動(dòng)態(tài)代理用于機(jī)械手的觸覺模擬初探

張連寶

摘 要 觸覺模擬機(jī)械手主要是指在創(chuàng)造一種身臨其境的交互式計(jì)算機(jī)生成的操作環(huán)境，用觸覺裝置，提供在虛擬環(huán)境下互動(dòng)的基礎(chǔ)力量。在許多實(shí)際應(yīng)用中，這些模擬必須處理多個(gè)用戶之間的互動(dòng)，多能的機(jī)械手以及復(fù)雜的虛擬工具。特別是考慮模擬兩手機(jī)器人的手術(shù)，比如在外科機(jī)器人操縱的每個(gè)獨(dú)立指揮各自的機(jī)械手這樣的工具。

關(guān)鍵詞 觸覺模擬；動(dòng)態(tài)代理

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）13-0184-01

傳統(tǒng)上只有準(zhǔn)靜態(tài)的，點(diǎn)狀的信號(hào)來表示虛擬環(huán)境之中的部分。在以前的文章中，我們?cè)?jīng)提出了動(dòng)態(tài)代理來代替這個(gè)概念。速度可以使得它產(chǎn)生動(dòng)態(tài)，但生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)無質(zhì)量動(dòng)態(tài)相互作用力的能力。有了這個(gè)基礎(chǔ)，我們推廣了代理概念的基礎(chǔ)，在實(shí)際情況下，虛擬機(jī)械手通過給定一些動(dòng)力，就是指其本身的運(yùn)動(dòng)的屬性。比如真正的機(jī)器人，在虛擬操控技巧跟蹤用戶和掌握運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的力反饋。虛擬武器和其他物體之間的相互作用實(shí)際應(yīng)用于尖端幾何速度的情況下，在一個(gè)線性約束最小二次算式的最簡(jiǎn)解決途徑。該方法是為了表示在一個(gè)實(shí)際兩手觸覺控制臺(tái)所運(yùn)行的6自由度的圓柱鏈接虛擬機(jī)械手對(duì)實(shí)時(shí)

仿真。

1 簡(jiǎn)介

對(duì)觸覺的解釋是指在人為創(chuàng)造的觸覺設(shè)備的用戶具有觸覺，將力反饋給操縱桿或是主機(jī)器手。與圖形顯示的同時(shí)，使虛擬模擬在現(xiàn)實(shí)中有身臨其境的觸覺反饋。這也是利用遙控技術(shù)，通過交互與遠(yuǎn)距離機(jī)械手依靠感覺的相互作用力來進(jìn)行操作。這兩個(gè)應(yīng)用程序可以合并在一個(gè)接口實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)效果，在自動(dòng)化系統(tǒng)中，用戶命令過濾，檢查，并糾正可能在傳輸?shù)竭h(yuǎn)程站點(diǎn)過程中的錯(cuò)誤。

觸覺力反饋的有效應(yīng)用需要在電腦通過精確的計(jì)算，從而模擬環(huán)境下產(chǎn)生出虛擬操作環(huán)境。在這方面，長(zhǎng)期以來理解為一個(gè)物理主機(jī)內(nèi)的模擬代理是代表的需要。該代理主要是由直接找出虛擬位置，同時(shí)記錄它的接觸位置。這個(gè)過程可以防止將對(duì)象和界限直接的通過或者是跳躍過去，即使主體用戶在時(shí)間采樣時(shí)只能得到離散的數(shù)據(jù)。代理之間的聯(lián)系和適當(dāng)?shù)钠畋砻骰謴?fù)力量是使用者生成提供的。

在傳統(tǒng)上，代理是一種小型，點(diǎn)狀的目標(biāo)，沒有動(dòng)力，在行進(jìn)中快速轉(zhuǎn)換到主體的位置，如果失去聯(lián)絡(luò)，便沒有自己的控制動(dòng)力。此外，力的反饋，一般準(zhǔn)靜態(tài)機(jī)器處理反應(yīng)，完全是基于對(duì)每個(gè)時(shí)間步代理的主偏轉(zhuǎn)順序。這種方法已經(jīng)固定化，甚至是兼容的虛擬物體的觸覺顯示有效的一個(gè)主設(shè)備，使用戶能夠體會(huì)和探索虛擬世界。

引進(jìn)的動(dòng)態(tài)代理成為可能超過代理運(yùn)動(dòng)而達(dá)到反應(yīng)更大程度的控制。他們的代理基礎(chǔ)，除了自己的速度和加速度狀態(tài)到位置允許直觀的落實(shí)，靜態(tài)代理無法模擬復(fù)雜的相互作用。例如，在代理和靜止物體之間，或兩個(gè)獨(dú)立控制的代理剛體碰撞，可以很容易地使用模擬速度約束的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)單的經(jīng)典動(dòng)力學(xué)方法來釋義，比如動(dòng)量守恒。

本文中，對(duì)觸覺代理的概念進(jìn)一步擴(kuò)大并且賦予代理動(dòng)態(tài)和運(yùn)動(dòng)自身的性質(zhì)。代理可以是多體運(yùn)動(dòng)鏈的形式，提供了一個(gè)有效的仿真機(jī)械手。特別是，我們認(rèn)為，虛擬機(jī)械手的遙控操作機(jī)器人的代理在微創(chuàng)手術(shù)的范圍內(nèi)使用。無論是虛擬環(huán)境還是現(xiàn)實(shí)中使用其作為基礎(chǔ)的外科訓(xùn)練，如果系統(tǒng)需要增加一個(gè)接口來增添一個(gè)機(jī)械手，觸覺模擬必須是能夠左右有運(yùn)動(dòng)副的機(jī)械手，機(jī)器人這個(gè)有運(yùn)動(dòng)副的機(jī)械手會(huì)有所限制條件，機(jī)器部件之間的互動(dòng)，如碰撞，抓等運(yùn)動(dòng)。本文介紹了實(shí)現(xiàn)中能達(dá)到這些目標(biāo)的方法，使用機(jī)械手的速度虛擬代理為基礎(chǔ)的一階動(dòng)態(tài)。

2 背景

最初，觸覺環(huán)境包括固定化形式，固定化是代表用戶的位置幾何約束的虛擬物體。對(duì)力進(jìn)行了計(jì)算觀察到虛擬對(duì)象的用戶的滲透，以及提供硬彈簧的力量。記錄用戶所在的侵入虛擬表面上看“神對(duì)象的位置”的介紹，作為主體在最終理想的情況下，證實(shí)是由一個(gè)停止點(diǎn)的代表性效應(yīng)無限硬表面。當(dāng)虛擬對(duì)象是遇到限制停留在表面上，使用戶推到對(duì)應(yīng)的觸覺裝置。

用戶的主設(shè)備和點(diǎn)的代表性限制了虛擬的表面可模擬各種有效。例如，使用表面由許多較小的多邊形表面生成的，對(duì)象通過無限小的點(diǎn)可以下降相鄰多邊形之間的差距，通過數(shù)值舍入創(chuàng)建。基于這個(gè)原因，對(duì)象一般是一個(gè)小球所取代，被稱為代理。

利用這種想法開辟了使用其他形狀代替球形的可能。這使得更多的不同觸覺交互顯示。例如，在外科手術(shù)機(jī)器人，機(jī)械手使用這一方法創(chuàng)傷是細(xì)和長(zhǎng)，因?yàn)樗麄儾⒉恍枰诓∪说纳眢w大切口。為了模擬這種機(jī)械手的操作，必須考慮到在操作中的碰撞力，也要考慮機(jī)器人之間的身體和周圍組織的碰撞。為了解決這個(gè)問題，何巴什多安和斯蒂南威桑利用光線為基礎(chǔ)的代理來代表手術(shù)機(jī)械手。但到這一步，完整的虛擬操控也被觸覺代理使用。盧克和愛德華茲和盧克觸覺模擬一個(gè)“H”型拖拉機(jī)換檔采用雙自由度作為代理虛擬手完成工業(yè)機(jī)器人一個(gè)觸覺設(shè)備。在這些應(yīng)用中，涉及模擬單一代理和靜態(tài)環(huán)境之間的相互作用。對(duì)象沒有移動(dòng)，并于代理，類似于早期模擬虛擬限制。可變形物體進(jìn)行了研究。

模擬涉及多個(gè)機(jī)構(gòu)之間的相互作用的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通常情況下，采用二階模型，運(yùn)用牛頓定律和剛性碰撞事件動(dòng)量守恒，通過允許的在動(dòng)力減小損失，微彈性碰撞也可以模擬。這種方法擴(kuò)展到多體動(dòng)力學(xué)仿真允許使用多連桿觸覺模擬機(jī)器人。二階另一個(gè)方法是使用代理服務(wù)器之間和不同的對(duì)象春天般的潛在領(lǐng)域，從牛頓定律獲得。通過使用可變剛度的潛在領(lǐng)域，不同的代理可以有效地進(jìn)行模擬。

在所有上述情況中，二階動(dòng)態(tài)使用要求，任意質(zhì)量或質(zhì)量矩陣被分配給代理。在尼邁耶和米特拉提出基于代理的動(dòng)態(tài)互動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)同時(shí)保持代理不是使用牛頓定律和動(dòng)量守恒，而是運(yùn)用幾何約束轉(zhuǎn)換成等效速度的限制使用伺服更新率來模擬剛體碰撞和持續(xù)的接觸。這一辦法還延長(zhǎng)至多個(gè)條件下，如在一個(gè)觸覺環(huán)境。但是，代理被表現(xiàn)為簡(jiǎn)單的幾何形狀單一固定化的機(jī)構(gòu)，而不是動(dòng)態(tài)的，這里考慮多體運(yùn)動(dòng)鏈。也有從一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的角度增強(qiáng)一些觸覺的發(fā)展。觸覺反饋應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)規(guī)劃具有非常大的通信時(shí)延遙操作機(jī)器人的環(huán)境系統(tǒng)，利用一個(gè)虛擬世界的靜態(tài)代理。實(shí)時(shí)遙操作，哈提卜和考斯特，馬尼埃使用觸覺反饋的機(jī)器人外科手術(shù)，從機(jī)器人機(jī)械手的空間工作安全為主要目的的。

參考文獻(xiàn)

[1]楊立穎.基于力反饋的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)研究[D].華南理工大學(xué)，2011.endprint