[发明专利]一种基于虚拟环境重建的增强遥操作临场感的方法

说明书

技术领域

本发明属于遥操作技术和计算机科学领域，涉及一种基于虚拟环境重建的增强遥操作临场感的方法。

背景技术

遥操作技术已经在诸如空间机器人、高精度装配、手术等诸多领域扮演着日益重要的角色。在遥操作系统中，操作者通过从端的机械臂与远端环境进行交互。遥操作技术一方面可以给操作者提供一个安全的环境，另一方面可以给操作者提供很强的临场感。但是由于时延的影响，使得临场感降低，为了增强主端操作者的临场感，利用远端实时地反馈力，辨识出远端环境的部分参数(刚度系数和阻尼系数)，在主端重建远端环境，使得主端虚拟环境的建立更加精确，不仅降低了时延的影响，而且给主端操作者提供了实时地虚拟反馈力，同时将虚拟现实技术用于主端，提高了主端操作者的临场感，使操作者更好的完成任务。

遥操作已经运用在许多研究领域，比如，空间机器人、高精度装配和外科手术等。它能替代人类在危险环境中执行任务，同时也能带给操作者较好的临场感。但是由于时延的存在，常常使整个遥操作系统的稳定性、跟踪性能以及临场感降低。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于虚拟环境重建的增强遥操作临场感的方法，能够降低时延对临场感的影响。

技术方案

一种基于虚拟环境重建的增强遥操作临场感的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：建立虚拟的从端任务环境，真实环境与虚拟环境对应比例为1:1；建立远端环境进行动力学模型：

其中：k和λ分别表示在接触处的刚度系数和阻尼系数；x_e表示接触物之间沿切入方向的切入深度；表示接触物在接触处的相对速度；n表示碰撞指数，表示接触物材料的非线性程度；

步骤2：求解动力学模型中的接触物的刚度系数k系数：

其中：τ表示一个常数，在整个接触过程中，由于不同的运动路径导致τ的值产生变化；σ₁和σ₂表示材料参数，

其中：E_i表示碰撞材料的弹性模量；v_i表示碰撞材料的泊松比；

步骤3：求解动力学模型中的阻尼系数λ

计算模型误差：

当e_r在0.0～0.6时，采用计算阻尼系数λ；

当e_r在0.6～0.7时，采用计算阻尼系数λ；

当e_r在0.7～1.0时，采用计算阻尼系数λ；

所述所述

其中：表示接触后理论相对速度，表示接触后真实的相对速度；

所述表示接触方向的方向向量；和分别表示接触前和接触后的目标速度；和分别表示接触后和接触前的执行器速度；

步骤4：以计算得到的刚度系数k系数和阻尼系数λ输入至动力学模型，得到一个虚拟环境重建的模型。

所述常数τ的确定为：对于直线运动的τ为1，其余运动方式的τ为0.5。

有益效果

本发明提出的一种基于虚拟环境重建的增强遥操作临场感的方法，通过远端实时地反馈力，辨识出远端环境的部分参数(刚度系数和阻尼系数)，在主端重建远端环境，使得主端虚拟环境的建立更加精确，不仅降低了时延的影响，而且给主端操作者提供了实时地虚拟反馈力，同时将虚拟现实技术用于主端，提高了主端操作者的临场感，使操作者更好的完成任务。

附图说明

图1：7种建模方式精确度比较

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

在遥操作系统中的操作端，首先建立虚拟的从端任务环境，真实环境与虚拟环境对应比例为1:1。对远端环境进行动力学建模：

式中k和λ分别表示在接触处的刚度系数和阻尼系数。x_e表示接触物之间沿切入方向的切入深度。表示接触物在接触处的相对速度。n表示碰撞指数，它表示接触物材料的非线性程度。这动力学模型可以清楚解释远端任务执行器与其周围环境的关系，因此，建立它是必须的。

式(1)中的F_e的通过远端执行器上的力传感器获取，接触物的刚度系数k系数能通过式(2)得到：

式中τ表示一个常数，在整个接触过程中，由于不同的运动路径导致τ的值产生变化。σ₁和σ₂表示材料参数，可以由式(3)获得：