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1、 硕士学位论文硕士学位论文吉林大学吉林大学作作 者者 倪倪 涛涛 论文分类号 TP242 单 位 代 码 10183 密 级 内内 部部 研究生学号 2200403 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 虚拟现实临场感遥操作工程机器人系统研究虚拟现实临场感遥操作工程机器人系统研究 Research on Tele-robot with Virtual Reality Telepresence Research on Tele-robot with Virtual Reality Telepresence 作者姓名作者姓名: 倪倪 涛涛 专专 业业: 机械电子工程机械电子工程 导师姓名导师姓名
2、 及 职 称: 赵丁选 教授及 职 称: 赵丁选 教授 论文起止年月： 2001论文起止年月： 2001年 12 月至 2003 年 2 月 年 12 月至 2003 年 2 月 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 III 提 要 以主、 从操纵机器人为核心的临场感遥操作系统可以在人难以靠近的高温、 高压、强辐射、窒息等极限环境下进行复杂的操纵作业。借助于遥操作系统提供力觉、视觉临场感以及虚拟现实场景，可以使操作者真实地感觉到机器人与被操作物体的动态相互作用。而且，国内外专家学者们普遍认为临场感作业中的虚拟现实技术是解决遥操作中大时延问题的唯一有效途径。 所以进行 “虚拟现实临场感遥操作机
3、器人系统研究”具有十分重要的意义。 本文在对国内外虚拟现实临场感遥操作机器人研究分析的基础上，建成了一个基于无线通信的、具有视觉反馈同虚拟现实技术相结合的遥操作机器人系统，并对遥操作机器人的位置控制器进行了设计。针对遥操作系统中存在的大时延问题，本文提出采用虚拟现实辅助遥操作的控制策略，并进行了试验研究。 试验表明这种具有高度临场感提示的操作方式与单纯依靠从现场传来的视觉图像而进行的遥控操作相比，可以极大地提高工作效率，用于抢险可以节约宝贵的时间，同时由于采用无线网卡作为数据传输媒介，可以摆脱物理连线的限制，更好地完成空间、水下等危险环境作业。随着社会的进步与经济的发展，人们对抢险工作提出了越
4、来越高的要求，具有临场感提示的遥操纵机器人系统将在未来抢险工作中及特殊领域的工作中发挥其得天独厚的和无可替代的作用，必将创造出巨大的经济效益与社会效益。 关键词： 临场感 遥操作机器人 主从操作 无线网卡 电液伺服 大时延 多线程技术 设备驱动程序临场感 遥操作机器人 主从操作 无线网卡 电液伺服 大时延 多线程技术 设备驱动程序 虚拟现实虚拟现实 碰撞检测碰撞检测 图形机器人图形机器人 包围盒包围盒 目 录 第一章 绪 论1 引言1 1.1 课题研究的目的和意义 2 1.2 虚拟现实临场感遥操作机器人研究发展介绍 4 1.2.1 虚拟现实技术概念与特点 5 1.2.2 各国研究遥操作机器人
5、VR 技术的发展状况 5 1.2.3 我国的研究状况 7 1.3 临场感遥操作虚拟现实系统目前的主要研究内容8 1.3.1 监控和协作控制 8 1.3.2 劣质视觉反馈的遥操作 11 1.3.3 具有通信时延的遥操作 11 1.4 本文主要研究内容 12 第二章 虚拟现实临场感遥操作机器人系统组成 13 2.1 系统总体构成 13 2.2 机械手本体结构 14 2.3 电液控制子系统 16 2.4 位移伺服控制控制子系统 16 2.5 视觉临场感子系统 18 2.6 无线通信子系统 18 第三章 机器人运动学模型的建立 19 3.1 机械手的运动学方程 19 3.1.1 机械手连杆的几何参数
6、19 3.1.2 机械手的连杆坐标系 21 3.1.3 连杆变换矩阵及正向运动学 22 3.2 机械手关节液压缸伸长与摆角的关系 24 第四章 位置伺服控制系统设计 27 4.1 电液控制系统模型 27 4.2 PID 串联校正控制器设计 34 4.3 位置控制环节的数字 PID 串联校正 36 第五章 无线通讯系统控制软件设计及试验 39 5.1 无线通讯环节的软件实现 39 5.1.1 TCP/IP 协议和 WinSocket 套接字 39 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 V 5.1.2 通讯程序设计要点 40 5.2 控制软件设计中的关键技术 41 5.2.1 数据传输中机器人控制信息的可靠性 41 5.2.2 多线程技术 41 5.2.3 中断定时设备驱动程序的编写 42 5.3 遥操作试验及数据分析 43 5.3.1 试验方案 43 5.3.2 主从位置控制试验 44 第六章 基于 OpenGL 的视觉虚拟现实 47 6.1 OpenGL 系统介绍 47 6.1.1 OpenGL 体系结构 48 6.1.2 OpenGL 工作流程 49 6.2 图形机器人模型的建立 50 6.2.1 机器人基本几何体的三维构建
