虚拟现实临场感遥操作工程机器人系统研究(硕士论文)200403
基于虚拟现实的遥操作系统设计与实现
基于虚拟现实的遥操作系统设计与实现随着科技的不断进步，虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术日益广泛应用于各个领域。
尤其在遥操作系统的设计与实现上，虚拟现实技术为我们带来了许多创新的可能性。
本文将探讨基于虚拟现实的遥操作系统的设计与实现。
一、遥操作系统的意义与需求遥操作系统是一种通过远程控制设备和系统来完成操作的系统。
它可以实现操作员与被操作对象之间的距离和环境的解耦，为一些特殊情况下的操作提供了便利和安全性。
虚拟现实技术作为一种模拟和增强现实世界的技术，可以提供身临其境的感觉，让用户感觉自己身处虚拟环境中。
基于虚拟现实的遥操作系统可以实现操作员在远程位置上操作，并具备与真实环境互动的能力。
这样的系统可以应用于军事、医疗和工业等领域，为危险、高风险或不便于直接接触的操作提供解决方案，减少人身安全风险。
二、基于虚拟现实的遥操作系统设计框架1. 设备和传感器：基于虚拟现实的遥操作系统需要支持操作员与被操作对象之间的信息交互。
因此，系统需要配备各种传感器、摄像头、手柄等设备，以便实时获取被操作对象的数据。
2. 虚拟环境构建：为了实现身临其境的体验，系统需要构建逼真的虚拟环境。
这包括场景建模、渲染和光线追踪等技术。
通过对虚拟环境的模拟，操作员可以感受到真实环境中的物体、声音和触感等信息。
3. 实时传输与处理：基于虚拟现实的遥操作系统需要实时传输被操作对象的信息，并在远程端进行处理和渲染。
这要求系统具备高速的数据传输和处理能力，以实现低延迟的操作体验。
4. 交互与控制：在设计基于虚拟现实的遥操作系统时，考虑到操作员需要进行准确和精细的操作，系统应提供多种交互方式，如手势识别、语音识别和头部追踪等。
这样，操作员可以通过直观的方式操纵虚拟环境中的对象。
5. 安全性与稳定性：由于遥操作系统可能涉及到危险和高风险的操作，系统的安全性与稳定性显得尤为重要。
系统应具备监控和报警机制，确保操作员和被操作对象的安全，并且系统应具备自动断开连接的功能，一旦发生异常情况，能够对系统进行安全保护。
基于虚拟现实的工业机器人仿真系统的研究与开发
应用前景展望
工业机器人仿真系统在制造业中的应用将更加广泛，提高生产效率和降低成本。
随着虚拟现实技术的不断发展，工业机器人仿真系统将更加逼真和精确，为实际操作提供更好的 模拟环境。
工业机器人仿真系统将应用于更多领域，如航空、医疗、能源等，为各行各业提供技术支持和服 务。
未来工业机器人仿真系统将更加智能化和自主化，能够更好地适应复杂环境和任务，提高机器人 的自主决策和学习能力。
未来研究方向探讨
虚拟现实技术： 提高仿真系统 的真实感和沉
浸感
人工智能技术： 实现机器人自 主决策和学习
能力
5G通信技术： 提升系统实时
性和稳定性
跨领域应用： 拓展仿真系统 在医疗、教育 等领域的应用
感谢您的观看
汇报人：
算法验证：通过实验验证仿真算法的正确性和有效性
算法应用：将仿真算法应用于实际工业机器人系统中，实现机器人运动轨迹的精确控 制和优化
基于虚拟现实的 工业机器人仿真 系统的开发
系统开发平台选择与搭建
开发平台：Unity3D 搭建步骤：创建虚拟环境、导入工业机器人模型、编写控制逻辑 开发工具：C#、Shader Graph 平台优势：高效、易用、支持多种操作系统
云端化：随着5G等通信技术的发展， 虚拟现实技术将逐渐向云端化发展， 降低硬件要求，提高用户体验。
工业机器人仿真 系统介绍
工业机器人仿真系统的定义和作用
定义：工业机器 人仿真系统是一 种用于模拟工业 机器人实际运行 情况的计算机系
统
作用：用于测试和 验证工业机器人的 性能和功能，提高 机器人系统的可靠 性和安全性，降低 实际应用中的风险
基于虚拟现实的工业机 器人仿真系统的研究与 开发 汇报人：
基于虚拟现实技术的遥操作机器人协调控制系统研究的开题报告
基于虚拟现实技术的遥操作机器人协调控制系统研究的开题报告一、选题背景随着虚拟现实技术的不断发展和应用，其在实现远程遥操作和协作的领域中也得到了广泛的关注和应用。
而机器人技术的发展和应用也越来越广泛，例如在危险环境、灾难现场、医疗领域等地均有广泛的应用。
但是由于操作者与机器人之间的远距离和物理上的障碍，机器人在实际应用中也面临许多挑战，例如操控不灵活、协作不协调、响应不及时等问题。
因此，如何通过虚拟现实技术构建一个协调控制系统，实现遥操作机器人的高效、精准、安全的控制成为了一个热门研究方向。
二、研究意义目前，遥操作机器人系统中的控制和沟通系统已经具备了一定的发展潜力，但仍然存在着各种问题。
尤其是在高风险和复杂环境下，机器人控制更加复杂，需要更高的适应性和智能化。
因此，本研究将主要基于虚拟现实技术，构建一个协调控制系统，通过制定控制策略和建立合适的交互界面，实现在远距离下遥操作机器人的高效、精准、安全的控制。
三、研究目标本研究主要旨在探究虚拟现实技术在遥操作机器人系统的协调控制中的应用，具体研究目标包括：1. 设计一个基于虚拟现实技术的遥操作机器人协调控制系统，并对系统中的各个功能模块进行设计和优化。
2. 建立一套机器人协同控制策略，在保证机器人控制的高效性和精准度的同时，提高机器人的协调性和智能化。
3. 在实验室环境下进行系统性能测试，并对测试结果进行分析和总结，验证该系统在提高遥操作机器人控制精度和效率方面的优势。
四、研究内容1. 虚拟现实技术在遥操作机器人系统中的应用分析2. 遥操作机器人系统的控制框架设计3. 基于虚拟现实技术的机器人控制模块设计4. 机器人协同控制策略设计5. 系统性能测试和结果分析五、研究方法本文采用系统性的研究方法，主要包括系统化和实践性的研究方法。
系统化地研究关于遥操作机器人系统和虚拟现实技术的理论及研究进展，并结合现有的机器人控制策略，提出一套机器人协同控制策略。
实践性研究采用实验室实验，并进行实验数据分析和总结，以验证所提出的机器人协调控制系统的有效性。
临场感遥操作机器人综述
４２机器人技术与应用２００４．１０． 引言遥操作机器人（Ｔｅｌｅｒｏｂｏｔ）是指在人的操作下能在人难以接近或对人有害的环境中，完成比较复杂操作的一种远距离操作系统。
临场感技术（Ｔｅｌｅｐｒｅｓｅｎｃｅ）是以人为中心，通过各种传感器将远地机器人与环境的交互信息（包括视觉、力觉、触觉、听觉、运动觉等）实时地反馈到本地操作者（人）处，生成和远地环境一致的虚拟环境，使操作者产生身临其境的感受，从而实现对机器人带感觉的控制，完成作业任务。
临场遥操作感机器人的实现不仅可以满足高技术领域发展的急需，如空间探索（卫星的修理，空间站的维护，月球、火星等行星的勘探）和海洋开发（海洋资源调查，深海打捞，水下电缆修理，海洋钻井平台维护，海底考古等）以及原子能应用，而且可以广泛地应用于军事领域（战场、防化、扫雷、救护等）和民用领域（远程医疗、远程教育、远程科学实验、旅游娱乐等）。
在这些场合中，遥操作机器人的应用使人摆脱了传统的操作者的角色，由直接操作（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）变成了遥操作（Ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ）。
遥操作不同于遥控，远方作业机器人是人类行为能力的延伸，其行为能力可通过“遥控（Ｔｅｌｅｃｏｎｔｒｏｌ）”和“遥操作（Ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ）”来实现，香港中文大学的刘云辉教授通俗易懂地揭示了“遥控”与“遥操作”的区别：人在控制远方的机器人进行作业的同时，又必须得到机器人在“知觉”上的反馈，是否有足够的“知觉反馈”是“遥操作”区分与通常所说的“遥控”的要素之一。
具有临场感的遥操作与无临场感的遥控相比，在提高机器人的作业效率、作业精细程度等方面有着不可比拟的优点，因为临场感技术将人的经验、技能与远方机器人作业紧密结合在一起，使人可以自然和本能地控制机器人的作业，充分利用了人所固有的感觉和反应能力，实现了机器人与人脑的协调。
临场感遥操作机器人技术隶属于虚拟机器人研究领域，智能机器人研究的现状表明，由于受到机构、控制、传感器以及人工智能水平的限制，研究出能在未知环境中全自主方式工作的机器人是目前难以实现的目标。
虚拟现实力觉临场感遥操作机器人系统的稳定性
∫T
〈v y〉T = v ( t) y ( t) d t
(6)
0
在初值为零时有 :
〈 v Hv〉T ≥δ‖v ( T) ‖2 + β, Π v ∈ Ie , Π T ∈ P
(7) δ= sup{δ∈R + | β,使得 (7) 式成立} 。若 β= const ,δ ≥0 ,则称 H 为无源的 ;若 δ> 0 ,则称 H 为严格无源 的 。因 H 稳定 ,输入 v 和输出 y 之间有对应关系 , 于是 (7) 式在 δ> 0 的条件下还可表示为 :
1 系统结构
虚拟现实力觉临场感遥操作机器人系统结构 [ 6 ]
如图 1 所示 。它由操作者 (人) 、虚拟世界 (虚拟手和
虚拟环境) 、主手子系统 、从手子系统 、通信环节 、参
数辨识器 、环境等组成 。图中 , xm 和 f m 是主手终端
执行器的速度和作用力 , f m 等于操作者 (人) 给出的
虚拟现实力觉临场感遥操作机器人系统的稳定性 ①
陈俊杰1 ,2 , 黄惟一1
1. 东南大学仪器科学与工程系 ,南京 210096 2. 南通工学院自动化系 ,江苏 南通 226007
摘要 :具有良好的可操作性 ,又能确保系统稳定性是解决力觉临场感遥操作机器人系统时延问题的根本 。本文阐 述了采用 Popov 超稳定性理论分析并研究虚拟现实力觉临场感遥操作机器人系统的稳定性问题是行之有效的 ,并 给出了其分析方法 ,指出 Popov 超稳定性与无源稳定性理论是条件一致的 。实验显示本文所给出的方法的有效性 。 本文的论述对于系统的设计极具价值 。 关键词 :遥操作 ;虚拟现实 ;Popov 超稳定性 ;无源性 ;时延 中图分类号 :TP24212 文献标识码 :A 文章编号 :1004 - 1699 (2003) 04 - 0393 - 04
基于力觉临场感的遥操作技术研究
华中科技大学硕士学位论文Woo-Keum等人成功开发出了一套基于虚拟模型的力觉遥操作系统，成功的运动于ETS-Ⅶ，完成多项的实验研究[31]。
由于临场感技术在许多领域的重要性，我国863高技术计划中，智能机器人主题己将临场感技术及相关的虚拟现实列为关键技术进行研究。
近年来，我国逐渐开展了对虚拟现实临场感遥控作业系统的研究，而对虚拟现实力觉临场感遥操作系统的研究处于起步阶段。
其中，清华大学智能技术及系统国家重点实验室这几年来在视觉遥操作技术方面做了相关的研究工作，开发了一套“视觉临场感环境(VTE-Vision Telepresence Envirorvnent)”实验装置。
华中科技大学联合哈尔滨工业大学等几所高校也对遥操作系统进行了重点的研究，开发了一套基于虚拟现实的遥操作系统[46]。
1.3 本文主要工作本文主要研究基于力反馈的机械臂遥操作系统，着重对遥操作中力觉临场感的获取，力反馈的作用，基于力反馈的遥操作控制理论等方面进行了详细的分析，并且通过具体的实验来论证各个理论方法的可行性。
具体工作主要有以下几点：（1）构造了一个虚拟手的运动映射模型。
此模型能够将数据手套采集到的人手模型映射到虚拟场景中，再来引导灵巧手的运动，实现灵巧手的控制。
（2）结合课题实践，提出了基于实际材料的虚拟力外推技术。
将实验所得的力觉曲线融入到虚拟力的求解过程中，能有效的提高虚拟力的力觉临场感，在实际的项目中取得了很好的效果。
（3）实现了通过力觉传感器采集从端真实力觉信息，传递到主端操作者的力觉实现过程。
并分析了其中需要注意的两个技术难点，即机器人末端的简化运动学反解方法和灵巧手的力觉信息增强。
（4）虚拟现实是解决遥操作系统中时延问题的重要手段，但在建立虚拟模型过程中的模型误差问题会极大的破坏系统的有效性。
本文利用最佳接近速度理论，设计了一个具有模型纠错能力的基于虚拟的力反馈遥操作系统。
它能够对虚拟模型的误差进行一定的纠错，并对它的可行性和有效性进行了的分析。
虚拟现实技术在机器人臂灵巧手遥操作中的应用
V ol. 16 No. 10 系统仿真学报Oct. 2004 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION·2305·虚拟现实技术在机器人臂/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：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：1004-731X (2004) 10-2305-04中图分类号：TP391.9 文献标识码：A An Application of Virtual Reality on Teleoperation of Robot Armand Dexterous HandHU Hai-ying, LI Jia-wei, WANG Bin, WANG Jie, LIU Hong(Robot Research Institute, Harbin Institute of Technology (HIT), 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 model 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 hand system; model calibration引言对于工作在太空、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。
基于虚拟现实的力觉临场感遥操作研究
如感知信息的精度和实时性、遥控机器人的稳定性和适应性以及人机交互的 直观性和自然性等。
本次演示采用的研究方法是构建一个基于力觉和视觉临场感的遥操作机器人 系统，并对其进行实验验证。首先，我们构建了一个遥控机器人平台，该平台包 括机器人本体、传感器、控制器和通信模块等。然后，我们设计了一种新型的力 觉和视觉临场感
并能够感知到机器人的动作、力度等信息，从而实现对目标对象的精准操作。 本次演示将对力觉临场感遥操作机器人技术的发展与现状进行详细阐述。
综述
力觉临场感遥操作机器人技术的发展历程可以追溯到20世纪末。在这个过程 中，研究者们不断优化技术方案，提高系统的稳定性和可靠性。力觉临场感遥操 作机器人技术的优点主要包括：1）能够远距离操作，避免操作者暴露在危险环 境中；2）
三、临场感遥操作机器人的设计 与制作流程
临场感遥操作机器人的设计与制作流程主要包括以下几个方面： 1、确定应用场景和任务需求，例如医疗手术、军事侦察或工业操作等；
2、设计机器人的机械结构和运动系统，包括移动平台、手臂和传感器等； 3、选择合适的计算机硬件和软件，例如处理器、摄像头、无线通信模块等；
二、临场感遥操作机器人的研究 现状和趋势
目前，国内外研究者已经研制出多种不同类型的临场感遥操作机器人，例如 医用手术机器人、军事侦察机器人、工业操作机器人等。研究内容主要包括操作 者与机器人的交互方式、通信协议和数据传输速率等方面。未来的研究趋势将集 中在提高操作者
的舒适度、降低延迟和提高机器人的自主性等方面。
此外，降低系统成本也是未来发展的重要方向，这将使得力觉临场感遥操作 机器人技术更加普及化。
结论
本次演示对力觉临场感遥操作机器人技术的发展与现状进行了详细阐述。通 过综述其优点、不足以及分析目前市场上的主流产品和技术原理，结合应用案例 和未来展望，可以得出以下结论：力觉临场感遥操作机器人技术具有广泛的应用 前景和重要性，
基于虚拟现实的遥机器人控制系统仿真研究
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｓ： ｒｕａ ｅ ｌｔ Ｒｏｂ ， ｅ ｏｔ ｏｎｔｏ ， ｍ ｕａ ｉ ｎ ｄ Ｖｉｔ ｌｒ ａ ｉｙ， ｏｔ Ｒ ｍ ｅ ｃ ｒ ｌ Ｓｉ ｌｔｏ
基 于虚 拟 现实 的遥操 作机 器人 系统是 一个 牵涉
行， 如果 可 行 则 将 控 制 命 令 发 送 远 程 机 器 人 执 行 。 遥 编程控 制是 对预 测 显 示 控制 的改 进 和 发展 ， 编 遥 程 控制完 全依 赖 于虚拟 现实 技术 。利 用虚拟 现实技
基于虚拟 现实 的遥机 器人 控制 系统仿真研 究
罗 迎， 曹金 玲
（ 林 学院， 西 榆林 ７９０） 榆 陕 １０ ０
摘
要 ： 拟现 实技 术的起 源和发 展 得 益 于机 器人 技 术 ， 虚 同时 为机 器人 技 术 提供 了强有 力的技 术手
段， 二者之 间有 相互协 同优 势 。 阐述基 于虚 拟现 实的遥控 机 器人 的技 术原 理 、 系结 构 、 体 开发 平 台与 当前 主 流方 法 ， 绍 了本领 域 中已解 决 问题 与待 解决 问题 ， 系统从 远程 机 器人 传 回 的主要 是 字符信 息 ， 以 介 该 可
ｂ ｓ ｄ ｏ ｉｔ ａ ｅ ｌ ｙ ａ ｅ ｅ ｐ ｕ ｄ ｄ，ｈ ｏ ｖ ｄ ａ ｄ ｕ ｓ ｌ ｅ ｒ ｂ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ｒ ｒ ｓ ｎ ｅ ． Ｔｈ ｙ ｔ ｍ ｓ ｌ ｅ ａ ｅ ｎ ｖｒ ｕ ｌ ａ ｉ ｒ ｘ ｏ ｎ ｅ ｔ ｅ ｓ ｌ ｅ ｎ ｎ ｏ ｖ ｄ ｐ ｏ ｌｍｓ ｉ ｈ ｓ ｒ ａ ａ ｅ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ｒ ｔ ｅ ｓ ｓ ｅ ｍｏ ｔｙ ｒ —
基于虚拟现实遥操作机器人原型系统的研究的开题报告
基于虚拟现实遥操作机器人原型系统的研究的开题报告一、选题背景随着虚拟现实（VR）技术的发展，其在各个领域的应用越来越广泛。
其中，VR在机器人远程控制方面具有广阔的应用前景。
虚拟现实遥操作机器人系统是一种全新的控制方式，它可以使远距离操作更加简单和高效，在工业制造、危险救援、医疗等领域具有非常重要的应用价值。
二、研究内容本课题的研究内容为基于虚拟现实遥操作机器人原型系统的研究，具体包括以下几点：1. 构建机器人原型系统：通过使用实际机器人和传感器设备，构建机器人原型系统，包含机器人的硬件和软件部分。
2. 设计虚拟现实控制界面：基于虚拟现实技术，设计出一个可视化的控制界面，使用户可以通过VR头显和手柄控制机器人的移动、视角和动作等。
3. 实现遥操作功能：将控制界面与机器人原型系统进行连接，实现通过虚拟现实遥操作机器人的功能。
4. 进行应用实验：通过模拟实际场景，对虚拟现实遥操作机器人系统进行测试和验证，比较其与传统控制方式的差异和优势。
三、研究目的本课题旨在研究基于虚拟现实遥操作机器人原型系统的控制方式，并探讨其在工业制造、危险救援、医疗等领域的应用前景。
同时，通过实践验证，掌握虚拟现实技术的应用方法和机器人遥操作的相关知识。
四、研究意义1. 提高远程操作效率：相比传统控制方式，虚拟现实遥操作机器人系统的控制方式更加直观和高效，可以提高远程操作的效率和准确性。
2. 降低安全风险：在一些危险性较高的领域，如核电站、矿山等，虚拟现实遥操作机器人系统可以降低人员的安全风险。
3. 拓展应用领域：通过虚拟现实遥操作机器人系统的研究和实践，可以将其应用到更广泛的领域，如医疗、军事等。
五、研究方法1. 文献调研：搜集关于虚拟现实技术和机器人遥操作的相关文献和研究成果，了解研究现状。
2. 构建机器人原型系统：采购机器人和传感器设备，搭建机器人原型系统，开发相应的控制软件。
3. 设计虚拟现实控制界面：通过虚拟现实技术，设计出一个直观、易用的控制界面，实现对机器人原型系统的遥操作。
基于虚拟现实的机械臂遥操作系统研究
华中科技大学硕士学位论文摘要遥操作系统可以拓展人类的感知和操作能力，代替人类在危险、恶劣以及极限环境下的完成作业任务。
由于互联网的通用性、交互性和经济性，以互联网为通讯媒介的遥操作技术成为研究的一个前沿课题。
本文讨论和构建了基于虚拟现实的机械臂遥操作系统体系结构，规划设计了各个组成模块的功能。
对常用的三维建模方法进行了阐述。
然后针对机械臂进行建模，包括几何建模和运动学建模。
研究了虚拟场景的组成，介绍了虚拟场景的开发环境，阐述了本系统虚拟场景的构建方法。
分析了虚拟环境的构成特点，具体剖析了虚拟环境的树形场景结构、场景中运动和关节运动实现机制、以及碰撞检测的思想与算法流程等。
网络时延的存在为遥操作系统的感知和控制带来了许多问题，本文对网络时延进行了测试和分析，对典型的网络遥操作系统的时延进行了分类，分析了时延对遥操作的安全性和可操作性的影响。
预测显示是克服基于网络的遥操作系统中网络传输时延的不确定性关键技术之一。
本文提出了一种基于时间和位置的预测显示方式，根据当前状态和反馈回的轨迹点，对远端的机械臂状态进行预测，并在三维仿真场景中显示。
最后，构建了基于虚拟现实的机械臂遥操作系统的原型系统，并在此基础上分别作了实验验证，实验结果说明基于虚拟现实的遥操作及预测显示能较好的克服时延对遥操作性能的影响，提高了遥操作效率。
关键词：预测显示虚拟现实时延遥操作华中科技大学硕士学位论文AbstractTele-operation systems can extend the human being’s abilities of apperception and operation，replace people to finish their job in some dangerous，abominable or excessive environment. With the rapid development of the Internet，the Internet-based tele-operation technology is growing up to an important and hot topic all over the world.This paper studies the structure and framework of the system of tele-operation，and built a internet-based tele-operation .The system was divided into several models，such as mode building model，scene driving model，apparatus monitoring model，information process model，3D displaying model.The construct of virtual environment，the key technology used in these subsystems，was discussed. Construct of virtual environment model，architecture of animation are analyzed. High-level characteristic of virtual environment and main algorithm are analyzed，such as collision detection ，principle of animationInternet time-delay is the key inherent problems in tele-robotics based internet. In the paper ，the affection of time delay is discussed. To solve the uncertainty of time-delay existing in internet tele-robotics，the approach of predictive display based virtual reality is one of the selected ways. Above all，predictive display based position and time is presented in this paper. Based on the current system state and position feedback，local operation system predicts the state of robotic and shows in three-dimensional simulation system. Experimental results demonstrate the feasibility and the validity of this approach.At last，tele-operation system prototype is setup based on virtual reality. Based on the system ，writing and predict display test is practiced over the LAN and Internet.Key words: predictive display，virtual reality，time-delay，tele-operation华中科技大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论1.1课题来源及研究意义 (1)1.2国内外研究情况综述 (2)1.3本文主要工作 (5)1.4本章小结 (6)2 基于虚拟现实的机械臂遥操作系统总体框架2.1系统总体框架 (7)2.2系统层次结构 (8)2.3系统功能模块设计 (9)2.4本章小结 (12)3 机械臂及虚拟场景建模3.1建模类型 (13)3.2机械臂建模 (15)3.3构建遥操作虚拟现实场景 (19)3.4虚拟场景关节运动的实现： (22)3.5场景中碰撞检测 (25)3.6本章小结 (26)4 时延测试与分析华中科技大学硕士学位论文4.1时延对遥操作的影响 (27)4.2网络传输时延模型 (28)4.3时延的测试及其分析 (30)4.4时延模拟 (36)4.5本章小结 (37)5 基于时间和位置的预测显示5.1大时延下的遥操作 (38)5.2基于位置和时间的预测显示算法 (39)5.3本章小结 (42)6原型系统开发及实验6.1原型系统 (43)6.2实验及结果 (47)6.3本章小结 (50)7 全文总结和展望7.1全文总结 (51)7.2展望 (51)致谢 (53)参考文献 (54)附录1 攻读学位期间发表的论文目录 (58)华中科技大学硕士学位论文1 绪论1.1 课题来源及研究意义本课题来源于国家民用航天科研专项计划——卫星在轨自维护及遥操作关键技术。
虚拟现实的发展及在机器人系统中的应用与研究
卷第 期 年 月
2 2 2
机器人
ΡΟΒΟΤ
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文章编号
虚拟现实的发展及在机器人系统中的应用与研究
赵春霞
≠ ƒ
南京
α
王树国
蔡鹤皋
哈尔滨
杨静宇
南京理工大学计算机系
香港城市大学制造工程与工程管理学系
哈尔滨工业大学机器人研究所
摘
要 本文全面回顾了虚拟现实技术的发展 及其在机器人领域的应用与研究 分析了目前所
4
虚拟现实在机器人应用领域中的研究
虚拟现实技术在机器人领域的应用≈ ∗
主要集中在以下方面 ≠ 遥操作机器人系统 现代制造技术中机器人作业单元的虚拟仿真和编程平台 ≈ 移动智能机器人的路径规划仿真 平台 … 以机器人为核心的设备培训平台 遥操作机器人系统 亦称作临场感遥控作业系统 用于对原子能! 太空和海洋的开发与利 用的场合 这些环境对人体和健康存在一定的危险性和危害性 因而迫切需要使用遥操作机器 人≈ 工作在交互方式下的遥控作业系统的发展是在复杂或非确定环境下完成作业任务的 一种实用手段 它由操作者! 遥操作机器人! 计算机生成的虚拟环境和交互界面构成 系统通过 基于多传感器和虚拟环境的人机交互界面 把远地工作现场的信息反馈给操作者 操作者作为 控制回路的一部分 以自主或半自主的方式控制遥操作机器人的作业 因此 基于虚拟现实的 远地实际环境再现 以及操作者对环境的有效感知 是系统的核心技术 信号传输中的大时延 也是遥操作机器人系统控制面临的一个主要困难 虚拟现实的场景模型数据是遥操作系统的 基础之一 由于基于 ≤ ⁄ 系统的几何建模方式难以适应对非结构化复杂环境的建模 从而产 生对基于机器视觉场景的三维描述建模系统的迫切要求 包括力觉在内的触觉信息感知和反 馈 是遥操作系统的重要组成部分 以便为操作者提供有关现场操作情况的必要感知信息 作 为机器人视觉的补充 触觉遥现由触觉传感器加触觉显示器构成≈ 成熟 虚拟现实在微机械和微机器人操作及控制中也得到了成功的应用 微电子机械是利用微 电子工艺 通过晶体生长! 淀积! 刻蚀及理化处理等过程得到的 其存在的主要问题是设计周期 长! 费用高和寿命短 微机器人系统的结构极小 只有数十到数百微米 难于观测 因此 为微观 世界的操作构造可视的虚拟操作平台是非常必要的
虚拟现实的发展及在机器人系统中的应用与研究
虚拟现实的发展及在机器人系统中的应用与研究
虚拟现实技术是计算机技术的重要分支，它可以实现人与虚拟环境之间的真实交互，同时也可以被用来辅助机器人的开发和测试。
以下是虚拟现实在机器人系统中的应用与研究：
机器人模拟仿真：通过虚拟现实技术可以建立机器人模拟仿真平台，用于机器人的测试、优化和仿真。
这种模拟仿真平台可以降低机器人研发的成本和时间，并且可以有效地检测机器人系统在不同环境下的性能。
机器人控制与操作：使用虚拟现实技术可以使操作者进入一个仿真环境并控制机器人进行各种任务，这样操作者可以更好地了解机器人的工作原理和控制方法，并且可以更好地指导机器人工作。
机器人教育培训：虚拟现实技术可以创建虚拟实验室和机器人模型，用于机器人教育培训。
这可以让学生和工程师更好地理解机器人的工作原理、控制方法、计算机程序设计、机器人结构和材料等知识。
机器人远程操作：虚拟现实技术可以使远程操作变得更加真实。
通过
线路和网络，远程操作员可以通过虚拟现实技术进入机器人操作环境，并对机器人进行操作控制。
这样，操作员可以完成高危、高风险或难以到达的任务。
机器人虚拟监督：虚拟现实技术可以用于机器人的虚拟监督，用以确保机器人的安全和正确性。
通过虚拟现实技术，监督员可以进入到机器人工作环境，不仅可以看到和听到机器人运行，还可以对机器人进行监控和控制。
总之，虚拟现实技术在机器人技术中的应用已成为研究的热点，通过虚拟现实技术与机器人技术的结合将会推动机器人技术在各领域的发展和应用。
机器人技术在虚拟现实中的应用研究
机器人技术在虚拟现实中的应用研究近年来，机器人技术逐渐成为科技领域中备受关注的热门话题。
随着虚拟现实技术的快速发展，人们开始思考如何将机器人技术应用到虚拟现实领域中。
在无形的虚拟世界中，机器人技术可以为用户提供更加真实和丰富的体验，同时也可以为人类社会带来更多的机遇和挑战。
一、机器人技术与虚拟现实的结合虚拟现实技术是指通过计算机的技术手段创造一个虚构的现实世界，并使用户可以感受其中的环境、氛围和体验。
机器人技术是指利用机器人技术实现自动化和智能化的生产和服务方式。
虚拟现实和机器人技术的结合，可以将虚拟世界与现实世界无缝连接，为人类社会带来更多的改变和创新。
例如，虚拟现实技术和机器人技术的结合可以实现虚拟空间的“亲身体验”。
用户通过佩戴VR头盔，可以在虚拟空间中与机器人进行互动，如和机器人进行对话或操作机器人进行各种任务，实现真实世界不能实现的交互方式，进一步推进虚拟现实技术的发展和应用。
二、机器人技术在虚拟现实中的应用1. 虚拟导游机器人虚拟导游机器人是一种结合了机器人技术和虚拟现实技术的新型机器人系统。
它可以通过VR技术实现真实世界中的旅游场景，如经典古迹、自然风光或博物馆的展品等，在虚拟世界中为用户提供全方位的导览服务。
通过智能化的控制系统，用户可以与虚拟导游机器人进行互动交流，了解导游信息，同时可以通过VR技术体验真实世界的环境和氛围。
2. 虚拟手术机器人虚拟手术机器人是一种结合了机器人技术和虚拟现实技术的新型医疗设备。
它可以通过VR技术模拟真实的手术场景，在真实世界中进行手术操作，并实现远程手术的功能。
利用智能化的机器人系统和虚拟现实技术，医生可以通过操作机器人进行手术，同时可以通过VR技术在屏幕上观看手术全过程，丰富了手术操作的体验，并提高了手术操作的安全性和有效性。
3. 虚拟现实游戏机器人虚拟现实游戏机器人是一种结合了机器人技术和虚拟现实技术的游戏设备，它可以通过VR技术模拟真实的游戏体验，并实现与机器人进行互动交流的功能。
虚拟现实技术在机器人控制中的应用研究
虚拟现实技术在机器人控制中的应用研究虚拟现实（Virtual Reality, VR）技术是一种高科技产品，其将真实世界中的感官体验建模，并通过电脑程序对建模后的环境进行模拟。
随着VR技术的发展和普及，其在机器人领域中的应用研究日益受到关注。
本文将介绍虚拟现实技术在机器人控制中的应用研究的现状和发展趋势。
一、VR技术在机器人控制中的应用1. 机器人仿真模拟机器人仿真模拟是VR技术在机器人领域中的首要应用。
通过建立虚拟的机器人模型，可以在电脑上对机器人的运动进行模拟仿真。
这样可以节约大量的成本和时间，提高机器人的研发效率。
此外，机器人仿真还可以提供各种场景的测试，例如危险场景或者高压等复杂的环境。
2. 机器人远程遥控虚拟现实技术可以帮助实现机器人的远程遥控。
在遥控过程中，操作员可以穿戴虚拟现实头显，将自己置于虚拟环境中，通过手柄等设备来控制机器人的动作。
不仅如此，由于虚拟环境的高度还原真实环境，操作员可以更加真实地体验被机器人所代替的情境。
3. 机器人的操作系统虚拟现实技术不仅可以设计机器人的外观形态，还可以为机器人提供操作系统，包括语音指令、动作控制、摄像头视觉跟踪等。
这种方法可以使机器人更加智能化和精准化，更好地为人类服务。
二、VR技术在机器人控制中的挑战1. 资源消耗过高虚拟模拟的建模以及机器人的运动跟踪，需要消耗大量的计算资源。
对于一般机器而言，这个技术的成本较高，不适合广泛应用。
2. 环境模拟精度不够准确地仿真真实环境是虚拟现实技术面临的另一个挑战。
对于一些复杂的环境，例如多人协作、高温、高压、高空等，环境模拟的精度还有需要提高。
3. 操作体验有待改善对于机器人的遥控体验而言，关于用户体验和操作感受的改善，仍然存在一定的技术难点。
这需要研究团队在设计软硬件方案时，特别关注人的感受和实际的交互操作。
三、结论虚拟现实技术在机器人控制中的应用极为广泛，其从机器人的仿真模拟，到机器人的远程遥控，再到机器人操作系统的应用，都展示了其优越性。
基于虚拟现实技术的机器人操作行为模拟研究
基于虚拟现实技术的机器人操作行为模拟研究近年来，随着虚拟现实技术的逐步成熟，越来越多的领域开始利用虚拟现实技术进行研究和实践。
机器人技术是其中之一。
基于虚拟现实技术的机器人操作行为模拟研究，成为了近年来机器人技术领域中的一个重要研究方向。
虚拟现实技术为机器人技术研究带来了广阔的发展空间。
在传统的机器人操作中，操作员需要直接操作机器人，这种直接的操作方式限制了机器人在实际应用中的灵活性。
而基于虚拟现实技术的机器人操作行为模拟研究，则能够将机器人模拟的行为完美地呈现在虚拟环境中，使操作员完全沉浸在虚拟环境中，实现对机器人的远程操控，实现机器人的普适性操作。
在基于虚拟现实技术的机器人操作行为模拟研究中，如何实现机器人行为的高度还原是一个重要的问题。
机器人的行为一般都由多个运动部件组成，不同的运动部件之间受到复杂的相互作用影响，因此需要对机器人的每一个运动部件进行建模。
目前常用的方法是利用计算机辅助设计软件，通过对机器人运动学进行分析，完成对机器人各部件的建模和编程。
建模完成后，再利用虚拟现实技术，将机器人的行为完整地呈现在虚拟环境中。
除了机器人行为的还原，在模拟研究中，如何与机器人进行交互也是一个重要的问题。
在实际应用场景中，机器人和人类进行交互是非常常见的，因此在虚拟现实技术的支持下，实现机器人与人类的交互，也是一项关键技术。
传统的交互方式一般是通过机器人的手柄或是语音交互来实现，这种交互方式局限性较大，不够灵活。
而在基于虚拟现实技术的机器人操作行为模拟研究中，可以利用虚拟现实环境中的手段，实现虚拟手势控制、头部追踪等交互方式，从而更好地模拟真实交互场景。
在机器人操作行为模拟研究中，由于机器人操作的特殊性，需要对虚拟现实技术进行改进和完善。
首先，需要解决传感器数据的获取问题。
传统的机器人需要通过传感器来获取周围环境的信息，在虚拟环境中，需要对机器人传感器模块进行重构，从虚拟环境中获取相应的信息。
其次，机器人操作涉及到多个运动部件的协同行动，需要对虚拟现实模拟的机器人运动协调性进行优化。
机器人工程中的虚拟现实应用探讨
机器人工程中的虚拟现实应用探讨哎呀，说起机器人工程中的虚拟现实应用，这可真是个让人兴奋的话题！我记得有一次，我去参加一个科技展览。
在那里，我看到了一个特别神奇的展示区，就是关于机器人工程和虚拟现实结合的。
当时，我好奇地凑过去，看到一个小朋友正戴着一个大大的 VR 头盔，手里拿着操纵杆，脸上洋溢着惊喜和兴奋。
那场面，让我一下子就想到了虚拟现实在机器人工程里的巨大魅力。
你想啊，以前咱们设计机器人，基本上就是在电脑上画图，做模拟，感觉挺枯燥，也不太直观。
但有了虚拟现实，那可就完全不一样了！比如说，在机器人的研发阶段。
设计师们不再只是面对着电脑屏幕上那些干巴巴的数据和图形，而是可以直接“走进”一个虚拟的机器人世界。
他们能像在真实环境中一样，全方位地观察机器人的外观、结构，甚至可以“亲手”去拆解、组装它。
这种感觉就好像是在玩一个超级真实的积木游戏，只不过这个“积木”是高科技的机器人零件。
再比如，在机器人的编程和控制方面。
通过虚拟现实技术，程序员们可以在虚拟的场景中直接给机器人下达指令，然后实时看到机器人的反应和动作。
如果机器人出现了错误或者不符合预期的行为，他们可以立即进行调整和优化，就像是在训练一只听话的小宠物，只不过这只“小宠物”是超级聪明的机器人。
还有在机器人的测试和调试环节。
以前，为了测试机器人在各种复杂环境下的性能，得花费大量的时间和资源去搭建真实的场景。
现在有了虚拟现实，只需要在虚拟的环境中模拟出各种极端的条件，比如高温、高压、强磁场等等，然后让机器人去应对。
这不仅节省了成本，还大大提高了测试的效率和安全性。
而且，虚拟现实还能让机器人的操作培训变得更加有趣和高效。
想象一下，新的操作人员不再需要坐在教室里听枯燥的理论课，而是可以直接进入一个虚拟的工作场景，跟着虚拟的机器人一起工作，亲身体验每一个操作步骤。
这就像是有一个超级耐心的老师，手把手地教你怎么做，直到你完全掌握为止。
不过，虽然虚拟现实在机器人工程中的应用前景非常广阔，但也不是没有挑战的。
虚拟现实技术的论文（精选6篇）
《虚拟现实技术的论文（精选6篇）.doc》虚拟现实技术，又称灵境技术，是90年代为科学界和工程界所关注的技术。
下面时刻小编给...将本文的Word文档下载，方便收藏和打印推荐度：点击下载文档https://m./lunwen/1100759.html下载说明：1. 下载的文档为doc格式，下载后可用word文档或者wps打开进行编辑；2. 若打开文档排版布局出现错乱，请安装最新版本的word/wps 软件；3. 下载时请不要更换浏览器或者清理浏览器缓存，否则会导致无法下载成功；4. 网页上所展示的文章内容和下载后的文档内容是保持一致的，下载前请确认当前文章内容是您所想要下载的内容。
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基于视觉临场感的机器人遥操作系统
基于视觉临场感的机器人遥操作系统
徐旭明;叶榛;陶品;王洋
【期刊名称】《高技术通讯》
【年(卷),期】2000(010)003
【摘要】介绍了基于视觉临场感的机器人遥操作系统.该系统有机地把视觉临场感技术和机器人遥操作技术结合在一起,显著地提高了遥操作系统的性能.系统自主研制了视觉临场感系统,在普通的微机上实现了时分多路的立体视觉系统.自主研制了PSD实时测量和位姿解算系统,实现了操作者的手部位姿的实时测量.深入地研究了机器人实时跟踪控制的算法,并在原有PUMA560机器人的基础上改造了核心控制软件,实现了机器人对操作者手部运动的实时跟踪.最后完成的演示系统在遥操作性能上比传统的系统有了显著的提高.
【总页数】4页(P57-60)
【作者】徐旭明;叶榛;陶品;王洋
【作者单位】清华大学计算机科学与技术系,智能技术与系统国家重点实验室,北京,100084;清华大学计算机科学与技术系,智能技术与系统国家重点实验室,北京,100084;清华大学计算机科学与技术系,智能技术与系统国家重点实验室,北京,100084;清华大学计算机科学与技术系,智能技术与系统国家重点实验室,北京,100084
【正文语种】中文
【中图分类】TP2
【相关文献】
1.基于视觉/力觉辅助的遥操作系统研究与实现 [J], 袁祖龙;李会军;宋爱国;杨达
2.基于环境建模与修正的视觉／力觉辅助遥操作系统 [J], 徐效农;宋爱国;朱澄澄;倪得晶
3.基于主动视觉的空间机器人遥操作系统 [J], 黄诚;刘华平;沈昱明
4.基于动力学辨识的机器人力反馈遥操作系统研究 [J], 齐付普
5.基于Simulink/RTW的机器人遥操作系统的设计与实现 [J], 仲飞;钟伟;黄磊因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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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 虚拟现实 碰撞检测 图形机器人 包围盒
・III・
目
第一章 1.1 1.2
录
绪 论 ·································································································· 1 课题研究的目的和意义 ···································································· 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 VR 技术的发展状况 ··························· 5 1.2.3 我国的研究状况 ········································································· 7
3.2 第四章 4.1 4.2 4.3 第五章 5.1
机械手关节液压缸伸长与摆角的关系 ··········································· 24 位置伺服控制系统设计 ··································································· 27 电液控制系统模型 ·········································································· 27 PID 串联校正控制器设计 ······························································· 34 位置控制环节的数字 PID 串联校正 ·············································· 36 无线通讯系统控制软件设计及试验 ················································ 39 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
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 6.1 基于 OpenGL 的视觉虚拟现实 ························································ 47 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 ·············································· 51 6.2.2 立体感图形的生成 ································································· 52 6.2.3 机器人模型的运动实现 ·························································· 53 6.3 图形机器人的碰撞检测 ·································································· 54 6.3.1 图形机器人抓取物体的精确碰撞检测 ·································· 56 6.3.2 图形机器人移动物体的精确碰撞检测 ·································· 59 6.4 第七章 7.1 7.2 7.3 8.1 8.2 8.3 图形机器人的碰撞检测实验 ··························································· 61 具有通信时延的遥操作及实验研究 ················································ 63 基于虚拟现实的遥控作业试验平台 ··············································· 63 图形机器人的位置跟随实验··························································· 64 大时延环境下的遥操作实验··························································· 66 论 ································································································· 68 本文结论 ························································································· 68 本文研究工作的不足 ······································································ 68 今后研究方向的建议 ······································································ 69
引言 ············································································································ 1
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 第二章 2.1 2.2 2.3 ········································································· 12 虚拟现实临场感遥操作机器人系统组成 ········································ 13 系统总体构成 ·················································································· 13 机械手本体结构 ·············································································· 14 电液控制子系统 ·············································································· 16 位移伺服控制控制子系统 ······························································ 16 视觉临场感子系统 ·········································································· 18 无线通信子系统 ·············································································· 18 机器人运动学模型的建立 ································································ 19 机械手的运动学方程 ······································································ 19 3.1.1 机械手连杆的几何参数 ··························································· 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