interfeŢe pentru simularea în realitate virtualĂ cu

Click here to load reader

Post on 29-Jan-2017

235 views

Category:

Documents

2 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV

    FACULTATEA INGINERIE TEHNOLOGIC

    Catedra de Design de Produs i Robotic

    Ing. Daniel Tiberiu BUTNARU

    INTERFEE PENTRU SIMULAREA N

    REALITATE VIRTUAL CU RETUR DE FOR

    A SISTEMELOR MECANICE ARTICULATE

    - Tez de doctorat -

    rezumat

    Conductor tiinific:

    Prof. dr. ing. Doru TALAB

    Braov

    2007

  • MINISTERUL EDUCAIEI I CERCETRII

    UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV 500036 BRASOV, B+DUL EROILOR NR. 29, TEL. 0040-0268-41300, FAX 0040-0268-410525

    RECTORAT

    COMPONENA

    comisiei de doctorat

    numit prin Ordinul Rectorului Universitii TRANSILVANIA din Braov nr.3043/27.11.2007

    PREEDINTE: - Prof. univ. dr. ing. Noura Barbu LUPULESCU

    DECAN- Facultatea de Inginerie Tehnologic.

    Universitatea TRANSILVANIA din Braov.

    CONDUCTOR TIINIFIC: - Prof. univ. dr. ing. Doru TALAB,

    Universitatea TRANSILVANIA din Braov.

    REFERENI: - Prof. univ. dr. ing. Vistrian MTIE

    Universitatea TEHNIC din Cluj-Napoca.

    - Prof. univ. dr. ing. Valer DOLGA

    Universitatea POLITEHNIC din Timioara.

    - Prof. univ. dr. ing. Petre ALEXANDRU

    Universitatea TRANSILVANIA din Braov.

    Data, locul i ora susinerii publice a tezei de doctorat: 20.12.2007, sala GP3A, ora 1130

    Eventualele aprecieri sau observaii asupra coninutului lucrrii v rugm s le transmitei, n

    timp util, pe adresa Universitii TRANSILVANIA din Braov.

  • Prefa

    Lucrarea Interfee pentru simularea n realitate virtual cu retur de for a sistemelor

    mecanice articulate reprezint sinteza cercetrilor desfurate de ctre autor pentru teza de doctorat, dezvoltate pe parcursul celor patru ani de doctorat cu frecven petrecui n cadrul Catedrei de Design de Produs i Robotic la Universitatea Transilvania din Braov. Aceti patru ani au reprezentat o experien profesional dar i de via unic, pentru care doresc s mulumesc ntregului colectiv al catedrei.

    Doresc de asemenea s aduc pe aceast cale mulumiri n mod deosebit conductorului de doctorat d-lui Prof. univ. dr. ing. Doru TALAB, pentru sprijinul i ndrumrile pe care mi l-a acordat pe parcursul perioadei de doctorat.

    Mulumesc referenilor acestei teze de doctorat, d-lui Prof. univ. dr. ing. Vistrian MTIE de la Universitatea Tehnic din Cluj-Napoca, d-lui Prof. univ. dr. ing. Valer DOLGA de la Universitatea Politehnic din Timioara, d-lui Prof. univ. dr. ing. Petre ALEXANDRU de la Universitatea Transilvania din Braov, pentru sugestiile preioase ce m-au ajutat s finalizez prezenta lucrare.

    Nu n ultimul rnd, doresc s mulumesc colegilor din cadrul echipei de cercetare din domeniul Roboticii i Realitii Virtuale, n special d-lui Prof. univ. Csaba ANTONYA, d-lui Prof. univ. Gheorghe MOGAN, d-lui drd. ing. Florin GRBACIA, d-lui drd. ing. Sebastian

    IC i d-nei drd. ing. Andreea BERARU, pentru ajutorul i sugestiile primite de-a lungul timpului pentru finalizarea tezei. De asemenea mulumiri se cuvin d-lui Dr. -Ing. Dipl. -Kfm. Cristoph RUNDE i d-lui Dipl.-Ing. Frank DECKER, de la institutul german de cercetare Fraunhofer IPA Stuttgart, ca i Prof. dr. ing. Urs KNZLER de la Universitatea de tiine Aplicate din Berna pentru sprijinul acordat la debutul cercetrilor din aceast lucrare precum i pentru sugestiile de mare ajutor primite pe parcursul elaborrii acesteia, n contextul colaborrii din cadrul proiectului VEGA Virtual Reality in Product Design and Robotics.

    Dedic aceast lucrare d-rei Camelia BUCUR, cea care a fost alturi de mine n tot acest timp i m-a susinut moral.

  • 2 Interfee pentru simularea n realitate virtual cu retur de for a sistemelor mecanice articulate

    CUPRINS

    Rez./Tez

    1. Introducere. Obiectivele tezei de doctorat .. 3/7

    2. Stadiul actual privind interaciunea cu sistemele complexe de realitate virtual utiliznd returul de for.. 4/11 2.1 Introducere 4/11

    2.2 Interfee ajuttoare pentru interaciunea cu retur de for asupra mediilor virtuale. 6/13 2.3 Interfee pentru interaciunea cu retur de for n medii virtuale.. 7/23 2.4 Concluzii... 8/42

    3. Mecanisme cu elemente cinematice virtuale. Cuple virtuale, cuple haptice.... 9/43

    3.1 Mecanisme virtuale... 9/43

    3.2 Elemente cinematice virtuale........ 9/43

    3.3 Cuple cinematice virtuale.. 9/44

    3.4 Modelarea restriciilor geometrice: cuple cinematice haptice... 10/44

    3.5 Modelarea restriciilor cinematice..... 12/46

    3.6 Mecanisme cu elemente cinematice virtuale. 13/47

    3.7 Clasificarea sistemelor haptice n funcie de tipul cuplei haptice ce poate fi simulat 14/48

    3.8 Modelarea cuplelor haptice 16/50

    3.9 Concluzii 17/51

    4. Interfa pentru simularea returului de for la o cupl real ntre mediul real i cel virtual. 18/53

    4.1 Introducere, formularea problemei.... 18/53

    4.2 Modelul cinematic al mecanismului manivel-culis 18/54

    4.3 Modelul dinamic invers al mecanismului manivel-culis... 19/58

    4.4 Construcia hardware a interfeei cu retur de for 20/60

    4.5 Concluzii 22/66

    5. Interfa pentru simularea returului de for la o cupl virtual

    ntre mediul real i mediul virtual... 23/67

    5.1Introducere..... 23/67

    5.2 Interfa haptic cu 3 grade de libertate bazate pe fire, pentru cuple virtuale sferice... 23/68

    5.3 Interfa haptic cu 2 x 3 grade de libertate bazate pe fire pentru simularea

    a dou cuple sferice virtuale 27/79

    5.4 Interfa haptic cu 11 grade de libertate bazate pe fire 30/88

    5.5 Concluzii 39/115

    6. Cercetri experimentale privind interaciunea cu mecanismele virtuale 39/117

    6.2 Aplicaii ale interfeei haptice cu un grad de libertate... 39/117

    6.3 Aplicaii ale interfeei haptice cu 3 grade de libertate... 42/120

    6.4 Aplicaii ale interfeei haptice cu 2x3 grade de libertate... 43/121

    6.5 Aplicaii ale interfeei haptice cu 11 grade de libertate. 45/123

    6.6 Concluzii 46/124

    7. Concluzii i obiective viitoare... 46/125

    Bibliografie.. 49/129

  • 3 Interfee pentru simularea n realitate virtual cu retur de for a sistemelor mecanice articulate

    1. Introducere. Obiectivele tezei de doctorat

    La nceput de secol XXI, Realitatea Virtual (RV) este un domeniu de cercetare diversificat i dinamic. Noile tehnologii de interaciune ale RV sunt intr-o permanent dezvoltare i mbuntire, avnd un impact deosebit asupra modului n care utilizatorii percep vizual, navigheaz si interacioneaz intr-un mediu virtual [Frhlich 05], [Redon 06], [Langetepe 06], [Koziara 05], [Heidelberger 04], [Kimmerle 04], [Sud 04], [Weissgerber 04],

    [Craig 02], [Garrec 04]. n plus, tehnologia RV a nceput s fie utilizat intr-o anumit msur in aplicaii industriale. Astfel, un scop important al eforturilor depuse n cercetarea la nivel mondial este de a facilita implementarea realitii virtuale n cadrul proceselor industriale i de a evalua impactul i fezabilitatea pe care aceasta o are pe piaa software i hardware precum i asupra vieii cotidiene n termeni de eficacitate a costurilor, interaciune om-main i efecte secundare asupra utilizatorilor, sau impactul asupra mediului de lucru la nivel individual si organizaional [Stefani 04]. Multe dintre aplicaiile RV prezentate pn n prezent au demonstrat potenialul important al acestei tehnologii n industrie [Stefani 05], [Fiorentino 05], [Fiorentino 02], [Fjeld 04], [Runde 04], [Runde 05], [Antonya 06], [Tromp

    03], [Bowman 05a]. Cele mai avansate aplicaii pot fi ntlnite n domeniul spaiului, aviaiei, medicinii i al industriei automobilelor. Diversificarea tehnologiilor ct i a ariilor de aplicare creeaz o nevoie real precum i o presiune crescut pentru implementarea tehnologiei RV n procesele industriale.

    Returul haptic constituie una dintre cele mai complexe tehnologii ale realitii virtuale, ntruct vizeaz crearea senzaiei de rezistent mecanic la contactul cu obiectele virtuale, adresndu-se astfel simului tactil al utilizatorului. n ingineria mecanic, calculul forelor i al solicitrilor n activitile de analiz inginereasc CAE reprezint o activitate de baz, iar afiarea rezultatelor este de regul pe cale vizual, sub form de tabele de rezultate, diagrame sau animaii grafice pe ecran. Acest lucru necesit o interpretare suplimentar din partea inginerului, implicnd ntr-o msur extins ceea ce este denumit sim tehnic. Prezenta tez are drept scop explorarea facilitailor suplimentare oferite de sistemele haptice pentru afiarea forelor, n cadrul analizei inginereti (CAE) a mecanismelor.

    n capitolul 2, dup descrierea stadiului actual n domeniu, se va prezenta o sistematizare structural original a soluiilor constructive utilizate pn n prezent la realizarea sistemelor haptice, cu identificarea unor noi soluii poteniale precum i o evaluare critic a domeniului n contextul creat de noua definiie propus n aceast tez. Pe baza acestei analize au fost formulate obiectivele cercetrii ntr-o manier mai detaliat i concret.

    n capitolul 3 se prezint o nou clas de mecanisme, i anume mecanisme cu elemente cinematice virtuale. n acest context, se prezint definirea noiunilor de mecanism real, mecanism virtual i mecanism hibrid (cu elemente reale i elemente virtuale, cuple reale, cuple virtuale i cuple haptice).

    n capitolele 4 i 5 se prezint realizarea de ctre autor a unui numr de cuple haptice, cu diverse grade de mobilitate. Astfel, n capitolul 4 se prezint o interfa haptic cu un grad de libertate pentru simularea unei cuple de rotaie ntre obiectele reale i obiectele virtuale ce formeaz un mecanism hibrid. n capitolul 5 se prezint interfee haptice complexe proiectate i realizate de ctre autor, de mobiliti 3, 6 precum i un lan cinematic haptic cu 11 grade de mobilitate (interfa haptic care materializeaz