（机械电子工程专业论文）基于vrml的三自由度机器人替身模型及其应用的研究.pdf

山糸人学硕仁学侮沦文 摘要 随着替身理论的提出以及人体建模技术的发展人类开始逐渐融入到虚拟的 环境之中，利用其三维替身与虚拟环境进行交互。 本文在研究h - a n i m 替身模型标准的基础上将替身概念扩展至机器人研究领 域。以三自由度柔性机器人为研究对象，利用v r m l 技术，在虚拟的环境中建立 机器人替身模型，使其具有同人体替身模型同等的地位，代替真实的机器人成为 虚拟环境中的主体。 通过对比人体模型与三自由度柔性机器人替身模型之间结构上的相似之处， 采用建立人体替身模型常用的多关节体建模方式。同时利用v r m l 空问坐标的变 换层系来建立分层关节点嵌套的三自由度柔性机器人替身模型。 机器人替身概念的提出使得虚拟仿真环境中的机器人替身模型从虚拟的环 境中分出来，它不再只是虚拟环境的一个组成部分。而是独立的存在主体。而其 替身作为虚拟环境的主体，与处于虚拟环境之外的用户的信息交流，则是通过用 户与机器人替身之日j 的交互实现的。但v r m l 本身的交互能力比较弱，本文在对 基于v r m l 的交互技术进行探讨之后利用j a v a 编程语言扩展v 刚l 的交互能 力以实现较为复杂的交互形式。根据机器人的结构特点推导出其各个连杆之删的 运动约束方程，并通过e a i 实现了对机器人替身运动的控制。 将机器人替身运用到基fw e b 的机器人遥操作系统中，是替身理论在机器人 研究领域的一个具体的实例。一方面将机器人鸶身运用在遥操作的视觉反馈系 统中，建立虚拟仿真环境中机器人的二：维替身模型，使其能即时的反馈机器人的 动作位姿并根据实际的远程机器人控制系统发出的信息实时的驱动虚拟场景内 机器入替身进行连续的运动。由于用远端机器人运动产生的位姿信息代替了犬墓 的图像信息，而这种状念信息容量极小，在传输过程中几乎不可能产生延迟。从 而保证了视觉反馈的实时性与显示效果的连续流畅。 另一方面，利用虚拟的仿真环境以及机器人替身模型，可以实现对远程实际 机器人的控制。操作用户在实际发送操作指令丽a ，以通过控制虚拟环境中的机器 人替身，预览其运动效果，以便作出进+ 步的划断。通过对机器人替身的运动模 拟实现对远程实际机器人的遥控制的方n ：定程度| ：确保了系统的可靠性。 选用b s 结构作为丌发基于w e b 的机器人遁操作系统的体系结构，以x i 作 山东人学硕十学位论文 为数据交换的标准，解决了异种程序接口之问的数据通信的f u j 题。 本文给出了一个基于w e b 的机器人遥操作的原型系统。此原犁系统表明，机 器人替身的运 j 很好的解决了遥操作中运动仿真的实时性b 系统町靠性问题，其 具有良好的实用性。最后在总结全文工作的摹础上指出了有待进一步研究的内 容。 关键词：机器人；替身；v r m l ：e a i ；x m l 山尔人学硕七学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea p p e a r a n c eo fa v a t a rt h e o r ya n dt h ed e v e l o p m e n to fh u m a nb o d y m o d e l i n g ，p e o p l eb e g i nt oi m m e r ：g ei n t ot h ev i r t u a lr e a l i t yw o r l da n da p p l yt h e t h r e e - d i m e n s i o na v a t a rt oi n t e r a c tw i t hv i r t u a le n v i r o n m e n t b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h eh - a n i mf o r m a th u m a nm o d e l ，t h i sd i s s e r t a t i o n e x t e n d st h ec o n c e p to fa v a t a rt ot h es t u d yo fr o b o t i c s ，c h o o s e st h et h r e e - f r e e d o m f l e x i b l er o b o ta st h er e s e a r c ho b j e c ta n dc o n s t r u c t sa na v a t a rm o d e lo fr o b o ti nt h e v i r t u a le n v i r o n m e n tw i t hv i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e v r m l ) 1 1 豫a v a t a ro f r o b o tb e c o m e st h el e a d i n ga c t o ri n s t e a do ft h er e a lr o b o t , j u s ta st h ea v a t a ro fh u m a n b o d y c o m p a r i n gt h ea v a t a ro fh u m a nb o d yt ot h ea v a t a ro ft h r e e f r e e d o mf l e x i b l e r o b o t so ns t r u c t u r ei no r d e rt of i n dt h es i m i l a r i t yb e t 、嘲t h e m t h i sd i s s e r t a t i o nc h o o s e s m u l t i - j o i n tm o d e lw h i c hi sm o s t l yu s e df o rt h eh u m a nm o d e lt oc o n s t r u c tt h er o b o ta v e r t o f r o b o t i nt h ec o u r s eo f b u i l d i n gt h eg e o m e t r i cm o d e lo f r o b o t ，t h i sd i s s e r t a t i o na p p l i e s t h ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o no fv r m lt or e a l i z et h en e s t e dc o n n e c t i o ni no r d e rt h a t t h ef o l l o w i n g j o i n t sc a nr o t a t ew h i l eac e r t a i n j o i n tr o t a t e s 1 1 l ec o n c e p to ft h er o b o ta v a t a rm a k e st h ev i r t u a lr o b o tm o d e ls e p a r a t ef r o mt h e v i r t u a le n v i r o n m e n t i ti sn o tac o m p o n e n to ft h ev i r t u a le n v i r o n m e n ta n yl o n g e r , b u ta s e l f - g o v e r n e d i n d i v i d u a l a st h el e a d i n gr o l ei nt h ev i r t u a le n v i r o n m e n t , t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h er o b o ta v a t a ra n dt h eu s e r sw h oa r eo u to ft h ev i r t u a l e n v i r o n m e n ti sr e a l i z e db yt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e m f o rt h el i m i t a t i o no f i n t e r a c t i o nt h a tv i w lp r o v i d e d t h i sd i s s e r t a t i o nu s e sj a v at oe x t e n dt h ea b i l i t yo f v r m ls ot h a tm o r ec o m p l e xi n t e r a c t i o nc a l lb er e a l i z e d ，a f t e rd i s c u s s i n gs e v e r a l v r m l b a s e di n t e r a c t i o nt e c h n o l o g i e s 1 1 l i sd i s s e r t a t i o nd e d u c e st h er e s t r i c t i o ne q u a t i o n a b o u tt h ea n g l ev a l u eo fa l lj o i n t s 。a n dt h e nr e a l i z e st h es i m u l t a n e o u sm o v e m e n to fa l l j o i n t so f r o b o tb yt h ee x t e r n a la u t h o r i n gi n t e r f a c e ( e a i ) i ti sap a r t i c u l a ra p p l i c a t i o ni nt h ea r e ao fr o b o ts t u d i e st h a ta p p l y i n gt h ea v a t a ro n t h es y s t e mo fw e b - b a s e dt e l e - o p e r a t i o n o no n es i d e ，t h i sd i s s e r t a t i o nu s e st h ea v a t a ro f 3 d o fr o h o ti nt h ef i e l do fv i s u a lf e e d b a c ka n db u i l d st h ev i n u a it h r e e - d i m e n s i o n 山尔人宁硕l ：卞俺论文 a v a t a ro f3 - d o fr o b o ti nt h ev i r t u a le n v i r o n m e n t 1 1 k l lt h ea v a t a ro fr o b o tc a l lr e p e a t t h em o v e m e n tt h a tt h er e m o t er o b o td o e st i m e l ya n ds m o o t h l y b e c a u s et h eh u g ed a t ao f r e a li m a g ei sr e p l a c e db yt h ep o s i t i o ni n f o r m a t i o ns e n tf r o mt h er e m o t er o b o t a n dt h e d a t ao fp o s i t i o na 陀u s u a l l yt o os m a l lt oc a u s ed e l a yd u r i n gt r a n s m i s s i o n t h ee f f e c to f v i s u a lf e e d b a c ki ss m o o t ha n dl e a lt i m e o nt h eo t h e rs i d e ，t h es y s t e mc a l lm a k et h eo p e r a t o ra c h i e v et h eg o a lo far e m o t e c o n t r o lo fac o n t r o l l e do b j e c ti nr e a lw o r l d t h r o u g ht h em u t u a lr e a c t i o nb e t w e e n o p e r a t o ri nr e a l - l i f ew o r da n dr o b o ta v a t a ri nv i r t u a le n v i r o n m e n t u s e r sc a l lc o n t r o lt h e m o v e m e n to fr o b o ta v a t a ri nt h ev i r t u a le n v i r o n m e n ta n ds e et h er e s e tb e f o r eo p e r a t e t h er e m o t er o b o t b e c a u s et h eo p e r a t i o no r d e r st h a ts e n tt ot h er e m o t ec o n t r o l l e ro fr o b o t a r ec h e c k e da n dv a l i d a t e d t h i sk i n do fc o n t r o lc a ng u a r a n t e et h a tt h es y s t e mi s t r u s t i n e s s t i i i sd i s s e r t a t i o nc h o o s e st h eb r o w s e r s e r v e rs t r u c t u r em o d e l sa st h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fr e m o t e l yc o n t r o l l e dr o b o ts y s t e mb a s e do nw e b , a n d t g g c st h ex m l a st h es t a n d a r di no r d e rt or e s o l v et h ed a t ae x c h a n g ef o r m a tf o rr e m o t ed a t a t r a n s m i s s i o nb e t w e e nd i f f e r e n ts o f l w a r ep l a t f o r m s n l i sd i s s e r t a t i o np r o v i d e sa p r o t o t v es y s t e m t h ep r o t o t y p es y s t e mi n d i c a t e st h a t t h er o b o ta v a t a ru s e di nt h er o b o tt e l e o p e r a t o rc a nr e s o l v et h ep r o b l e m sa b o u tr e a l - t i m e i ns i m u l a t i o na n dr e l i a b i l i t yo f t h ew e b b a s e dt e l e - o p e r a t i o ns y s t e m f u r t h e rs t u d ya b o u t t h er o b o ta v a t a rw i l lb ed i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n k e yw o r d s ：r o b o t ；a v a t a r ；v r m i ，：e a i ；x m l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：理曼邃丝日期：丝塑、筋 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅； 本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：翅! 塑垫导师签名： 噼嗍垃删 山东人学硕t ：学侍论文 第1 章绪论 i i 替身模型 替身是虚拟现实研究领域的一个新的热点。i 三是分布式多用户虚拟场景中一个 不可缺少的因素。在多用户虚拟环境中。一个用户要能够感知到其他用户的存在， 就必然要用到代表用户的替身。用户替身的引入，使得三维场景在用户交流方面 的优越性得到充分的发挥。用户不再仅局限f 传统二维文本的交流。 1 1 1 替身的定义 替身是代替真实用户访问虚拟世界的载体。作为虚拟世界中的个体，替身的设 计包括它们的外貌，行为及控制都以真实世界的访问者的行为期待为基 础。 1 1 i 1 狭义的定义 替身( a v a t a r ) 是指利用计算机制作的在虚拟世界中用以代替用户的三维模 型( 1 i 。利用计算机，用户可以拥有自己的替身，替身具有在虚拟现实世界中浏览三 维场景或者与别的替身相互交互交流的能力。如果使用替身，用户与现实世界一 样在虚拟世界中能够自由地移动或者与别的j ，聊天，而且与别的用户可以共同 作业。 狭义的定义，替身单指代替用户的虚拟模型，其_ 董体为人。替身代表用户的 行为及意志，所以现在的“替身”一词多指代棒用户浏览虚拟环境或与虚拟环 境进行交互的用户替身，其形，奁也多为接近真实人体形念的三维人体模型。 目前大部分的替身是用具有多关节点的人体柬实现，从而提高现实感。使用 多关节人体的趋势越柬越明显。 1 1 1 2 广义的定义 广义的替身，不j 是代替用户在虚拟毗界中进i i 操作的人体模型，它可以是任 何虚拟世界中的行为e 体，如虚拟装配线l ：的机械手。利用计算机制作的替身有 多种多样的形状。 1 1 2 替身的研究现状 替身代替_ ，“足虚拟世界中的行为l j 体。特身的研究包括替身的制作符身 动作的实现，臀身的相垃作用的实现等。为了型好的实现用户的意图，使替身j t 山东人学硕t ：学f 帝论文 有“生命”啕内许多学者进行了大量的研究具体包括以f j l 个方面。 ( 一) 替身模型的研究。 替身是虚拟环境中一个重要因素为了更好的体现逼真性和交吒性，通常采用 h - a n i m 人体模趔。 ( 二) 替身的动态行为的控制。 替身是在二维虚拟环境中代表用户的独立个体。它必须能完成用户指定的动 作，传达用，1 ，想要表达的思想【2 1 。 ( 三) 替身的智能化 在多用户场景中，如何以更自然的方式操纵替身，使替身更好的领会用户的 意图是非常关键的问题。 引入智能替身模型，使得用户可以通过更简单而自然的方式与自己的替身交 互替身可以更好的理解用户意图。 多通道技术可以使替身更具有智能性用户可以更好的控制替身，表达自己 的意图1 3 l ( 四) 符身的交互。 替身是用，、在虚拟环境中的表示，用，o 可以通过替身在虚拟场景中运动并与 其他用户替身或虚拟场景中的物体进行交互。 ( 血) 个性化替身。 股的系统只提供了一个替身模裂，所以分小出来足准的替身为了解决这 一问题，可以把f j 户名最示在替身头部i ：咖，这样，f 以知道替身所有者。f h 是 该方法不能满足用户的要求即个性化替身。大部分f j 户希单按自己的意愿打扮自 己的替身如何将用户自定义的替身加入系统川、境中去是需要考虑的问题i 引。 对于卜嘶提到的u j 题，可以使用e a ! 协议将j | 1 ，、臼l 三制作的卒亭身引入到前 多用户虚拟环境中，并f l 在该虚拟环境f i 托i 制i j 厂t 定制替身的行为。但该蟹身的 定制必须遵循i f 舭规格说明并能和h - a n i m l 5o 姚格的晓明兼容1 6 1 1 7 i 。 1 1 3 替身在机器人领域的研究 目前在特身领域的研究还主要集中j 代表人类的人体倚身模型的研究。这哆虚 拟人替身以近似人类形体的外貌出现存虚拟蚪境【f i 代表人类与虚拟环境i j 的虚 拟物体进行受1 1 ：。 f h 静身列小仪町以川j - 人类它还l i j 以址j e 他物赝f f j 代表比如机器人。f l 山尔人学硕士学位论文 虚拟环境中的虚拟的机器人模型代替现实环境中的真实机器人在机器人的研究领 域并不新鲜但是此处的虚拟机器人只是以模型的概念出现并不具备替身的意 义。这些虚拟的机器人模礁仍旧是虚拟环境的一部分，人类虚拟环境中的人 体替身或者是控制虚拟机器人的操作用户，仍是虚拟环境的主体。 将替身理论延展至机器人研究领域。处于虚拟环境中的虚拟机器人模型一旦被 赋予了替身的含义。它便不再只是虚拟环境的一个组成部分，而是成为了虚拟环 境的主体。机器人替身作为虚拟环境的主角，其与操作用户之问的地位随之发生 了改变。他们之间的交互不再单单是简单的控制与被控制，而成了不同环境主体 之间平等的信息交流。如何使机器人替身更好的了解用户的意图便成了替身在机 器人领域研究的一个重点问题。 1 2 虚拟现实 1 2 1 虚拟现实技术概述 1 2 1 1 虚拟现实的定义 虚拟现实的英文全称为v i r t u a lr e a l i t y ( v r ) ，它是建立在集成诸多学科如 心理学、控制学、计算机图形学、人工智能、数据库设计、实时分布系统、电子 学，及人机接口技术、网络技术、视听技术、多媒体技术等高新技术之上的，是 人类与计算机和机器复杂的数据进行交互的一种方法，是种史为高级的人机交 互技术i 引。 虚拟现实利用计算机发腱中的高科技手段，借助计算机技术及硬件设备创造 出个虚拟的境界，使参与肯捩得j 现实一样的感觉。其核心是由一些计算机生 成的二三维的交互式的环境组成。县体地说，就是利用以计算机技术为核心的现代 高科技生成逼真的视、听、触觉一。体的特定范围的虚拟环境。这些环境可以是真 实的。也町以是想象的世界模掣其目的是通过人工合成的经历来表示信息。用 户借助必要的设备以自然的方j 虚拟环境中的对象进行交，i 作用相互影响 从而产乍等同真实环境的感受和体验1 9 l i l 0 i 。 1 2 1 2 虚拟现实技术的特点 j 传统计算机相比虚拟现实系统具有三个重要特征：沉浸感( 1 m m e r s i o n ) ， 交呸性( in t e r a c t i v i t y ) ，想象中牛( 1 m a g i n a t i o n ) l i t 1 2 1 ，义称为： _ l 特性，如图 卜l 所1 ：。 “j j 、人学硕十学f 论文 幽1 一i 虚拟现实技术的3 - i 特征 ( 1 ) 沉浸感( i m e r s i o r ) 。 沉浸感是指用户作为主角沉浸祖：虚拟世界巾的真实程度。首先v r 足通过计算 机生成一个非常逼真的足以“迷惑”人类视觉的虚拟世界。我们可以看到听到触 到及嗅到这个虚拟世界中发生的切，从而能全方位地浸没在这个虚幻的世界中。 这就是v r 的首要功能郎沉浸感( 1 m m e r s i o n ) ( 2 ) 交互性( n t e r a c t j v j t y ) 。 交互性是指用户对虚拟环境内的物体的可操作程度和从其中褥到反馈的自然 程度。虚拟现实与通常c a d 系统所产生的模型是不一样的，它不是一个静态的世 界，而足一个丌放的环境，它可以对使用者的输入( 如手势，语苦命令) 作出响 应。比如用可以在虚拟的场景鸭呵漫游，用虚拟的手感触到虚拟物体存在。虚拟 现实环境可以通过控制与监视榆测等装霄影响或被使用者影响，这足v r 的第：二个 特征即交互性( i n t e r a c t i o n ) 。 ( 3 ) 想象性( i m a g i n a t i o i l ) 。 想象性是指用户沉浸在多维f 矗息宅日j ，依靠自己的感知和认识全方位的获取 知识并自主的寻求解答，形成新的概念。虚拟现实不仪仪是个媒体一个高 级用，、界面而且可以使用沉浸九 匕环境中获取新的知识提高感性和理性认 识，从而产生新的构思。它以夸人的形式反映设计者的思怒。这便是v r 所具有的 第二：类特征即想象性( i m a g in a i i o n ) 。 综 ：所述虚拟现实是人们町以通过视听触等信息通道感受鲥设计者思想的 高级_ f i ，- l 界面。 1 2 1 3 慷技术的分类 根抛j l j t s 参与v r 的不i i i ：l 形式以及沉浸的程度不同，实际心l | 的虚拟观。戈技术 人体i i ，分为i 类：非沉浸式沉泌j 以及增强现实性虚拟脱史技术i n i 。 ( 1 ) 悱沉浸式虚拟现实技术l 蛭址依赖软件技术实脱的义砀：之为粲两虚拟 4 山东人学硕十学位论文 现实系统。它借助键盘，鼠标，显示器等传统的杯准外设创造个窗【1 式的虚拟 环境。虽然真实感不及沉浸式虚拟现实，不能实现味觉嗅觉以及触觉，但通过提 升其软件方面的技术。从而可使其在视觉及听觉方面更可能接近较理想的虚拟现 实环境。它是目前应用最多，实现最方便最经济的一类v r 系统。本文的研究即属 于此类。 ( 2 ) 沉浸式虚拟现实技术是通过特殊的外部输入输出设备和高性能计算机及 相应的软件，提高虚拟环境的沉浸感，使用户得到身临其境的感觉。 ( 3 ) 增强现实性虚拟现实技术通过使用透明的头载式显示器，将计算机图形 与参与者的即时环境中的物体叠加在起，使得操作者对环境的真实性的感受得 到增强。 1 2 1 4 慷系统的软、硬件配置 v r 技术需要一定的硬件及软件条件【哪4 1 1 15 l 的支持，硬件条件是： ( 1 ) 用于数字计算及用于实时模拟的高性能计算处理设备。 ( 2 ) 图像的采集，生成及显示设备。 ( 3 ) 音响设备。 ( 4 ) 用于人机通信的v r 设备，包括操纵控制设备，跟踪设备，定位设备， 力、触觉及运动反馈设备。 v r 软件配置主要条件是： ( 1 ) 实时处理各种传感器传递的信息。 ( 2 ) 计算机仿真，立体图形的生成及显示，虚拟世界的渲染。 ( 3 ) 各种数据库的管理。 1 2 2 虚拟现实的研究现状 通过引入虚拟现实技术，人们与计算机的交互从简单的二维晃面换成了三维 界面。v r 技术的兴起，为人机交互与仿真系统的发展开辟了新的研究领域。 虚拟现实技术是近几年来国内外科技界关注的一个热点，其发展也是日新月 异的。在该领域，国内外许多学者进行了广泛的研究f 1 6 1 美国在该领域的研究主 要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。日本主要致力于建立大规 模v r 知识库的研究我国v r 技术的发展虽然还存在着一定的差距，但一些重点 院校如北京航空航天大学、浙江大学、西安交通大学等都积极投入这一领域的研 究，并取得了一定的成果。 i f i 4 、九0 倾i ：学俯论文 虽然虚拟现实l 丽j 是。种新必技术但价格低廉、性能强人的i 作站、i l i 在丌发q j 的各种感知接l i 设备( 如头盔艟示器、数据手套等等) 以及i 髻i 肜学和软 件技术方面取得的进步为虚拟现实迸入。史际应用提供了保证。目莳。虚拟现实技 术的应用已经渗透到科学、技术、t ：程医学、文化、娱乐等各个领域。 1 3v r - l 1 3 1v r i i l 概述 1 3 1 1v r i i l 原理 虚拟现实建模语占( v r m l v i r t u a r e a l i t ym o d e li n gl a n g u a g e ) 是虚拟现 实技术在i n t e r n e t 上的应用，它定义了描述i n t e r n e t 上交互三维实体和虚拟场 景实现的标准。与h t m l 一样的，v r m l 也是一种 s c i i 的描述语言，其来源为o p e n i n v e n t o r ，是s g i 公司为其本身需求而歼发出的3 d 图形描述语言i 。 v 蹦l 是一种可以发布3 d 网页的跨平台语言，它可以构造虚拟境界( v i r t u a l w o r l d ) ，也可以集成文本，图像，m p e g 等多种媒体类型。v r m l 的基本目标是建立 i n t e r n e t 上的交互式三维多媒体，它可以提供一种更自然的体验方式，包括交互 性，动态效果，延续性以及用户的参与探索。v r m l 又被称为继h t 札之后的第二代 w e b 语言。 1 3 1 2v r i i _ 基本特征 v r m l 是一种基于文本的描述性语言，其文件的扩展名为w r l 。每一个v p 氆i l 文 件都出若干个场景( s c e n e ) 构成，而每一个场景又由许多节点( n o d e ) 和事件 ( e v e n t ) 组成，通过路由( r 叫1 e ) 语句将这些节点和事件连接起来，形成简单 的动态效果。 当访问一个包含v r m l 的站点时，就会有一个扩展名为e r l 的文件下载到浏览 器中，测览器调用内嵌的v p 氇i l 浏览器浏览文件，将v i 矾。文件中的信息根据标准 解释成v r 札空间中的目标几何形状的描述，屏幕上就会出现实时的交互的三维场 景。 由于v r i i t l 是一种三维造型和渲染的图形描述性语言，所以它所生成的w r l 文 件是记录虚拟场景的描述，而不是实际创建的模型，这样v r l l l 文件相对于其他的 图形媒体就非常小，从而适用于网络传输。v r i h l 的访问方式是基于浏览器服务器 模式的其中服务器提供v r m l 文件及支持资源，客户端通过网络f 载希望访问的 6 山尔人7 颀 。掌忙论交 文件片通过本地平台上的v r m l 浏览器交吒式地访问该文件描述的虚拟环境。 v r m l 具有以下技术特钳嘲： ( 1 ) 基于浏览器服务器( b s ) 模式的访问方式。 ( 2 ) 分布式环境设计及可扩充性。 ( 3 ) a s c i i 文本格式的描述性语寿，具有平台无关性。 ( 4 ) 可交互性。 ( 5 ) 三维视听效果及多媒体集成。 ( 6 ) j a v a 或j a v a s c r i p t 支持 1 3 2v r i l 关键技术 v r m l 是描述虚拟场景的一种标准，它定义了虚拟现实环境中的各种常用属性， 如层次变换、光源，视点、几何、运动、雾、材料特性，以及纹理等，并定义了 一些可以实现简单的行为特征的描述。文献 1 9 中对v r m l 的建模以及交互的关键 技术进行了详尽的介绍。 1 3 2 1v l 建模技术 v r m l 定义了类型丰富的几何、编组等节点，使用它们可以方便快捷的建立起 用户所需的模型。包括： ( 1 ) 基本几何形体：b o x 。s p h e r e ，c o n e ，c y li n d e r 。基本几何形体节点可 以快捷的建立如立方体、圆锥体、圆柱体等比较简单的造型。 ( 2 ) 构造几何形体：i n d e x l i n e s e t ，i n d e x f a c e s e t ，e x t r u s i o n ，p o i n t s e t ， e 1 e v a t i o n g r i d 。用构造几何形体节点如点、线、面索引节点及拉伸节点可以构造 任意复杂的实体形状。 ( 3 ) 造型编组，造型定位，旋转及缩放：g r o u p 。t r a n s f o r m 造型编组可以 用来描述装配关系，其中t r a n s f o r m 节点可以确定装配位置和方向。 ( 4 ) 特殊造型：b i l l b o a r d ，b a c k g r o u n d ，t e x t 特殊造型节点可用于场景 中的文字，背景颜色等设置。 此外，为了增强真实感，v p 氇i l 还定义了丰富的节点渲染能力，可以精细的实 现光照、着色、纹理贴图等。 1 3 2 2v r b l 交互控制技术 v r m l 定义了类型丰富的传感器与插补器节点，可以感知用户交互 ( 1 ) 传感器：c y l i n d e r s e n s o r ，p l a n e s e n s o r ，v i s i b i l i t y s e n s o r ，p r o x y m - 7 “i 尔人0 ：坝 i j 论文 it y s e n o r s p h e r e s e n s o r 1 o u c h s e n s o r 。传感器箝点f 叮以媾知l 用户对虚拟场景 内物体的f 1 ：用，如感知用户鼠标的指针接触。 ( 2 ) 关键帧时间传感器：t i m e s e n s o r 。 ( 3 ) 线性插补器：p o s i t i o n i n t e r p o l a t o r o r i e n t a t i o n f n t e r p o l a t o r ，c o l o f i n t e r p o l a t o r s c a l a r i n t e r b ) l a t o r ，n o r m a lln t e r p o l a t o r ，c o o r d i n a t e i n t e r p o l 8 t o r 。时f b j 传感器节点驱动线性插补器爷点按照时问顺序给出时h j 的插值， 控制实体位置、状态所需要的中间过渡值。 ( 4 ) 碰撞检测：c o l l i s i o n 。v r m i 的碰撞检测节点可以检测在虚拟场景中的 用户替身与虚拟实体之间的碰撞效果。 1 3 3v r n l 扩展技术- i a v a 利用v p , _ i l 所包含的节点去创建场景，只能实现静态的虚拟效果。而v r i w l 本 身并所具备与外部交互的能力十分有限，必须与其他语言结合才能创造出具备复 杂交互能力的三维场景。 1 3 3 1j a v a 简介 j a v a 来自于s u n 公司的一个叫g r e e n 的项目是由j a m e sg o s l i n g ，p a t r i c k n a u g h t o n c h r i sw a r t h ，e df r a n k 和m i k es h e r i d a n 于1 9 9 1 年在s u nm i c r o s y s t e m s 公司设计出来的。 j a v a 是一种专门为网络设计应用而开发的面向对象语言，它可以被动态的下 载到各种异构平台上并执行相关的操作，具有可移植性、健壮性、安全性、面向 对象、分布性、多线程、高性能、方便性等优点。 1 3 3 2v i 瑚l 与j a v a 的结合 尽管v r 札是一个有力的3 d 语言，但它更大的功能是在于它能够用程序语言 去建立复杂、交互的界面，这个程序语言就是j a v a 语言。j a v a 具有i n t e r n e t 环 境下程序设计的优势，但它主要讨论对象行为，却很少涉及外部特征。而v p d d l 则 具有虚拟现实场景建模的优势，它着重虚拟场景中对象的特征而不太考虑对象的 行为。j a v a 和v r m l 优势互补，两者相结合町开发较为复杂的，交互的虚拟现实系 统。v r m l 负责场景的描述和接口定义，复杂的交互则由j a v a 来完成。 1 4 课题的背景及主要研究内容 8 山乐大学硕叶：学位论文 1 4 1 课题的背景 1 4 1 1 虚拟现实技术在机械工程领域中的应用 虚拟现实的应用领域很多。现重点介绍下其在机械工程中的几种应用1 2 0 1 1 2 ”。 ( 1 ) 虚拟产品= f 1 ：发( v i r t u a lp r o d u c td e v e l o l 3 l i n e n t ) 。 虚拟产品开发就是利用计算机及工艺技术开发与分析零部件，并在装配，制 造等全过程中使用有关信息。 ( 2 ) 虚拟制造( v i r t u a l l a n u f a c t u r i n g ) 虚拟制造就是在计算机上验证产品的制造过程。利用计算机仿真。多媒体及 传感器等技术对制造过程迸行全面模拟分析，在新产品投产之前就能预见所设计 的产品性能，生产成本等，并对其评估。 ( 3 ) 虚拟装配( v i r t u ma s s e m b l i n g ) 。 利用虚拟装配技术，在计算机上建立起如同真实样机的三维模型。通过模拟 装配软件，在虚拟环境下对零件装配情况进行干涉检查，将设计上的错误形象的 显示在设计者的面前，可以更改或者重新设计模型，从而可以降低生产成本。 ( 4 ) 遥控机器人。 机器人遥操作系统可以代替人类在危险和极限环境下完成作业任务，主要用 于空间技术，核废料的处理，显微外科，微电子装配，水下操作，消防救援以及 采矿业等方面。 1 4 1 2 虚拟现实在机器人应用领域中的研究 虚拟现实技术在机器人领域的应用，主要包含以下四个方面趋删： ( 1 ) 遥操作机器人系统。 ( 2 ) 现代制造技术中机器人作业单元的虚拟仿真和编程平台。 ( 3 移动智能机器人的路径规划仿真平台。 ( 4 ) 以机器人为核心的设备培训平台 4 1 3 基于w e b 的机器人遥操作 随着网络技术的发展，网络技术已经逐渐渗透到各个领域。基于w e b 的机器 人遥操作是通过i n t e r n e t 访问连接机器人的w e b 站点，而达到远程控制机器人的 目的。 1 9 9 3 年，由k e ng o l d b e r g 等连接到i n t e r n e t 上的m e r c u r yp r o j e c t 是第一 个基于w e b 浏览器的机器人遥操作系统。此后，基于i n t e r n e t 的机器人遥操作技 9 自、九。7 。硕t 学位论文 术逐渐发腱成为1 1 日惭：机器人彤f 究领域的一个重要静沿课题。基了二i n t , , r n e t 的机器 人遥操作技术研究的i ：耍i i 的足利j ji n t e r n e t 传送人类的行为动作，使机器人在 远程复现人类的行为意图i 晒实现跨越宅问的行为延伸1 2 7 圆i 。 | n t e r n e t 的远程应用是j i ，l6 口研究的一个热点，摹于t n t e r n e t 的机器人遥操作 也是当前机器人研究的i i i 沿课题。现在普遍采用的机器人遥操作的模式是基于 i n t e r n e t 的监控操作模式i 如t ，按照这种模式，一般由远程操作者通过蹦特网发送 目标命令给服务器端，通过它将j 标命令传递给机器人控制器：遥操作者要求能 对现场的信息进行监控和管理，在此基础上才能发出正确的遥控命令，因此该系 统要求机器人运动图像要实时传输和实时播放i ”l 。然而，视频图像的数据量通常 很大，在i n t e r n e t 网络传输中，由于不确定的时延常导致机器入运动图像在遥操 作端的播放有一段时间的滞后。在数据的传输过程中由于网络当时的性能状态， 如拥挤程度，途经路径的长短等，使得时间的滞后还具有不可预测性。如果遥操 作人员不将图像的滞后考虑进去，对机器人当前运动状态无法做出正确的判断， 就无法发送正确的遥控命令，其控制也将出现偏差。网络的传输速率，时间延迟， 数据丢失等都是基于网络的机器人控制所面临的问题闯。 由于网络传输时延的不确定性，解决时延问题一直是遥操作机器人系统研究 的核心问题p 3 i 。在该领域，国内外已经有很多大学进行了一些研究。例如，为了 解决迟延问题，南斤大学提出了一种解决方案，即延迟测试i 硐。 随着虚拟现实技术的兴起，为时延提出了一种新的解决方法，即通过虚拟现 实技术在机器人控制站点建立虚拟操作环境和虚拟的机器人。一方面。以虚拟机 器人的运动控制参数，即远程机器人运动过程中的位姿参数取代了数据量大的数 字视频图像信息，降低了传输过程中可能产生的延迟，并通过虚拟操作环境中的 虚拟机器人的运动实时重现远程操作环境中机器人的运动另一方面，操作者通 过v r 设备控制虚拟机器人在虚拟的环境中运动，并实时反馈其运动状态。控制命 令通过i n t e r n e t 传递给远程的实际机器人控制器，操纵现实中的机器人运动，即 操作者实时操纵虚拟机器人在虚拟环境中运动等同于操作者延时地操纵真正的机 器人在真实环境中运动，即可消除操纵过程中的时延对系统的影响。 1 4 2 课题的研究意义 在基于w e b 的遥操作中，利用虚拟现实技术可以很好的解决传统视频图像信 息反馈因数据量大而带来的传输时延问题。在这方面，国内外许多学者进行了一 山糸入学颀 ? 传论义 些的研究。但是在该领域的研究中基本部是将虚拟环境中的机器人也作为虚拟环 境的一部分，操作的用户才是主角。 目前在替身领域的研究，通常都是指协同环境下的用户替身的研究。此处的 替身是代替用户在虚拟环境中的有形个体。用户替身是虚拟环境的主体，用户仍 是虚拟环境的主角。而将替身的概念延展至除人