机器人三维仿真体系探究

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本文作者：赵玲亚 单位：廊坊职业技术学院

电气设备在长期运行中需要经常测试、检查和维修。带电作业是避免检修停电，保证正常供电的有效措施。带电作业的内容可分为带电测试、带电检查和带电维修等几个方面。带电作业的对象包括发电厂和变电所的架空输电线路、配电线路和配电设备。目前,我国的带电作业方式仍是以人工带电作业为主,操作人员作业时处于高电压、高空环境中,作业条件恶劣,容易引发人身伤亡事故。因此,研制一种适用于10kV高压线路带电作业的机器人具有重要意义。

高压带电作业机器人是主要针对配电线路带电作业而研制开发的一种可靠、安全的带电作业设备，它是涵盖了高压绝缘技术、计算机通讯技术、自动控制技术、人工智能技术以及机器人技术等许多前沿科技的高科技产品。随着社会经济和文明程度的提高，采用机器人代替人工从事高空高压带电作业是必然的趋势。

纵观国际上现有的带电作业机器人主要有两种形式：一种是以美国为代表的操作人员在地面对高空的机器人进行遥控的形式，另一种是以日本为代表的工作人员在高空的绝缘斗中，通过控制手柄或主手对机器人的作业进行控制的形式。从最近几年的发展看，随着虚拟技术、图象处理和识别、计算机技术等相关技术的发展和成熟，对在地面进行遥操纵的机器人或者全自动的机器人的研究越来越受到重视。

虚拟现实技术的定义可以归纳如下：虚拟现实技术(VirtualReality，简称VR)是指利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术；VR技术可以让用户对虚拟世界中的物体进行观察或操作，同时提供视、听、触觉等多种直观而又自然的实时感知。使用户在计算机所创建的三维虚拟环境中处于一种“如身临其境”的感觉状态。

总的说来，虚拟现实(VR)技术是涉及众多学科的高新实用技术，是集人工智能、传感技术、仿真技术、计算机接口技术及高度并行的实时计算技术等为一体的综合技术。

一个典型的虚拟现实系统主要包括以下五大组成部分：虚拟世界、计算机、虚拟现实软件、输入设备和输出设备。其中，虚拟世界是可交互的虚拟环境，涉及模型构造、动力学特征、物理约束、照明及碰撞检测等；计算机环境涉及处理器配置、多通道及实时操作系统等；虚拟现实软件负责提供实时构造和参与虚拟世界的能力，涉及建模、物理仿真等；输入和输出设备则用于观察和操纵虚拟世界，涉及跟踪系统、图像显示、声音交互、触觉反馈等。

一个理想的虚拟现实系统应该满足以下三个条件：

(1)虚拟世界的数据库能够包容较大的数据量，以保证能够完成较为复杂的工作；

(2)从标准草图和标准的系统(传感器)的数据中能够自动生成模型，而不必通过其他的辅助工具或是编程来构造模型；另外，从如照片或是效果图中可以自动为虚拟世界中的物体生成颜色，自动调解灰度和饱和度，而不必让人工完成这一繁重的体力劳动；

(3)观察虚拟世界的工具，例如装有立体眼镜的头盔能够有广泛的自由度，这样观察者才不会受到限制。

机器人领域与虚拟现实的研究从虚拟现实的产生起就存在着密不可分的关系。虚拟现实的许多算法是在现有的机器人学的基础上建立的。仿真系统作为机器人设计和研究的安全可靠，灵活方便的工具，可以为机器人本体结构方案设计提供参考依据；帮助研究人员了解机器人工作空间的形态和极限位姿；可以用于分析检验轨迹规划和作业规划的正确性与合理性；可以为离线编程技术的研究提供一种极为有效的验证手段；可用于实时检测机器人与作业环境之间的碰撞与干涉以保证生产单元的安全；还可帮助用户选择适合特定作业的机器人产品类型。总而言之，机器人三维运动仿真是虚拟现实一个重要的应用领域，它是机器人各项仿真中一个很重要的组成部分。它对于验证机器人工作原理、工作空间及进行碰撞检测等都具有非常重要的指导意义。