機器人三維仿真體系探究

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本文作者：趙玲亞 單位：廊坊職業技術學院

電氣設備在長期運行中需要經常測試、檢查和維修。帶電作業是避免檢修停電，保證正常供電的有效措施。帶電作業的內容可分為帶電測試、帶電檢查和帶電維修等幾個方面。帶電作業的對象包括發電廠和變電所的架空輸電線路、配電線路和配電設備。目前,我國的帶電作業方式仍是以人工帶電作業為主,操作人員作業時處于高電壓、高空環境中,作業條件惡劣,容易引發人身傷亡事故。因此,研制一種適用于10kV高壓線路帶電作業的機器人具有重要意義。

高壓帶電作業機器人是主要針對配電線路帶電作業而研制開發的一種可靠、安全的帶電作業設備，它是涵蓋了高壓絕緣技術、計算機通訊技術、自動控制技術、人工智能技術以及機器人技術等許多前沿科技的高科技產品。隨著社會經濟和文明程度的提高，采用機器人代替人工從事高空高壓帶電作業是必然的趨勢。

縱觀國際上現有的帶電作業機器人主要有兩種形式：一種是以美國為代表的操作人員在地面對高空的機器人進行遙控的形式，另一種是以日本為代表的工作人員在高空的絕緣斗中，通過控制手柄或主手對機器人的作業進行控制的形式。從最近幾年的發展看，隨著虛擬技術、圖象處理和識別、計算機技術等相關技術的發展和成熟，對在地面進行遙操縱的機器人或者全自動的機器人的研究越來越受到重視。

虛擬現實技術的定義可以歸納如下：虛擬現實技術(VirtualReality，簡稱VR)是指利用計算機生成一種模擬環境，并通過多種專用設備使用戶“投入”到該環境中，實現用戶與該環境直接進行自然交互的技術；VR技術可以讓用戶對虛擬世界中的物體進行觀察或操作，同時提供視、聽、觸覺等多種直觀而又自然的實時感知。使用戶在計算機所創建的三維虛擬環境中處于一種“如身臨其境”的感覺狀態。

總的說來，虛擬現實(VR)技術是涉及眾多學科的高新實用技術，是集人工智能、傳感技術、仿真技術、計算機接口技術及高度并行的實時計算技術等為一體的綜合技術。

一個典型的虛擬現實系統主要包括以下五大組成部分：虛擬世界、計算機、虛擬現實軟件、輸入設備和輸出設備。其中，虛擬世界是可交互的虛擬環境，涉及模型構造、動力學特征、物理約束、照明及碰撞檢測等；計算機環境涉及處理器配置、多通道及實時操作系統等；虛擬現實軟件負責提供實時構造和參與虛擬世界的能力，涉及建模、物理仿真等；輸入和輸出設備則用于觀察和操縱虛擬世界，涉及跟蹤系統、圖像顯示、聲音交互、觸覺反饋等。

一個理想的虛擬現實系統應該滿足以下三個條件：

(1)虛擬世界的數據庫能夠包容較大的數據量，以保證能夠完成較為復雜的工作；

(2)從標準草圖和標準的系統(傳感器)的數據中能夠自動生成模型，而不必通過其他的輔助工具或是編程來構造模型；另外，從如照片或是效果圖中可以自動為虛擬世界中的物體生成顏色，自動調解灰度和飽和度，而不必讓人工完成這一繁重的體力勞動；

(3)觀察虛擬世界的工具，例如裝有立體眼鏡的頭盔能夠有廣泛的自由度，這樣觀察者才不會受到限制。

機器人領域與虛擬現實的研究從虛擬現實的產生起就存在著密不可分的關系。虛擬現實的許多算法是在現有的機器人學的基礎上建立的。仿真系統作為機器人設計和研究的安全可靠，靈活方便的工具，可以為機器人本體結構方案設計提供參考依據；幫助研究人員了解機器人工作空間的形態和極限位姿；可以用于分析檢驗軌跡規劃和作業規劃的正確性與合理性；可以為離線編程技術的研究提供一種極為有效的驗證手段；可用于實時檢測機器人與作業環境之間的碰撞與干涉以保證生產單元的安全；還可幫助用戶選擇適合特定作業的機器人產品類型。總而言之，機器人三維運動仿真是虛擬現實一個重要的應用領域，它是機器人各項仿真中一個很重要的組成部分。它對于驗證機器人工作原理、工作空間及進行碰撞檢測等都具有非常重要的指導意義。