計算機控制系統(tǒng)李元春課后答案

計算機控制系統(tǒng)李元春課后答案【篇一：機械手遙操作三維預(yù)測仿真系統(tǒng)原理】=txt＞摘要三維預(yù)測仿真技術(shù)是目前解決大時延遙操作的主要方法,在機械手的遙操作中起著至關(guān)重要的作用。利用3dmax開發(fā)環(huán)境，與visualc++、unity3d相結(jié)合，建立搬運機器人的三維模型，本文介紹了搬運機械手系統(tǒng)及其遙操作分系統(tǒng)組成，以及圖形預(yù)測仿真原理。仿真系統(tǒng)以小型機械手的運動學(xué)模型和動力學(xué)模型進行驅(qū)動，具有快速、準(zhǔn)確的圖形碰撞檢測功能。實現(xiàn)實時控制與實時仿真的一體化。關(guān)鍵詞：機械手；三維預(yù)測仿真；遙操作。1緒論1.1機械手簡介1.1.1機械手特點及遙操作三維預(yù)測仿真系統(tǒng)機械手是模仿人的手部動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運和操作的自動裝置，一般由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及檢測裝置三大部分組成。它特別是在高溫、高壓、多粉塵、易燃、易爆、放射性等惡劣環(huán)境中，以及笨重、單調(diào)、頻繁的操作中代替人作業(yè)，因此獲得日益廣泛的應(yīng)用。而小型化的機械手既可以深入人類無法到達的地方工作，也可以隨身攜帶，成為人類日常生活的好幫手。由此可見，在未來的世界里，小巧靈活的機械手有著巨大的發(fā)展前景。由于受機構(gòu)、控制、傳感及人工智能等支撐技術(shù)的制約，從80年代開始普遍認為,實現(xiàn)完全自主的機器人是短期內(nèi)難以達到的目標(biāo)，因此目前的研究重點是有人參與的局部自主遙操作系統(tǒng)。圖1.1機械手三維預(yù)測仿真1.2.1遙操作機械手系統(tǒng)介紹首先根據(jù)遙機械手外形建立一個虛擬機械手三維外觀網(wǎng)格模型，再根據(jù)機械手本體內(nèi)部的關(guān)節(jié)及其他運動機構(gòu)的位置，建立一個內(nèi)嵌于網(wǎng)格模型下的骨骼模型；經(jīng)過坐標(biāo)、數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換，把遙機械手運動學(xué)模型應(yīng)用到虛擬機械手骨骼模型上，實現(xiàn)遙機械手與機械手骨骼模型的運動學(xué)模型一致.通過無線發(fā)送把遙機械手運動數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控端，利用visualc++編程計算把運動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成虛擬機械手運動指令，運動指令控制骨骼模型運動,骨骼模型的運動同時驅(qū)動虛擬機器人三維網(wǎng)格模型運動，虛擬機器人三維模型將產(chǎn)生一個與遙機器人同步運動的動畫，從而實現(xiàn)了對遙操作機器人運動的三維監(jiān)控。2.1預(yù)測仿真子系統(tǒng)設(shè)計2.1.1圖形預(yù)測仿真原理預(yù)測仿真的基本思想是基于系統(tǒng)模型,根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和控制輸入，對系統(tǒng)狀態(tài)進行預(yù)測，并以圖形的方式顯示給操作員。操作者在三維圖形仿真系統(tǒng)中操作仿真模型，圖形預(yù)測仿真的流程為:首先在本地計算機建立遠端機器人及環(huán)境的仿真模型；然后操作者根據(jù)仿真模型的反應(yīng)進行連續(xù)操作,而不必等遙端傳回狀態(tài)信息和視頻圖像；最后生成的遙操作命令經(jīng)過安全檢查和碰撞檢測后連續(xù)發(fā)送給遙端的機器人執(zhí)行。由于操作員與仿真圖形之間基本不存在時延，實際的機器人在幾秒的時延后跟隨仿真圖形的動作而動作,這樣就消除了時間延遲的影響。空間環(huán)境的不同使得模型參數(shù)發(fā)生了變化,所以必須對模型進行校正來保證和真實情況接近。同時仿真過程中還會產(chǎn)生積累誤差,當(dāng)接收到機械手的信息,對仿真過程的狀態(tài)進行校正，以消除仿真的累積誤差。2.2預(yù)測仿真子系統(tǒng)詳細設(shè)計圖2.2預(yù)測仿真子系統(tǒng)組成圖預(yù)測仿真子系統(tǒng)組成如圖2.2所示。為了便于整個遙操作分系統(tǒng)的開發(fā),按模塊化的思想對各子系統(tǒng)進行單獨設(shè)計。預(yù)測仿真子系統(tǒng)包括:①用戶界面模塊、②三維模型模塊、③運動學(xué)、動力學(xué)及模型校正模塊、④碰撞檢測模塊、⑤網(wǎng)絡(luò)模塊、⑥處理引擎模塊。處理引擎模塊是各模塊互相連接的橋梁,負責(zé)各種對象的生成、管理和調(diào)度。用戶界面模塊負責(zé)與操作者進行交互，提供人性化、友好的人機界面，進行狀態(tài)數(shù)據(jù)的顯示；碰撞時發(fā)出視覺刺激信息并提供發(fā)生碰撞的位置信息；同時利用手控器實時控制機器人的運動。三維模型模塊提供機械手及空間環(huán)境的三維模型。運動學(xué)、動力學(xué)模型及模型校正模塊是本系統(tǒng)的核心模塊,用于實時響應(yīng)操作命令,對機械手的運行狀態(tài)進行預(yù)測，以驅(qū)動圖形顯示。碰撞檢測模塊負責(zé)進行碰撞的檢測,并在有危險發(fā)生時發(fā)出報警信號。網(wǎng)絡(luò)模塊負責(zé)與信息處理子系統(tǒng)和動力學(xué)模型工作站的信息交換。3機械手仿真系統(tǒng)實現(xiàn)思路正運動學(xué)分析是利用已知機器人的所有關(guān)節(jié)角度和連桿長度來計算機械手的位姿。而逆運動學(xué)分析則是利用機械手的每一個關(guān)節(jié)的角度和連桿的長度如何使機械手放在一個期望的位置。下面先推機械手的正運動學(xué)方程，然后利用正運動學(xué)方程來計算逆運動學(xué)方程。3.1機械手正運動學(xué)算法思路假設(shè)搬運機械手由若干桿件通過關(guān)節(jié)運動副裝配組成。3.1.1關(guān)節(jié)及運動副搬運機械手是開鏈拓撲結(jié)構(gòu)的多體系統(tǒng)，可以用拉格朗日多體運動學(xué)描述機器人的運動行為。對實體機器人用denavit-hartenberg方法進行建模。具體的建模方法按以下規(guī)則:軸;基坐標(biāo)系的選擇為：當(dāng)?shù)?關(guān)節(jié)變量為零時，零坐標(biāo)系與1坐標(biāo)系重合。xn軸垂直于zn軸并指向離開zn軸的方向。yn軸的方向按右手定則確定。該仿真系統(tǒng)的Rc-b系列機器人的部分節(jié)點建模如3.1.2圖所示。圖3.1.2節(jié)點建模4基于unity3d的搬運工業(yè)機器人仿真系統(tǒng)4.1利用3dmax三維軟件建立搬運工業(yè)機器人的三維模型如圖4.1所示。圖4.1搬運工業(yè)機器人的三維模型.搬4.2將搬運工業(yè)機器人的三維模型導(dǎo)入unity3d.搬unity3d程序首先創(chuàng)建設(shè)備環(huán)境和渲染環(huán)境。設(shè)置圖像格式及三維模型透視模式，讓三維模型看起來有真實感。接下來讓搬運工業(yè)機器人運動起來。工業(yè)機器人末端執(zhí)行器的運動軌跡及姿態(tài)的三維運動軌跡仿真結(jié)果，大體如圖4.2所示。圖4.2三維運動軌跡仿真結(jié)果4.3“骨骼蒙皮動畫”技術(shù)以遙操作機器人為例，介紹遙操作機器人運動的實時三維監(jiān)控技術(shù)遙操作機器人運動的實時三維監(jiān)控技術(shù)機器人本體的三維模型介紹與運動分析在實際應(yīng)用時，所用虛擬三維模型方法與骨骼動畫方法類似，但模型的運動控制方式不同。普通骨骼蒙皮動畫在虛擬世界中運動時，控制骨骼運動的運動數(shù)據(jù)跟現(xiàn)實世界中的運動沒有聯(lián)系，而遙操作機器人運動時監(jiān)控到的運動數(shù)據(jù)是來自現(xiàn)實世界，然后把這些真實運動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成虛擬三維機器人模型的運動控制指令，使三維模型在運動數(shù)據(jù)的控制下產(chǎn)生與真實機器人同樣的動作。具體實現(xiàn)方法是：首先用尺子等量具仔細量取真實機器人的外觀大小和各部分比率尺寸，特別是要準(zhǔn)確記錄機器人各運動電機、關(guān)節(jié)在整個機器人本體中的位置，這一步很關(guān)鍵，因為它對后面的虛擬機器人表面模型成型和骨骼模型運動關(guān)節(jié)定位都很重要。然后使用3dmax、maya等3d造型軟件，按照機器人外觀比率尺寸繪出