虛擬現實技術對機械臂的操控性研究

王亞平 姚春梅 張永

【摘要】本文以unity3D制作虛擬場景，使用Solidworks制作工程圖，再使用3DS建立模型以Simulink中的模擬信號對機械臂虛擬模型的仿真控制，利用Virtual Reality Toolbox中的VR sink模塊導人之前編輯好的機械臂虛擬模型，來生成控制信號的接入端，使控制信號與機械臂虛擬模型之間建立關聯。

【關鍵詞】虛擬設備 機械臂 仿真建模 VR場景

一、引言

虛擬現實技術（Virtual Real ity Technology，簡稱VR）是近些年來將三維建模技術、圖像處理技術、仿真控制技術和計算機網絡技術等融合為一體而形成的高新技術。虛擬現實技術中的“虛擬”是指利用計算機模擬產生一個三維的虛擬場景，這個虛擬場景可以是根據世界上的任何事物或環境構造的，也可以是由制作者憑空想象出來的，然后人們可通過傳感輔助設備與所構造的虛擬場景中的事物進行交互，使人們對虛擬場景產生身臨其境的感覺。

二、實現原理

操作人員戴有VR頭盔顯示器，利用操控手柄對虛擬現實環境下的虛擬機械臂模型進行操控。機械臂通過虛擬機械臂模型獲取相應的動作。利用MATLAB仿真，數學建模和計算機輔助設計等技術對虛擬環境模型和虛擬操作對象模型進行建立。機械臂頂端可分為單指和雙指狀態，操作人員可以通過佩戴VR設備對虛擬機械臂進行實時性操作，還可以對一項操作進行錄制后，機械臂可自動模擬該項動作。單指狀態下口j‘以在鍵盤上操作，雙指狀態可以模擬提取東西動作。

三、實現方法

（一）VR場景搭建

用Cardboard的SDK開做成VR模式，集成Cardboard的SDK，軟件就變成VR模式了。可以實時采集頭部的轉動，用頭部的轉動去控制機械臂上方的兩個舵機，這樣可以實現手機的轉動就頭部轉動同步了。在Unity下，在頭部（Main Camera）前面綁定一個半透明的Plane組件，接收到的回傳圖像就是顯示在這。做成半透明，是為了不遮擋觀察3D環境（如手臂模型和機械臂模型）。

（二）機械臂模型建立

草圖由草圖單元、幾何約束和草圖尺寸組成，對以上三部分的組合定義就完成了一個草圖的繪制。為提高草圖的設計效率，我們的設計步驟通常按以下順序進行：繪制草圖輪廓一定義草圖單元問的幾何約束關系一添加尺寸。在草圖繪制過程中要充分使用約束關系，減少不必要的草圖尺寸，從而使草圖的構思更加清晰。Solidworks主要用于完成零件設計、裝配體設計和自動生成工程圖。根據三維特征元素的建模和面向特征元素的數據修改來完成進一步完善模型。

（三）虛擬操控

用集成藍牙BLE。通過藍牙連接手臂動捕設備，實現虛擬手臂和現實手臂的同步。手柄上的按鍵可以調用一些簡單功能。使用手臂動作捕捉的硬件，來獲取想要捕捉的動作。把手機變成一個Http服務器。需要提供兩個訪問端口（Port）：一個端口接收控制指令，并回復客戶端；另一個端口在收到客戶端請求時回傳一幀攝像頭圖像搭建手機和單片機之間的USB通信。Intel Edison的板子實現通過局域網接收機械臂的控制指令。

四、小結

手部動作捕捉的設備對技術要求很高，涉及到的動作細節非常多，一個動作所產生的數據量很大，對系統的處理能力就有很強的硬性需求。虛擬場景中控制機械臂運作，機械臂使用3D打印技術制作，模型導入VR場景中，對模型進行仿真。由于人員不足，還有部分設備無法獲取導致該項目沒有完成成品。

參考文獻：

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