[發明專利]一種基于虛擬環境重建的增強遙操作臨場感的方法

在審

• 申請號: 201611025019.7
• 申請日: 2016-11-22
• 公開（公告）號: CN106598224A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 黃攀峰;趙洲;劉正雄;孟中杰;張夷齋;張帆
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01;G06F17/50
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 王鮮凱

技術領域

本發明屬于遙操作技術和計算機科學領域，涉及一種基于虛擬環境重建的增強遙操作臨場感的方法。

背景技術

遙操作技術已經在諸如空間機器人、高精度裝配、手術等諸多領域扮演著日益重要的角色。在遙操作系統中，操作者通過從端的機械臂與遠端環境進行交互。遙操作技術一方面可以給操作者提供一個安全的環境，另一方面可以給操作者提供很強的臨場感。但是由于時延的影響，使得臨場感降低，為了增強主端操作者的臨場感，利用遠端實時地反饋力，辨識出遠端環境的部分參數(剛度系數和阻尼系數)，在主端重建遠端環境，使得主端虛擬環境的建立更加精確，不僅降低了時延的影響，而且給主端操作者提供了實時地虛擬反饋力，同時將虛擬現實技術用于主端，提高了主端操作者的臨場感，使操作者更好的完成任務。

遙操作已經運用在許多研究領域，比如，空間機器人、高精度裝配和外科手術等。它能替代人類在危險環境中執行任務，同時也能帶給操作者較好的臨場感。但是由于時延的存在，常常使整個遙操作系統的穩定性、跟蹤性能以及臨場感降低。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種基于虛擬環境重建的增強遙操作臨場感的方法，能夠降低時延對臨場感的影響。

技術方案

一種基于虛擬環境重建的增強遙操作臨場感的方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：建立虛擬的從端任務環境，真實環境與虛擬環境對應比例為1:1；建立遠端環境進行動力學模型：

其中：k和λ分別表示在接觸處的剛度系數和阻尼系數；x_e表示接觸物之間沿切入方向的切入深度；表示接觸物在接觸處的相對速度；n表示碰撞指數，表示接觸物材料的非線性程度；

步驟2：求解動力學模型中的接觸物的剛度系數k系數：

其中：τ表示一個常數，在整個接觸過程中，由于不同的運動路徑導致τ的值產生變化；σ₁和σ₂表示材料參數，

其中：E_i表示碰撞材料的彈性模量；v_i表示碰撞材料的泊松比；

步驟3：求解動力學模型中的阻尼系數λ

計算模型誤差：

當e_r在0.0～0.6時，采用計算阻尼系數λ；

當e_r在0.6～0.7時，采用計算阻尼系數λ；

當e_r在0.7～1.0時，采用計算阻尼系數λ；

所述所述

其中：表示接觸后理論相對速度，表示接觸后真實的相對速度；

所述表示接觸方向的方向向量；和分別表示接觸前和接觸后的目標速度；和分別表示接觸后和接觸前的執行器速度；

步驟4：以計算得到的剛度系數k系數和阻尼系數λ輸入至動力學模型，得到一個虛擬環境重建的模型。

所述常數τ的確定為：對于直線運動的τ為1，其余運動方式的τ為0.5。

有益效果

本發明提出的一種基于虛擬環境重建的增強遙操作臨場感的方法，通過遠端實時地反饋力，辨識出遠端環境的部分參數(剛度系數和阻尼系數)，在主端重建遠端環境，使得主端虛擬環境的建立更加精確，不僅降低了時延的影響，而且給主端操作者提供了實時地虛擬反饋力，同時將虛擬現實技術用于主端，提高了主端操作者的臨場感，使操作者更好的完成任務。

附圖說明

圖1：7種建模方式精確度比較

具體實施方式

現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述：

在遙操作系統中的操作端，首先建立虛擬的從端任務環境，真實環境與虛擬環境對應比例為1:1。對遠端環境進行動力學建模：

式中k和λ分別表示在接觸處的剛度系數和阻尼系數。x_e表示接觸物之間沿切入方向的切入深度。表示接觸物在接觸處的相對速度。n表示碰撞指數，它表示接觸物材料的非線性程度。這動力學模型可以清楚解釋遠端任務執行器與其周圍環境的關系，因此，建立它是必須的。

式(1)中的F_e的通過遠端執行器上的力傳感器獲取，接觸物的剛度系數k系數能通過式(2)得到：

式中τ表示一個常數，在整個接觸過程中，由于不同的運動路徑導致τ的值產生變化。σ₁和σ₂表示材料參數，可以由式(3)獲得：