基于虚拟现实的机器人智能控制系统-张铸博士
2021-07-15
摘 要:本文基于虚拟现实技术特点,构建了虚拟现实环境下的机器人智能控制系统,将EOn STUDIO与VC++可视化结合构建人机交互平台,将系统分为人机交互系统和遥控机器人系统部分,采用3DSMAX建立虚拟场景和机器人,基于TCP/CP协议的无线局域网技术进行数据交互,并利用EONX空间进行EON和VC++6.0的通信。通过实例验证表明,基于虚拟现实技术的遥控机器人智能控制系统控制精确度高、动作准确,能够较好地满足实际工作要求。
关键词: 虚拟现实;智能控制;遥操机器人;EOn STUDIO
1 引言
随着人机交互方式和无线传感器网络信息的发展,以及人们对信息服务和计算能力的要求,融合了人工智能的机械设备正源源不断为人们提供各类服务[1]。移动机器人作为智能环境的移动节点,利用智能空间和传感系统进行运动规划,有效推进了人机交互方式的实现[2-3]。机器人已经由传统协助生产的工业机器人向智能化、情感层方向发展[4]。因此有效将机器人运动与真实环境相结合,尤其是在复杂环境下,如何提升机器人的控制准确度成为重要研究领域[5]。
本文在相关研究的基础上,基于EOnSTUDIO和VC++可视化集成开发环境建立人机交互平台,建立虚拟现实环境下的机器人智能控制系统,并通过3DSMAX软件和无线互联技术设计一款遥控机器人实现远程复杂环境下的施工作业。
1 遥控操作机器人典型结构
遥控机器人作为目前应用较为广泛的人工智能机器人,由遥控机器人、操作系统以及连接机构组成,如图1所示。操作系统和遥控机器人由连接机构连接,实现指令下达和任务作业。
虚拟机器人遥控操作系统是一种基于虚拟现实和图形仿真技术的综合性技术。通过在计算机平台建立虚拟场景,实现虚拟和真实机器人在功能上的映射。一个完整的遥控机器人包括近地系统和远地系统两大部分。近地系统由控制平台、交互设备构成,远地系统由被操作对象、外部输入环境构成。利用机器人上装设的各类传感器、CCD 等感知单元将传感信号传送至近地系统,用户根据反馈的信息通过遥控操作系统进行操作 反馈活动
图1 遥感机器人控制原理
2 虚拟场景建设
事实证明,虚拟现实的概念为医疗保健提供了一系列应用,并通过在医疗保健和治疗的核心领域提供各种用途来吸引医疗从业者。虚拟现实的概念和过程有助于缓解新冠疫情的影响。
2.1 3D虚拟场景建模
通过3DSMAX建模软件来建立虚拟现实环境和遥控机器人模型,3DSMAX 可提供多样的建模工具,实现方便、快捷、高效建模。此外,3DSMAX 软件与EOn具有很好的兼容性,能保证建立模型的沉浸效果。 设定遥控机器人工作环境为实验室,为达到逼真效果,选择采用三维扫描建模。通过3DSMAX 中的图元和 族建立基本建筑的窗、柱和量单元。模型族具备相应结构 构件的材料、几何特性参数等,可通过改变构建参数来获 得相同族文件下的不同构件类型,实现结构族的多方位应 用。同时3DSMAX中提供了参数化和数字化建模方式,对同一模型可在任意视图下进行修改,并对实验室中的障 碍物、布置设备、操作对象进行关联设计,当一个模型进行修改后,其相关联的部件便会自动做出相应的改变,图2为利用3DSMAX软件建立的无梁柱板式轻钢房。
图2 板房屋模型结构
2.2 虚拟机器人的建模
遥控操作机器人采用自主研制的五自由度移动机器 手,机器人包括移动载体和五自由度机器人。移动载体采用 PIOnEER3H8 AT智能 移 动机器人。该移动机器人采用18 MHZHITACHIH8S/2357CPU,为提升数据处理能力,采用128KBFLASH和32KBRAM,同时配备2个逻辑 输入端口、5个逻辑输出端口、3个高速串口。五自由度机械手由基座、腰部、小臂、手腕、末端工作手和关节的驱动 装置组成。移动机器人用于监视、路径跟踪和控制ARM的CCD模块,此外,机器人还集成多种传感器实现全方位探测。
2.3 3DSMAX的虚拟机器人模型
采用3DSMAX中的布尔运算建立遥控机器人模型, 通过布尔运算对物体进行交集、并集、差集运算,获得新物 体。在3DSMAX软件中提供了交集、并集、差集运算,通过计算得到复杂模型。图3为装备好的五自由度机械手效果图,其中左图为导入的EOnSTUDIO效果图。
图3 装备的五自由度机械手
3 遥控系统虚拟交互平台
3.1 EOnSTUDIO的再现和交互控制
遥控操作目的是通过数据手套等智能交互设备进行 机器人控制,因此,要建立智能交互段的操作和控制平台。本文采用美国 EOnREALITY的虚拟现实制作软件实现机器 实物与虚拟设备的通信。EOnSTUDIO 相较于传统的VRML虚拟现实 软 件,避免了大量的程序编写操作。采 用 EOnSTUDIO用户只需将节点拖拽到模拟树并建立逻辑关系图即可形成相应的行为变化和功能属性,用户更多地 用于处理交互操作。
如在 EOnSTUDIO中,首先将在3DSMAX 建立的模型 导入到 EOn中,对模型设置贴图,加入视频、音频效果后,开始编辑模型,通过给模拟树增加节点和设置交互属性,建立逻辑关系保证模型结构特性和运动特性。在本文中遥控机器人虚拟模型建立中,根据机器人运动分析可知,下一级运动关节的转动受上一个连接节点的影响,如当某 一个关节转动时,相应的上一级和下一级关节均发生转动和移动,这就要求模拟树上的下级节点服从上级关节,通过增加节点和逻辑关系属性来实现整体运动。
3.2 虚拟场景动态控制
遥控机器人在实际使用过程中,机器人应该具有运动、转向等功能,可以通过EOnSTUDIO软件提供的运动节点来实现。
为了保证遥控机器人操作简便性,机械手关节臂控制 选择数字键来实现,即数字1~9代表不同的功能,如1控制关节1正转,2控制关节1反转。同时,各关节点建立了锁定功能,即操作数字键1进行机械手正转时,数字键2处于闭锁状态,不能操作。此外,机器人控制设计前,要保证虚拟运动结构和参数与实际设备一致。EOn中提供的 DOF节点保证了设置参数的准确性。在DOF节点中,通过定义特定坐标系统来定义节点自由度、放置节点,保证结构操作和动作的准确性;通过属性框设置来控制对象自由度和子系统节点的运动,具体的节点属性设置如图。
EOnSTUDIO中还提供了用于碰撞检测的节点。该节点根据层次包围盒的方案进行碰撞检测,保证了虚拟操作的实时性。将碰撞检测节点的COLLIDE属性设置为TURE,将节点中的COLLISIOnOBJECTS文件与可能碰撞的检测物体相关联,而将忽略的碰撞物关联在IGnOREDOBJECTS文件下,这样一旦发生碰撞,相应的提示信息直接弹出,以便用户做出快速判断。
4 实验仿真
本节模拟实验室工作场景进行遥控机器人虚拟空间 控制,如图7所示。人机交互界面左侧为虚拟交互界面,右侧上部为实时传送视频界面,用户可改变设备速度和方向进行功能操作。
当机器人发生碰撞时,系统向用户发出提示,通过机器人自带的激光传感器探测窗口反馈回运动过程前方信息,并在窗口显示障碍物的大致轮廓和障碍物间的距离信息。机器人视觉显示窗口采用图像信息摄取实物信息,并由控制平台操作有效避开障碍物,如图8所示。
5 结语
本文在深入研究宽带双模融合技术基础上开展双模仿真测试平台试制和测试方法设计研究。整个设计方案以模拟现场应用环境为主要导向,包括与各种工况环境对应的双模通信测试方案、特定的硬件架构和高效的软件设计、适应双模通信的测试方法,从而能够在实验室条件下 最大限度地仿真各种通信复杂环境,为宽带双模大规模推广应用奠定坚实基础。
6 参考文献
[1] 张传远,马晓昆,薛莉,等.基于双模通信技术的低压配电台区监测系统设计[J].电力信息与通信技术,2020,18(2):75 79.
[2] 吴磊,牛小春,伍应衡,等.基于双模通信采集技术的研究与应用[J].农村电气化,2019(12):37 39.
[3] 贺云隆,黄璐涵,宋晓林,等.低压居民用户停电事件实时上报方法研究[J].电测与仪表,2019,56(21):147 152.
[4] 安立平,万强,黄小恬,等.基于双模通信模块的用电信息采集系统设计[J].现代传输,2019(2):18 21.
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