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在考慮過現(xiàn)有的技術(shù)和他們用戶的需求后，決定開發(fā)出一個新的工具，可通過虛擬用戶界面來操縱現(xiàn)實世界的設(shè)備。而選擇了可以通過虛擬顯示技術(shù)VR技術(shù)的應(yīng)用來直觀地進(jìn)行操縱的機(jī)械臂，以作為目標(biāo)的概念驗證。為了快速高效地打造出這個系統(tǒng)，快速原型開發(fā)工具和迭代開發(fā)形式的、靈活的、跨領(lǐng)域的設(shè)計流程。數(shù)學(xué)建模、MATLAB仿真、計算機(jī)輔助設(shè)計、開源電子硬件、3D打印、以及快速的制作方法都是這個項目成功的關(guān)鍵。

開發(fā)虛擬控制

現(xiàn)在這個虛擬應(yīng)用可以準(zhǔn)確而直觀地控制機(jī)械手臂。這個應(yīng)用不僅可以實時進(jìn)行控制，而且還能輕松地錄制一個機(jī)械手臂的動作路徑。這樣用戶就能“教導(dǎo)”機(jī)械手臂進(jìn)行特定的動作，而無需任何高級的編程知識。錄制一個新的動作十分簡單：按下錄制按鈕，在VR中啟用機(jī)械手臂的末端執(zhí)行器，并將其拖入3D場景中就可以了。

潛在的應(yīng)用

在這次概念驗證中機(jī)械手臂比較小，但這個方法同樣可以用于強(qiáng)大的工業(yè)機(jī)器之中。想象一下，整個工廠都可以在VR中進(jìn)行設(shè)計和編程，包括所有的機(jī)械動作。不再需工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的專家，也不再需要花費大量的時間和經(jīng)歷來為低階的機(jī)械手臂進(jìn)行編碼。通過這個架構(gòu)，任何人都可以輕松而快速地為機(jī)器的行為進(jìn)行編程，或者重新編程。有些公司已經(jīng)開發(fā)出可輕松進(jìn)行編程的機(jī)械手臂，但目前很少有公司會利用到VR的直觀性和沉浸感。

這個虛擬控制系統(tǒng)可讓用戶與遠(yuǎn)程的機(jī)器系統(tǒng)進(jìn)行交互，甚至是與危險的機(jī)器系統(tǒng)進(jìn)行交互。例如，一名在外地的外科醫(yī)生可以直觀地對本地病人進(jìn)行手術(shù)，而且不需要對機(jī)械控制進(jìn)行高強(qiáng)度的訓(xùn)練就可以輕松實現(xiàn)。

在開發(fā)中學(xué)習(xí)

盡管這個項目只是一個概念驗證，但在制作VR機(jī)械手臂系統(tǒng)的過程中，知道如何連接虛擬世界和現(xiàn)實世界。在設(shè)計這個創(chuàng)新性工具時所積累的經(jīng)驗對用戶是有幫助的，希望這個項目可以啟發(fā)其他的工程師來開發(fā)融合VR直觀性的控制系統(tǒng)。

技術(shù)要點

這個項目成功運用了3D模型的骨骼反向IK技術(shù)，通過HTC VIVE獲得模型手的空間位置，實時設(shè)定骨骼末端節(jié)點的空間位置， 通過反向IK驅(qū)動機(jī)械手臂的其他骨骼節(jié)點， 這個應(yīng)用具有比較高的實用價值。此技術(shù)和使用WISEGLOVE手套驅(qū)動機(jī)械手臂達(dá)到幾乎一致的效果。

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