機(jī)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(yè)技術(shù)學(xué)院

電氣設(shè)備在長期運(yùn)行中需要經(jīng)常測試、檢查和維修。帶電作業(yè)是避免檢修停電，保證正常供電的有效措施。帶電作業(yè)的內(nèi)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(yè)的對象包括發(fā)電廠和變電所的架空輸電線路、配電線路和配電設(shè)備。目前,我國的帶電作業(yè)方式仍是以人工帶電作業(yè)為主,操作人員作業(yè)時處于高電壓、高空環(huán)境中,作業(yè)條件惡劣,容易引發(fā)人身傷亡事故。因此,研制一種適用于10kV高壓線路帶電作業(yè)的機(jī)器人具有重要意義。

高壓帶電作業(yè)機(jī)器人是主要針對配電線路帶電作業(yè)而研制開發(fā)的一種可靠、安全的帶電作業(yè)設(shè)備，它是涵蓋了高壓絕緣技術(shù)、計算機(jī)通訊技術(shù)、自動控制技術(shù)、人工智能技術(shù)以及機(jī)器人技術(shù)等許多前沿科技的高科技產(chǎn)品。隨著社會經(jīng)濟(jì)和文明程度的提高，采用機(jī)器人代替人工從事高空高壓帶電作業(yè)是必然的趨勢。

縱觀國際上現(xiàn)有的帶電作業(yè)機(jī)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(jī)器人進(jìn)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(jī)器人的作業(yè)進(jìn)行控制的形式。從最近幾年的發(fā)展看，隨著虛擬技術(shù)、圖象處理和識別、計算機(jī)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和成熟，對在地面進(jìn)行遙操縱的機(jī)器人或者全自動的機(jī)器人的研究越來越受到重視。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的定義可以歸納如下：虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VirtualReality，簡稱VR)是指利用計算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，并通過多種專用設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互的技術(shù)；VR技術(shù)可以讓用戶對虛擬世界中的物體進(jìn)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(jī)所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中處于一種“如身臨其境”的感覺狀態(tài)。

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

一個典型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要包括以下五大組成部分：虛擬世界、計算機(jī)、虛擬現(xiàn)實軟件、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。其中，虛擬世界是可交互的虛擬環(huán)境，涉及模型構(gòu)造、動力學(xué)特征、物理約束、照明及碰撞檢測等；計算機(jī)環(huán)境涉及處理器配置、多通道及實時操作系統(tǒng)等；虛擬現(xiàn)實軟件負(fù)責(zé)提供實時構(gòu)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(shè)備則用于觀察和操縱虛擬世界，涉及跟蹤系統(tǒng)、圖像顯示、聲音交互、觸覺反饋等。

一個理想的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下三個條件：

(1)虛擬世界的數(shù)據(jù)庫能夠包容較大的數(shù)據(jù)量，以保證能夠完成較為復(fù)雜的工作；

(2)從標(biāo)準(zhǔn)草圖和標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)(傳感器)的數(shù)據(jù)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(gòu)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(diào)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(jī)器人領(lǐng)域與虛擬現(xiàn)實的研究從虛擬現(xiàn)實的產(chǎn)生起就存在著密不可分的關(guān)系。虛擬現(xiàn)實的許多算法是在現(xiàn)有的機(jī)器人學(xué)的基礎(chǔ)上建立的。仿真系統(tǒng)作為機(jī)器人設(shè)計和研究的安全可靠，靈活方便的工具，可以為機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計提供參考依據(jù)；幫助研究人員了解機(jī)器人工作空間的形態(tài)和極限位姿；可以用于分析檢驗軌跡規(guī)劃和作業(yè)規(guī)劃的正確性與合理性；可以為離線編程技術(shù)的研究提供一種極為有效的驗證手段；可用于實時檢測機(jī)器人與作業(yè)環(huán)境之間的碰撞與干涉以保證生產(chǎn)單元的安全；還可幫助用戶選擇適合特定作業(yè)的機(jī)器人產(chǎn)品類型。總而言之，機(jī)器人三維運(yùn)動仿真是虛擬現(xiàn)實一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域，它是機(jī)器人各項仿真中一個很重要的組成部分。它對于驗證機(jī)器人工作原理、工作空間及進(jìn)行碰撞檢測等都具有非常重要的指導(dǎo)意義。