动态代理用于机械手的触觉模拟初探

张连宝

摘 要 触觉模拟机械手主要是指在创造一种身临其境的交互式计算机生成的操作环境，用触觉装置，提供在虚拟环境下互动的基础力量。在许多实际应用中，这些模拟必须处理多个用户之间的互动，多能的机械手以及复杂的虚拟工具。特别是考虑模拟两手机器人的手术，比如在外科机器人操纵的每个独立指挥各自的机械手这样的工具。

关键词 触觉模拟；动态代理

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）13-0184-01

传统上只有准静态的，点状的信号来表示虚拟环境之中的部分。在以前的文章中，我们曾经提出了动态代理来代替这个概念。速度可以使得它产生动态，但生产优质无质量动态相互作用力的能力。有了这个基础，我们推广了代理概念的基础，在实际情况下，虚拟机械手通过给定一些动力，就是指其本身的运动的属性。比如真正的机器人，在虚拟操控技巧跟踪用户和掌握运动而产生的力反馈。虚拟武器和其他物体之间的相互作用实际应用于尖端几何速度的情况下，在一个线性约束最小二次算式的最简解决途径。该方法是为了表示在一个实际两手触觉控制台所运行的6自由度的圆柱链接虚拟机械手对实时

仿真。

1 简介

对触觉的解释是指在人为创造的触觉设备的用户具有触觉，将力反馈给操纵杆或是主机器手。与图形显示的同时，使虚拟模拟在现实中有身临其境的触觉反馈。这也是利用遥控技术，通过交互与远距离机械手依靠感觉的相互作用力来进行操作。这两个应用程序可以合并在一个接口实现增强效果，在自动化系统中，用户命令过滤，检查，并纠正可能在传输到远程站点过程中的错误。

触觉力反馈的有效应用需要在电脑通过精确的计算，从而模拟环境下产生出虚拟操作环境。在这方面，长期以来理解为一个物理主机内的模拟代理是代表的需要。该代理主要是由直接找出虚拟位置，同时记录它的接触位置。这个过程可以防止将对象和界限直接的通过或者是跳跃过去，即使主体用户在时间采样时只能得到离散的数据。代理之间的联系和适当的偏差表明恢复力量是使用者生成提供的。

在传统上，代理是一种小型，点状的目标，没有动力，在行进中快速转换到主体的位置，如果失去联络，便没有自己的控制动力。此外，力的反馈，一般准静态机器处理反应，完全是基于对每个时间步代理的主偏转顺序。这种方法已经固定化，甚至是兼容的虚拟物体的触觉显示有效的一个主设备，使用户能够体会和探索虚拟世界。

引进的动态代理成为可能超过代理运动而达到反应更大程度的控制。他们的代理基础，除了自己的速度和加速度状态到位置允许直观的落实，静态代理无法模拟复杂的相互作用。例如，在代理和静止物体之间，或两个独立控制的代理刚体碰撞，可以很容易地使用模拟速度约束的基础上简单的经典动力学方法来释义，比如动量守恒。

本文中，对触觉代理的概念进一步扩大并且赋予代理动态和运动自身的性质。代理可以是多体运动链的形式，提供了一个有效的仿真机械手。特别是，我们认为，虚拟机械手的遥控操作机器人的代理在微创手术的范围内使用。无论是虚拟环境还是现实中使用其作为基础的外科训练，如果系统需要增加一个接口来增添一个机械手，触觉模拟必须是能够左右有运动副的机械手，机器人这个有运动副的机械手会有所限制条件，机器部件之间的互动，如碰撞，抓等运动。本文介绍了实现中能达到这些目标的方法，使用机械手的速度虚拟代理为基础的一阶动态。

2 背景

最初，触觉环境包括固定化形式，固定化是代表用户的位置几何约束的虚拟物体。对力进行了计算观察到虚拟对象的用户的渗透，以及提供硬弹簧的力量。记录用户所在的侵入虚拟表面上看“神对象的位置”的介绍，作为主体在最终理想的情况下，证实是由一个停止点的代表性效应无限硬表面。当虚拟对象是遇到限制停留在表面上，使用户推到对应的触觉装置。

用户的主设备和点的代表性限制了虚拟的表面可模拟各种有效。例如，使用表面由许多较小的多边形表面生成的，对象通过无限小的点可以下降相邻多边形之间的差距，通过数值舍入创建。基于这个原因，对象一般是一个小球所取代，被称为代理。

利用这种想法开辟了使用其他形状代替球形的可能。这使得更多的不同触觉交互显示。例如，在外科手术机器人，机械手使用这一方法创伤是细和长，因为他们并不需要在病人的身体大切口。为了模拟这种机械手的操作，必须考虑到在操作中的碰撞力，也要考虑机器人之间的身体和周围组织的碰撞。为了解决这个问题，何巴什多安和斯蒂南威桑利用光线为基础的代理来代表手术机械手。但到这一步，完整的虚拟操控也被触觉代理使用。卢克和爱德华兹和卢克触觉模拟一个“H”型拖拉机换档采用双自由度作为代理虚拟手完成工业机器人一个触觉设备。在这些应用中，涉及模拟单一代理和静态环境之间的相互作用。对象没有移动，并于代理，类似于早期模拟虚拟限制。可变形物体进行了研究。

模拟涉及多个机构之间的相互作用的动态响应。通常情况下，采用二阶模型，运用牛顿定律和刚性碰撞事件动量守恒，通过允许的在动力减小损失，微弹性碰撞也可以模拟。这种方法扩展到多体动力学仿真允许使用多连杆触觉模拟机器人。二阶另一个方法是使用代理服务器之间和不同的对象春天般的潜在领域，从牛顿定律获得。通过使用可变刚度的潜在领域，不同的代理可以有效地进行模拟。

在所有上述情况中，二阶动态使用要求，任意质量或质量矩阵被分配给代理。在尼迈耶和米特拉提出基于代理的动态互动，为实现同时保持代理不是使用牛顿定律和动量守恒，而是运用几何约束转换成等效速度的限制使用伺服更新率来模拟刚体碰撞和持续的接触。这一办法还延长至多个条件下，如在一个触觉环境。但是，代理被表现为简单的几何形状单一固定化的机构，而不是动态的，这里考虑多体运动链。也有从一个机器人系统的角度增强一些触觉的发展。触觉反馈应用到运动规划具有非常大的通信时延遥操作机器人的环境系统，利用一个虚拟世界的静态代理。实时遥操作，哈提卜和考斯特，马尼埃使用触觉反馈的机器人外科手术，从机器人机械手的空间工作安全为主要目的的。

参考文献

[1]杨立颖.基于力反馈的机器人遥操作系统研究[D].华南理工大学，2011.endprint