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(jī)械臂虛擬模型的仿真控制，利用Virtual Reality Toolbox中的VR sink模塊導(dǎo)人之前編輯好的機(jī)械臂虛擬模型，來生成控制信號的接入端，使控制信號與機(jī)械臂虛擬模型之間建立關(guān)聯(lián)。

【關(guān)鍵詞】虛擬設(shè)備 機(jī)械臂 仿真建模 VR場景

一、引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Real ity Technology，簡稱VR）是近些年來將三維建模技術(shù)、圖像處理技術(shù)、仿真控制技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等融合為一體而形成的高新技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的“虛擬”是指利用計算機(jī)模擬產(chǎn)生一個三維的虛擬場景，這個虛擬場景可以是根據(jù)世界上的任何事物或環(huán)境構(gòu)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(shè)備與所構(gòu)造的虛擬場景中的事物進(jìn)行交互，使人們對虛擬場景產(chǎn)生身臨其境的感覺。

二、實現(xiàn)原理

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

三、實現(xiàn)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?？梢詫崟r采集頭部的轉(zhuǎn)動，用頭部的轉(zhuǎn)動去控制機(jī)械臂上方的兩個舵機(jī)，這樣可以實現(xiàn)手機(jī)的轉(zhuǎn)動就頭部轉(zhuǎn)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(huán)境（如手臂模型和機(jī)械臂模型）。

（二）機(jī)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(shè)計效率，我們的設(shè)計步驟通常按以下順序進(jìn)行：繪制草圖輪廓一定義草圖單元問的幾何約束關(guān)系一添加尺寸。在草圖繪制過程中要充分使用約束關(guān)系，減少不必要的草圖尺寸，從而使草圖的構(gòu)思更加清晰。Solidworks主要用于完成零件設(shè)計、裝配體設(shè)計和自動生成工程圖。根據(jù)三維特征元素的建模和面向特征元素的數(shù)據(jù)修改來完成進(jìn)一步完善模型。

（三）虛擬操控

用集成藍(lán)牙BLE。通過藍(lán)牙連接手臂動捕設(shè)備，實現(xiàn)虛擬手臂和現(xiàn)實手臂的同步。手柄上的按鍵可以調(diào)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(jī)變成一個Http服務(wù)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(fù)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(jī)和單片機(jī)之間的USB通信。Intel Edison的板子實現(xiàn)通過局域網(wǎng)接收機(jī)械臂的控制指令。

四、小結(jié)

手部動作捕捉的設(shè)備對技術(shù)要求很高，涉及到的動作細(xì)節(jié)非常多，一個動作所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量很大，對系統(tǒng)的處理能力就有很強(qiáng)的硬性需求。虛擬場景中控制機(jī)械臂運作，機(jī)械臂使用3D打印技術(shù)制作，模型導(dǎo)入VR場景中，對模型進(jìn)行仿真。由于人員不足，還有部分設(shè)備無法獲取導(dǎo)致該項目沒有完成成品。

參考文獻(xiàn)：

[1]張勇.基于Simulink的機(jī)器人虛擬現(xiàn)實仿真研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2007.

[2]陳云峰.射手虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練系統(tǒng)研究[D].中北大學(xué)，2008.

[3]張宗濤.工程機(jī)械行駛驅(qū)動系統(tǒng)半物理仿真平臺設(shè)計[D].長安大學(xué)，2009.

[4]邱荷.末敏彈全彈道運動仿真及虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究[D].南京理工大學(xué)，2013.