服務機器人三維仿真中的碰撞檢測研究

蘇州市產品質量監督檢驗院 江蘇 蘇州 215000

前言

因為服務機器人主要的應用目的就是為人們的生活提供便利,所以,在這種機器人的研究與制作過程中,也應該和傳統的工業機器人存在很大的差別,使其在為人們提供服務的同時又不會對人們的生活環境造成多大的改變。在服務機器人的研究過程中,最應該注重的一個問題就是避免其自身的碰撞和與外界環境的碰撞,這樣才可以有效保障其使用的安全性。而碰撞檢測就是有效避免其發生碰撞的基礎,所以在這種機器人的仿真過程中,一定要注重碰撞檢測。

一、服務機器人自身碰撞檢測

(一)檢測的意義。在服務機器人的實際應用過程中,如果可以有效避免其身體的關節相互碰撞,不僅可以有效避免機器人被損壞的情況,同時也可以有效避免由于其自身碰撞失去平衡而造成的人員損傷和環境破壞[1]。所以在對這種機器人進行碰撞檢測的過程中,相關人員應該對其自身碰撞的檢測加以高度重視。

(二)檢測的原理。在對這種機器人的關節碰撞進行檢測的過程中,因為有一部分的關節會存在幾何限制,所以這些關節的活動范圍也會被限制住,活動的時候也就不會出現碰撞的情況,所以在檢測的時候可以將其省略。如下圖所示,在幾何約束和運動約束的條件之下,這個機器人的上下手臂之間就不會出現碰撞情況。同樣的道理,在這個機器人抓手、上下的手臂和上下半身也會受到幾何約束以及運動自由度的約束,進而不會出現碰撞情況[2]。由此可以看出,在這個機器人中,只有抓手以及拇指之間可能會出現碰撞,其余的部位均不會出現,所以在檢測的過程中可以省略對其他部位的檢測,僅僅對可能會出現碰撞的部位進行檢測。

圖1 手臂關節圖

由于左右手的上臂都會受到幾何尺寸的約束作用,所以在兩個手臂之中,J1位置、J2位置以及J3位置都不會發生碰撞。但是在實際的檢測過程中,為了便于編程,則應該將這些個關節檢測添加進去。在進行檢測的過程中,為了讓每一個關節碰撞發生的部位都可以更加直觀地展示出來,所以會在兩個手臂之間最近的點用綠色箭頭做出標識,在手臂和身體之間最近的點用紫色箭頭作為標識。

(三)檢測的方法。在進行關節碰撞檢測的過程中,因為對其最近的點所做出的標識太多,所以就難以判斷有哪些會出現碰撞。基于這樣的情況,在檢測過程中,不僅應該將相應的警示通過控制臺進行輸出,同時也應該設計出一種比較醒目的方式來起到提示作用,這樣才可以在出現碰撞問題的時候及時發出提示,通過這樣的方式,用戶就可以更方便地找到出現碰撞問題的關節。所以檢測人員就對該提示方法進行了設置,在實際進行檢測的時候,一旦在哪個部位出現了碰撞問題,發生碰撞的兩個關節之間箭頭標識就會立刻變成紅色,這樣就可以起到及時有效的提示作用。

在檢測的過程中主要應用到的是VRML模型,在這個模型之中,所有的顏色信息都在shape節點之中進行儲存,將這個模型在Java3D之中進行加載,就可以實現Branch Group節點的形成。而該模型之中的shape節點將會成為Java3D之中眾多節點的一個,我們將其叫做shape3D節點。在進行試驗的時候,如果想要將這個模型之中的顏色進行改變,就一定要將這個模型之中的shape3D節點全部改變過來。

二、機器人和環境的碰撞檢測

(一)檢測的意義。在對服務機器人進行仿真的過程中,一項最關鍵的內容就是避免其與周圍的環境產生碰撞。因為這種機器人所執行的任務是為人服務,所以,一旦其碰撞到周圍的環境,很可能打翻機器人手里的東西,損壞周邊的事物,甚至會傷害到周圍的人,這樣的情況不僅會造成一定的經濟損失,嚴重的情況下還會威脅到使用者和周圍人們的安全。所以在進行仿真的過程中,將其與環境之間的碰撞情況進行檢測是十分必要的一項內容,相關人員一定要對其加以重視。

(二)檢測的方法。在進行檢測的過程中,會將很多靜止的物體放置在這個檢測的環境之中,因此位置信息只進行一次讀取即可,在將Poly Tree環境構建好之后,就不需要再次進行環境的更新。因為機器人有著運動性的特點,其每個關節在運動的過程中都會在相對位置方面發生實時變化,所以在對其進行碰撞檢測之前,應該對其每一幀的運動進行獲取。

在剛開始進行檢測的時候,相關的程序一定要先對這個模型進行初始化。初始化完成以后就可以在仿真之中將浪費資源和時間的工作分離出來,進而讓系統實現實時性的進一步提升。在開始檢測的時候,一定要對機器人在每一幀的運動之中進行關節姿勢的數據信息獲取,并通過Poly Tree來代表接受檢測的機器人。檢測的過程中一旦有碰撞情況發生,系統就會立即發出相應的警告,進而對下一步應該采取的行為進行提醒,在這個提醒界面之中,檢測人員可以選擇將規劃的方案重新進行設計,也可以選擇繼續進行檢測,暫時忽略掉這個碰撞,還可以選擇將這個程序終止。在這個檢測系統之中,會將這種機器人和周邊環境之間最近的點用紅色帶有箭頭的實線標出來,如果兩個點之間有著十分小的距離,就說明這個機器人在這一點可能會和周圍的環境之間出現碰撞的情況。

結束語

在當今的經濟社會之中,科學技術也在不斷發展,而隨著人們生活質量的提升,人們對于服務的需求也越來越高。基于這樣的情況,服務類的機器人也開始逐漸走進人們的生活。這種機器人的應用使得當今社會人們的生活實現了更大的便利,因此越來越多的人開始關注服務機器人。因為這種機器人主要的應用目的就是為人們服務,所以在應用的過程中,安全性與實用性是最需要注重的問題。基于這一情況,在對這種機器人進行仿真的過程中,相關人員一定要對其自身的碰撞檢測及其與環境之間的碰撞檢測加以重視,這樣才能有效保障其良好的使用性能與安全性能。