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摘 要

海洋中蕴藏着丰富的海洋遗产，由于水下环境的诸多限制，使得海洋遗产难以开发利用。据国家海洋局统计，中国的海洋资源开采量仅为10%，开采率不超过4%，远低于美国、日本等国家。近年来，在南海等广大海域发现了有用的矿产资源和丰富的海产品资源。随着国家工业智能4.0的全面推进和2025战略规划的制定与实施，政府大力支持水下遥操作等相关研究的发展。

为了实现动态的、不确定的水下遥操作，降低人类水下操作的风险，利用Unity3D和Autodesk 3ds Max软件，设计了一种水下VR遥操作系统界面，预测机械臂动态操作，增强操作者的力临场感。利用Unity3D UGUI界面建立机械臂模型，构建机械臂VR控制界面的控制节点移动。通过相关的脚本编写,实现机械臂的运动和变化的角度,结合三维软件建立虚拟仿真的水下环境,建设虚拟现实界面,完成通过调整机械臂关节的值观察水下环境的虚拟仿真机械臂的状态。

关键字：遥操作 Unity3D 虚拟现实 机械臂

Design and Research of VR Interface System for Underwater Teleoperation

ABSTRACT

The ocean is rich in Marine heritage, which is difficult to exploit due to the many restrictions imposed by the underwater environment. According to the statistics of the national authority, China's Marine exploitation is merely 10% and the utilization rate is no more than 4%, which is far lower than other countries such as the United States and Japan. Recently, useful minerals and rich seafood resources have been detected in the south China sea and other vast sea areas. With the comprehensive promotion of national industrial intelligence 4.0 and the development and implementation of the 2025 strategic plan, the government has vigorously supported the development of underwater teleoperation and other related researches.

In order to achieve dynamic and uncertain underwater tele-operation and decrease the risk of human underwater operations, a kind of underwater VR teleoperation system interface is designed, using Unity3D and Autodesk 3 ds Max software, which can predict the dynamic operation of the manipulator and enhance the operator's sense of force presence. The robot arm model is built of mechanical arm unity3D UGUI interface was used to construct control node movement of mechanical arm VR control interface. Through the related script writing, the movement of the manipulator and the change of perspective, combined with 3D software to build virtual simulation of underwater environment, the construction of the VR interface, complete the whole water by adjusting the value of the mechanical arm joint observation virtual simulation of underwater environment state of mechanical arm.

Key Words: Remote Operation; Unity3D; Virtual reality; Robotic arm

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 基于虚拟现实技术的应用领域的研究现状 2

1.2.2 虚拟现实临场感遥操作研究现状 3

1.2.3 基于虚拟现实技术的建模方法的研究现状 4

1.3 本文研究内容及结构安排 5

第二章 Unity3D的综述与三维水下场景具体实现 6

2.1 Unity3D引擎 6

2.2 系统需求分析及设计目标 6

2.3 水下场景资源设计与编辑 8

2.3.1 场景实例对象模型设计 8

2.3.2 虚拟环境特效设计 8

2.4 水下场景的集成与优化 10

2.4.1 模型资源的导入 10

2.4.2 场景环境资源构建 10

2.5 本章小结 14

第三章 机械臂模型处理与功能模块的设计 15

3.1 机械臂模型的建立与处理 15

3.1.1 机械臂模型的结构组成 15

3.1.2 机械臂的运动学分析 16

3.1.3 机械臂阻抗控制研究 16

3.2 虚拟仿真操作模块 18

3.2.1 机械臂关节动作指令仿真 18

3.2.2 UGUI界面设计 19

3.2.3 末端执行器抓取实现 21

3.3 机械臂的虚拟漫游实现 23

3.3.1 机械臂移动控制 23

3.3.2 虚拟从端机械臂和虚拟环境的碰撞检测 23

3.3.3 视角变化与缩放功能 25

3.4 本章小结 26

第四章 仿真实验 27

4.1 系统资源打包发布 27

4.2 PC端实验仿真 28

4.3 本章小结 30

第五章 总结与展望 31

5.1 总结 31

5.2 展望 31

参考文献 32

致 谢 35

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

海据国家权威部门统计，中国的海洋开发仅有10%，利用率只有4%，远远低于美国、日本等其他国家。新近在南海等广大海域探测出有用矿物质和丰富的海产品资源，随着国家工业智能4.0的全面推进和2025战略计划的发展实施，政府大力扶植发展水下遥操作等相关研究。

遥操作水下机械手是水下作业的主要方式，水下机械臂是执行水下打捞、采样、管道组装、电缆切割等任务的重要设备。遥操作系统由人操作器、主操作器、通信信道、远程从操作器和远程环境组成。这种方案的主要目标是将人类的操作能力扩展到远程环境[1]-[2]。在水下机械臂遥操作系统中，主机械臂一般位于水面舰艇或载人潜水器上，而从机械臂则安装在遥控潜水器(ROV)或自主水下机器人(AUV)上，如图1，指导与环境的相互作用[3][4]。

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