服務(wù)機(jī)器人三維仿真中的碰撞檢測(cè)研究

蘇州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院 江蘇 蘇州 215000

前言

因?yàn)榉?wù)機(jī)器人主要的應(yīng)用目的就是為人們的生活提供便利,所以,在這種機(jī)器人的研究與制作過(guò)程中,也應(yīng)該和傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人存在很大的差別,使其在為人們提供服務(wù)的同時(shí)又不會(huì)對(duì)人們的生活環(huán)境造成多大的改變。在服務(wù)機(jī)器人的研究過(guò)程中,最應(yīng)該注重的一個(gè)問(wèn)題就是避免其自身的碰撞和與外界環(huán)境的碰撞,這樣才可以有效保障其使用的安全性。而碰撞檢測(cè)就是有效避免其發(fā)生碰撞的基礎(chǔ),所以在這種機(jī)器人的仿真過(guò)程中,一定要注重碰撞檢測(cè)。

一、服務(wù)機(jī)器人自身碰撞檢測(cè)

(一)檢測(cè)的意義。在服務(wù)機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,如果可以有效避免其身體的關(guān)節(jié)相互碰撞,不僅可以有效避免機(jī)器人被損壞的情況,同時(shí)也可以有效避免由于其自身碰撞失去平衡而造成的人員損傷和環(huán)境破壞[1]。所以在對(duì)這種機(jī)器人進(jìn)行碰撞檢測(cè)的過(guò)程中,相關(guān)人員應(yīng)該對(duì)其自身碰撞的檢測(cè)加以高度重視。

(二)檢測(cè)的原理。在對(duì)這種機(jī)器人的關(guān)節(jié)碰撞進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中,因?yàn)橛幸徊糠值年P(guān)節(jié)會(huì)存在幾何限制,所以這些關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍也會(huì)被限制住,活動(dòng)的時(shí)候也就不會(huì)出現(xiàn)碰撞的情況,所以在檢測(cè)的時(shí)候可以將其省略。如下圖所示,在幾何約束和運(yùn)動(dòng)約束的條件之下,這個(gè)機(jī)器人的上下手臂之間就不會(huì)出現(xiàn)碰撞情況。同樣的道理,在這個(gè)機(jī)器人抓手、上下的手臂和上下半身也會(huì)受到幾何約束以及運(yùn)動(dòng)自由度的約束,進(jìn)而不會(huì)出現(xiàn)碰撞情況[2]。由此可以看出,在這個(gè)機(jī)器人中,只有抓手以及拇指之間可能會(huì)出現(xiàn)碰撞,其余的部位均不會(huì)出現(xiàn),所以在檢測(cè)的過(guò)程中可以省略對(duì)其他部位的檢測(cè),僅僅對(duì)可能會(huì)出現(xiàn)碰撞的部位進(jìn)行檢測(cè)。

圖1 手臂關(guān)節(jié)圖

由于左右手的上臂都會(huì)受到幾何尺寸的約束作用,所以在兩個(gè)手臂之中,J1位置、J2位置以及J3位置都不會(huì)發(fā)生碰撞。但是在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中,為了便于編程,則應(yīng)該將這些個(gè)關(guān)節(jié)檢測(cè)添加進(jìn)去。在進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中,為了讓每一個(gè)關(guān)節(jié)碰撞發(fā)生的部位都可以更加直觀地展示出來(lái),所以會(huì)在兩個(gè)手臂之間最近的點(diǎn)用綠色箭頭做出標(biāo)識(shí),在手臂和身體之間最近的點(diǎn)用紫色箭頭作為標(biāo)識(shí)。

(三)檢測(cè)的方法。在進(jìn)行關(guān)節(jié)碰撞檢測(cè)的過(guò)程中,因?yàn)閷?duì)其最近的點(diǎn)所做出的標(biāo)識(shí)太多,所以就難以判斷有哪些會(huì)出現(xiàn)碰撞?；谶@樣的情況,在檢測(cè)過(guò)程中,不僅應(yīng)該將相應(yīng)的警示通過(guò)控制臺(tái)進(jìn)行輸出,同時(shí)也應(yīng)該設(shè)計(jì)出一種比較醒目的方式來(lái)起到提示作用,這樣才可以在出現(xiàn)碰撞問(wèn)題的時(shí)候及時(shí)發(fā)出提示,通過(guò)這樣的方式,用戶就可以更方便地找到出現(xiàn)碰撞問(wèn)題的關(guān)節(jié)。所以檢測(cè)人員就對(duì)該提示方法進(jìn)行了設(shè)置,在實(shí)際進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候,一旦在哪個(gè)部位出現(xiàn)了碰撞問(wèn)題,發(fā)生碰撞的兩個(gè)關(guān)節(jié)之間箭頭標(biāo)識(shí)就會(huì)立刻變成紅色,這樣就可以起到及時(shí)有效的提示作用。

在檢測(cè)的過(guò)程中主要應(yīng)用到的是VRML模型,在這個(gè)模型之中,所有的顏色信息都在shape節(jié)點(diǎn)之中進(jìn)行儲(chǔ)存,將這個(gè)模型在Java3D之中進(jìn)行加載,就可以實(shí)現(xiàn)Branch Group節(jié)點(diǎn)的形成。而該模型之中的shape節(jié)點(diǎn)將會(huì)成為Java3D之中眾多節(jié)點(diǎn)的一個(gè),我們將其叫做shape3D節(jié)點(diǎn)。在進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)候,如果想要將這個(gè)模型之中的顏色進(jìn)行改變,就一定要將這個(gè)模型之中的shape3D節(jié)點(diǎn)全部改變過(guò)來(lái)。

二、機(jī)器人和環(huán)境的碰撞檢測(cè)

(一)檢測(cè)的意義。在對(duì)服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行仿真的過(guò)程中,一項(xiàng)最關(guān)鍵的內(nèi)容就是避免其與周圍的環(huán)境產(chǎn)生碰撞。因?yàn)檫@種機(jī)器人所執(zhí)行的任務(wù)是為人服務(wù),所以,一旦其碰撞到周圍的環(huán)境,很可能打翻機(jī)器人手里的東西,損壞周邊的事物,甚至?xí)Φ街車娜?這樣的情況不僅會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失,嚴(yán)重的情況下還會(huì)威脅到使用者和周圍人們的安全。所以在進(jìn)行仿真的過(guò)程中,將其與環(huán)境之間的碰撞情況進(jìn)行檢測(cè)是十分必要的一項(xiàng)內(nèi)容,相關(guān)人員一定要對(duì)其加以重視。

(二)檢測(cè)的方法。在進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中,會(huì)將很多靜止的物體放置在這個(gè)檢測(cè)的環(huán)境之中,因此位置信息只進(jìn)行一次讀取即可,在將Poly Tree環(huán)境構(gòu)建好之后,就不需要再次進(jìn)行環(huán)境的更新。因?yàn)闄C(jī)器人有著運(yùn)動(dòng)性的特點(diǎn),其每個(gè)關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中都會(huì)在相對(duì)位置方面發(fā)生實(shí)時(shí)變化,所以在對(duì)其進(jìn)行碰撞檢測(cè)之前,應(yīng)該對(duì)其每一幀的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行獲取。

在剛開(kāi)始進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候,相關(guān)的程序一定要先對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行初始化。初始化完成以后就可以在仿真之中將浪費(fèi)資源和時(shí)間的工作分離出來(lái),進(jìn)而讓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的進(jìn)一步提升。在開(kāi)始檢測(cè)的時(shí)候,一定要對(duì)機(jī)器人在每一幀的運(yùn)動(dòng)之中進(jìn)行關(guān)節(jié)姿勢(shì)的數(shù)據(jù)信息獲取,并通過(guò)Poly Tree來(lái)代表接受檢測(cè)的機(jī)器人。檢測(cè)的過(guò)程中一旦有碰撞情況發(fā)生,系統(tǒng)就會(huì)立即發(fā)出相應(yīng)的警告,進(jìn)而對(duì)下一步應(yīng)該采取的行為進(jìn)行提醒,在這個(gè)提醒界面之中,檢測(cè)人員可以選擇將規(guī)劃的方案重新進(jìn)行設(shè)計(jì),也可以選擇繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè),暫時(shí)忽略掉這個(gè)碰撞,還可以選擇將這個(gè)程序終止。在這個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)之中,會(huì)將這種機(jī)器人和周邊環(huán)境之間最近的點(diǎn)用紅色帶有箭頭的實(shí)線標(biāo)出來(lái),如果兩個(gè)點(diǎn)之間有著十分小的距離,就說(shuō)明這個(gè)機(jī)器人在這一點(diǎn)可能會(huì)和周圍的環(huán)境之間出現(xiàn)碰撞的情況。

結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)今的經(jīng)濟(jì)社會(huì)之中,科學(xué)技術(shù)也在不斷發(fā)展,而隨著人們生活質(zhì)量的提升,人們對(duì)于服務(wù)的需求也越來(lái)越高?；谶@樣的情況,服務(wù)類的機(jī)器人也開(kāi)始逐漸走進(jìn)人們的生活。這種機(jī)器人的應(yīng)用使得當(dāng)今社會(huì)人們的生活實(shí)現(xiàn)了更大的便利,因此越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注服務(wù)機(jī)器人。因?yàn)檫@種機(jī)器人主要的應(yīng)用目的就是為人們服務(wù),所以在應(yīng)用的過(guò)程中,安全性與實(shí)用性是最需要注重的問(wèn)題?；谶@一情況,在對(duì)這種機(jī)器人進(jìn)行仿真的過(guò)程中,相關(guān)人員一定要對(duì)其自身的碰撞檢測(cè)及其與環(huán)境之間的碰撞檢測(cè)加以重視,這樣才能有效保障其良好的使用性能與安全性能。