system combined with vision and force feedback, some teleoperation tasks, such as pushing button, pulling drawer and grasping bulb, have been accomplished. Key words: virtual reality; teleoperation; robot arm and dexterous ha
5、nd system; model calibration 引引 言言1 对于工作在太空、 深海等环境中的机器人系统, 由于空间作业环境的复杂多变性和当前智能技术发展的限制, 依靠机器人系统自主地完成任务在目前是很难实现的, 必须利用人以遥操作的方式参与机器人编程规划, 即本地的操作者利用遥操作设备实现远端机器人系统的遥控。 为提高遥操作机器人系统的能力和效率, 临场感技术是必不可少的1。 虚拟现实技术可以借助于视觉、听觉、力觉、触觉等传感器及相应的建模技术和设备, 使人在与计算机所生成的虚拟环境中产生“身临其境”的沉浸感,为用户提供一种和谐的人-机交互式的遥操作作业环境。大量遥操作机器人实验研
6、究表明,基于虚拟现实的仿真技术不但是克服大时延的有效手段,也为人的监控和机器人系统局部自主的共享控制的实现提供了人-机交互的界面2-4。 本文以太空遥操作机器人作业为背景,在 SGI 工作站上建立了机器人臂/灵巧手及其作业虚拟环境,实现了基于虚拟现实的人-机接口、精确的图形碰撞检测、抓握稳定性分析, 实现了对虚拟环境中模型的误差校正。 利用虚拟技术完成了机器人系统的遥操作试验, 从而提高了遥操作的效率 收稿日期收稿日期:2003-09-10 修回日期修回日期:2004-01-13 基金项目基金项目: 国家自然科学基金 (60275032) 作者简介: 胡海鹰作者简介: 胡海鹰(1977-),
7、男, 江苏人, 博士生, 研究方向为机器人遥操作, 虚拟现实, 力反馈; 李家炜李家炜(1971-), 男, 副研究员, 研究方向为机器人遥操作, 多手指协调抓取; 刘刘 宏宏(1968-), 男, 特聘教授, 博导, 研究方向为多手指灵巧手, 智能机器人, 空间机器人。 和可靠性。 1 遥操作系统结构概述遥操作系统结构概述 本文所述的机器人遥操作系统从功能结构上主要分为两个部分:基于虚拟现实的人-机接口系统和遥操作机器人系统, 见图 1。人-机接口部分包括人-机接口操作界面、视觉显示界面、虚拟环境图形界面。人-机接口操作界面有空间鼠标、 力反馈式数据手套等多种输入设备; 视觉界面显示机器人双
8、目 CCD 摄像系统摄取的作业图像;遥操作机器人系统由哈尔滨工业大学机器人研究所研制的具有多种感知功能的 HIT 四指灵巧手和 Staubli 公司的 RX60 型机器人臂一起组成的机器人臂/灵巧手系统、操作平台、作业对象及双目立体视觉系统组成。 局域网SGI图形工作站空间鼠标机器人控制器RX60机器人视觉工作站灵巧手控制器操作者人机接口系统部分四指灵巧手力反馈数据手套 摄像机遥机器人系统部分 图 1 机器人臂/灵巧手遥操作系统结构图 Vol. 16 No. 10 系 统 仿 真 学 报 Oct. 2004 2306 该结构中操作者通过空间鼠标、数据手套等人-机接口设备分别来操作虚拟环境中的机
9、器人臂、灵巧手仿真模型,SGI 图形工作站根据机器人运动学算法实现仿真模型的运动; 然后将仿真的结果数据分别传给机器人臂和灵巧手控制器, 使实际的机器人臂和灵巧手再现仿真模型的运动; 当被操作对象进入视场后,双目立体视觉系统计算出它在机器人固定坐标系中的位姿,虚拟现实系统利用位姿信息对被操作物体进行定位。 在灵巧手操作的过程中, 利用精确的图形碰撞检测、实时的视觉反馈和力反馈完成操作任务。 2 虚拟环境的构建虚拟环境的构建 2.1 虚拟环境的建模虚拟环境的建模 建立一个逼真的机器人系统的虚拟环境是提高仿真系统精度的保证。 虚拟环境建模主要包括几何建模和运动学建模。本文首先利用三维建模软件 Pr
10、oE 完成了虚拟场景中各部分几何模型,根据实体的物理性质定义它们的基本属性(位置、大小、颜色、纹理等),利用 C+编程环境和 SGI 公司的 OpenInventor 三维图形函数库在 SGI 工作站上将基本构件按运动学关系再组合成新的构件。在构件的基础上,定义它的运动学特性(自由度、平移与旋转轴、运动速度范围等约束)。我们将整个虚拟环境的世界坐标原点设在 RX60机器人的基关节的原点。 需要一起运动的就规定为父子关系,如机器人的各个关节之间,机器人末关节和灵巧手手掌之间, 灵巧手手掌和各个手指之间, 灵巧手各个手指关节之间。按照这种关系, 从 RX60 机器人底座到灵巧手指尖形成一个控制链,
11、 把这个控制链作为一个节点加入到虚拟场景中, 然后以 RX60 机器人基关节的原点作为基准,把工作台、被抓取物体等按实际位置加入到场景中, 机器人遥操作的虚拟三维图形场景就基本形成了。 OpenInventor 函数库提供了一个三维图形浏览器 ExaminerViewer, 它可以让操作者从任意的视角观察虚拟场景, 并可以任意放大局部三维视图。 这样就可以避免视觉反馈的视角局限性, 操作者通过虚拟环境就可以观测到虚拟操作场景的任意位置。 2.2 虚拟环境的人虚拟环境的人-机接口机接口 在理想的情况下,虚拟环境系统应当是多传感器构成的人-机交互集成系统,应该包括立体图像、立体视觉、声控、语音识别
12、、触觉系统、力反馈等。本系统中,为了操纵机器人臂和灵巧手, 我们重点开发了基于空间鼠标和数据手套的人-机接口和实际机器人臂/灵巧手操作环境的视觉反馈和操作力反馈。 图 2 中, 操作者不但可以观测到虚拟环境的立体图像,通过数据手套、空间鼠标分别操作虚拟的灵巧手和机器人臂,实现对仿真模型的规划和控制;还可以实时地观测到视觉反馈回来的实际场景和感觉到实际的操作力。 本文利用空间鼠标操作 RX60 机器人模型。 它作为空间控制器具有六个自由度, 分别对应刚体在世界坐标系三个方向上的平移及三个方向上的转动,用来控制虚拟环境中RX60 机器人末端的位置和姿态。 本文利用 CyberGlove 数据手套控
13、制灵巧手。由于灵巧手的配置和人手有很大的差异,因此必须完成人手与灵巧手的位姿映射。 人手到灵巧手的映射一般有两种: 基于关节角度对应的映射和基于指尖位置对应的映射, 前者适用于强力抓握, 后者适用于指尖精细操作。 本系统实现了基于指尖位置对应的映射:在立体双目视觉测量人手指尖位置的基础上,基于开环标定方法比较精确地得到人手各几何模型参数。利用 CyberGlove 数据手套测得的人手各关节的角度,运用机器人运动学关系得到人手各指尖位置, 然后根据修正的指尖位置映射关系,得到灵巧手相应的指尖位置5。 操作者可以通过安在灵巧手手掌上的两个摄像机传来的实时图像观测到实际的操作场景。 灵巧手的基关节上
14、有力矩传感器, 手指尖上有我们自己研制的五维力传感器, 它能精确地测得指尖三个方向的力和两个力矩; 因此操作者在利用数据手套操作虚拟物体时,还可以通过力反馈装置CyberGrasp 感受到实际反馈回来的操作力,从而可以实时监控抓取的过程, 判断抓取是否稳定和牢靠, 这对基于虚拟现实的遥操作是很有意义的。 图 2 虚拟现实系统与人机接口 2.3 三维图形碰撞检测三维图形碰撞检测 快速、精确的碰撞检测对提高虚拟环境的真实性、增强虚拟环境的沉浸感有着至关重要的作用, 而虚拟环境的复杂性和实时性又对碰撞检测提出了更高的要求。 本虚拟系统通过仿真场景中几何模型的特征描述, 逐层进行简化, 寻找几何模型间
15、的最近特征对, 实现了运动着的物体间的实时距离检测, 对距离达到规定阈值的几何模型进行碰撞检测, 提高了检测的效率。 通过对几何模型建立紧密的基于方向的层次包围盒树(OBB)6,实现了场景中运动物体间的快速、精确的碰撞检测,确定出接触模型的碰撞部位和接触法线方向,并以摩擦锥的形式进行表示。 2.3 虚拟环境的误差校正虚拟环境的误差校正 使用虚拟现实技术辅助操作者有效地完成对机器人的遥操作过程中,必须保证虚拟环境与真实环境的一致性。但是,即使对于高度结构化的环境,意外和偶然因素仍然是不可避免的, 且遥机器人的运动相对于理想轨迹或预定目标必然存在偏差, 这就造成了虚拟机器人和真实机器人之间Vol.
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- 虚拟现实 技术 机器人 灵巧 操作 中的 应用