專利名稱：一種虛擬工程機器人系統及控制方法
技術領域：
本發明是 一種用于機器人領域的一種虛擬工程機器人系統及控制方法，特別是一種解決遙操作工程機器人系統時延問題的虛擬工程機器人系統及控制方法，屬于虛擬工程機器人系統及控制方法的改造技術。
背景技術：
遙操作工程機器人系統是指在人操作下完成復雜工程作業任務的一種遠距離操作系統，它能夠幫助人類在危險和極端環境下工作。在理想情況下，工程機器人可以實時地反應操作者的命令。但是，由于操作者與工程機器人的工作現場距離較遠、工作環境復雜以及通訊帶寬的限制，系統不可避免地存在時延問題，造成操作者的命令不能實時地反應在工程機器人上。由于時間的滯后，工程機器人與環境的交互信息(包括圖像、力、位移等)不能實時地反饋給操作者，從而發生誤操作。這種大時延的存在，嚴重影響了系統的穩定性、可操作性。針對遙操作系統的時延問題，早先的研究者采用“移動-等待”策略，即操作者先移動一下操縱桿，等操作者感覺到工程機器人與環境的力反饋后，再移動一下操縱桿。但這種方法操作性差，力反饋效果較模糊。后來有學者從控制的角度出發，提出了許多新的方案，基本思想是通過采用合理的控制算法處理遙操作系統主端和從端的力以及位移信息。目前，比較常用的控制算法有基于散射理論方法、基于事件方法、基于預測控制方法、基于H- c 理論控制法、自適應控制法、共享柔順控制法、LOG最優控制器等。但是以上算法只適用于小時延系統，在大時延下的效果還是不明顯。目前，還未找到更有效的方法解決時延問題。
發明內容
本發明的目的在于考慮上述問題而提供一種能有效解決時延問題的虛擬工程機器人系統。本發明設計合理，方便實用。本發明的另一目的在于提供一種控制簡單方便的虛擬工程機器人系統的控制方法。本發明的技術方案是本發明的虛擬工程機器人系統，包括有力反饋操縱桿、虛擬工程機器人控制器、投影裝置、屏幕，其中用于將操作者的操縱運動轉換為虛擬工程機器人及工程機器人的位移設定信號的力反饋操縱桿與虛擬工程機器人控制器連接，且力反饋操縱桿將力反饋信號轉換為作用力作用給操作者，虛擬工程機器人控制器的信號輸出端與投影裝置連接，投影裝置將虛擬工程機器人控制器生成的虛擬工程機器人及作業對象投影到屏幕。上述虛擬工程機器人控制器包括用于描述虛擬工程機器人幾何特征的幾何模塊、用于確定虛擬工程機器人各關節連桿之間位姿關系的運動學模塊、用于實現虛擬工程機器人手爪與作業對象之間的碰撞檢測的碰撞檢測算法模塊、用于計算虛擬工程機器人手爪與作業對象相互碰撞的作用力的力反饋算法模塊、用于將力反饋操作桿的位移設定信號從虛擬工程機器人控制器傳輸給工程機器人控制器的通信模塊。上述用于描述虛擬工程機器人幾何特征的幾何模塊采用Opengl和SolidWorks建模法構建。上述用于確定虛擬工程機器人各關節連桿之間位姿關系的運動學模塊采用Denavit-Hartenberg 表不法建立。上述用于實現虛擬工程機器人手爪與作業對象之間的碰撞檢測的碰撞檢測算法模塊基于軸向包圍盒法構建。上述用于虛擬工程機器人控制器與工程機器人控制器的網絡通訊的通信模塊基 于Winsock設計。本發明虛擬工程機器人系統的控制方法，包括如下步驟
1)操作者面對屏幕(4)，觀察屏幕(4)上的虛擬工程機器人和作業對象；
2)操作者操縱力反饋操縱桿(1)，將位移設定信號傳給虛擬工程機器人控制器(2)及工程機器人控制器，控制虛擬工程機器人及工程機器人運動并抓取作業對象；
3)當虛擬工程機器人手爪抓取作業對象時，碰撞檢測算法模塊(7)檢測出手爪與作業對象的碰撞行為，同時力反饋算法模塊(8)計算出手爪與作業對象相互碰撞的作用力，并通過力反饋操縱桿(I)反饋給操作者；由于操作者可直接通過觀察屏幕(4)上的虛擬工程機器人與作業對象的位姿關系來操作虛擬工程機器人及工程機器人完成作業任務，不用等待遠處工程機器人作業現場反饋回來的信息，故能解決遙操作工程機器人系統存在的時延問題。本發明的虛擬工程機器人系統及控制方法具有以下特點
I)基于Opengl和SolidWorks建立幾何模塊和基于Denavit-Hartenberg表不法建立運動學模塊，實現了虛擬工程機器人的幾何與運動學建模，不僅滿足虛擬工程機器人建模逼真的要求，且降低了建模難度，縮短了開發周期。2)基于軸向包圍盒法構建碰撞檢測算法模塊，實現了虛擬機械手爪與待抓物體之間的精確碰撞檢測，保證了虛擬工程機器人系統的實時性。3)利用力反饋算法模塊計算虛擬工程機器人手爪與作業對象相互碰撞的作用力，實現了對操作者的力反饋。4)基于Winsock設計通信模塊，實現了虛擬工程機器人控制器與工程機器人控制器之間的數據傳輸，保證了數據傳輸的可靠性和正確性。本發明是一種設計巧妙，性能優良，方便實用的虛擬工程機器人系統及控制方法。
圖I為本發明的原理 圖2為本發明虛擬工程機器人控制器的原理圖。
具體實施例方式實施例
本發明的結構示意圖如圖I所示，本發明的虛擬工程機器人系統，包括有力反饋操縱桿I、虛擬工程機器人控制器2、投影裝置3、屏幕4，其中用于將操作者的操縱運動轉換為虛擬工程機器人及工程機器人的位移設定信號的力反饋操縱桿I與虛擬工程機器人控制器2連接，且力反饋操縱桿I將力反饋信號轉換為作用力作用給操作者，虛擬工程機器人控制器2的信號輸出端與投影裝置3連接，投影裝置3將虛擬工程機器人控制器2生成的虛擬工程機器人及作業對象投影到屏幕4。本實施例中，上述虛擬工程機器人控制器2包括幾何模塊5、運動學模塊6、碰撞檢測算法模塊7、力反饋算法模塊8、通信模塊9。幾何模塊5用于描述虛擬工程機器人幾何特征。運動學模塊6用于確定虛擬工程機器人各關 節連桿之間位姿關系。碰撞檢測算法模塊7用于實現虛擬工程機器人手爪與作業對象之間的碰撞檢測。力反饋算法模塊8用于計算虛擬工程機器人手爪與作業對象相互碰撞的作用力。通信模塊9用于將力反饋操作桿的位移設定信號從虛擬工程機器人控制器傳輸給工程機器人控制器。本實施例中，上述用于描述虛擬工程機器人幾何特征的幾何模塊5采用Opengl和Solidfforks建模法構建。本實施例中，上述用于確定虛擬工程機器人各關節連桿之間位姿關系的運動學模塊6采用Denavit-Hartenberg表示法建立。上述用于實現虛擬工程機器人手爪與作業對象之間的碰撞檢測的碰撞檢測算法模塊7基于軸向包圍盒法構建構建。上述用于虛擬工程機器人控制器與工程機器人控制器的網絡通訊的通信模塊9基于Winsock設計。本發明虛擬工程機器人系統的控制方法，包括如下步驟
1)操作者面對屏幕4，觀察屏幕4上的虛擬工程機器人和作業對象；
2)操作者操縱力反饋操縱桿I，將位移設定信號傳給虛擬工程機器人控制器2及工程機器人控制器，控制虛擬工程機器人及工程機器人運動并抓取作業對象；
3)當虛擬工程機器人手爪抓取作業對象時，碰撞檢測算法模塊7檢測出手爪與作業對象的碰撞行為，同時力反饋算法模塊8計算出手爪與作業對象相互碰撞的作用力，并通過力反饋操縱桿I反饋給操作者；由于操作者可直接通過觀察屏幕4上的虛擬工程機器人與作業對象的位姿關系來操作虛擬工程機器人及工程機器人完成作業任務，不用等待遠處工程機器人作業現場反饋回來的信息，故能解決遙操作工程機器人系統存在的時延問題。
權利要求
1.一種虛擬工程機器人系統，其特征在于包括有力反饋操縱桿(I)、虛擬工程機器人控制器(2)、投影裝置(3)、屏幕(4)，其中用于將操作者的操縱運動轉換為虛擬工程機器人及工程機器人的位移設定信號的力反饋操縱桿(I)與虛擬工程機器人控制器(2)連接，且力反饋操縱桿(I)將力反饋信號轉換為作用力作用給操作者，虛擬工程機器人控制器(2)的信號輸出端與投影裝置(3 )連接，投影裝置(3 )將虛擬工程機器人控制器(2 )生成的虛擬工程機器人及作業對象投影到屏幕(4 )。
2.根據權利要求I所述的虛擬工程機器人系統，其特征在于上述虛擬工程機器人控制器(2)包括用于描述虛擬工程機器人幾何特征的幾何模塊(5)、用于確定虛擬工程機器人各關節連桿之間位姿關系的運動學模塊(6)、用于實現虛擬工程機器人手爪與作業對象之間的碰撞檢測的碰撞檢測算法模塊(7)、用于計算虛擬工程機器人手爪與作業對象相互碰撞的作用力的力反饋算法模塊(8)、用于將力反饋操作桿的位移設定信號從虛擬工程機器人控制器傳輸給工程機器人控制器的通信模塊(9 )。
3.根據權利要求2所述的虛擬工程機器人系統，其特征在于上述用于描述虛擬工程機器人幾何特征的幾何模塊(5)采用Opengl和SolidWorks建模法構建。
4.根據權利要求2所述的虛擬工程機器人系統，其特征在于上述用于確定虛擬工程機器人各關節連桿之間位姿關系的運動學模塊(6)采用Denavit-Hartenberg表示法建立。
5.根據權利要求2所述的虛擬工程機器人系統，其特征在于上述用于實現虛擬工程機器人手爪與作業對象之間的碰撞檢測的碰撞檢測算法模塊(7)基于軸向包圍盒法構建。
6.根據權利要求2所述的虛擬工程機器人系統，其特征在于上述用于虛擬工程機器人控制器與工程機器人控制器的網絡通訊的通信模塊(9)基于Winsock設計。
7.根據權利要求I所述的虛擬工程機器人系統的控制方法，其特征在于包括如下步驟 1)操作者面對屏幕(4)，觀察屏幕(4)上的虛擬工程機器人和作業對象； 2)操作者操縱力反饋操縱桿(1)，將位移設定信號傳給虛擬工程機器人控制器(2)及工程機器人控制器，控制虛擬工程機器人及工程機器人運動并抓取作業對象； 3)當虛擬工程機器人手爪抓取作業對象時，碰撞檢測算法模塊(7)檢測出手爪與作業對象的碰撞行為，同時力反饋算法模塊(8)計算出手爪與作業對象相互碰撞的作用力，并通過力反饋操縱桿(I)反饋給操作者；由于操作者可直接通過觀察屏幕(4)上的虛擬工程機器人與作業對象的位姿關系來操作虛擬工程機器人及工程機器人完成作業任務，不用等待遠處工程機器人作業現場反饋回來的信息，故能解決遙操作工程機器人系統存在的時延問題。
全文摘要
本發明是一種虛擬工程機器人系統及控制方法。包括有力反饋操縱桿(1)、虛擬工程機器人控制器(2)、投影裝置(3)、屏幕(4)，其中用于將操作者的操縱運動轉換為虛擬工程機器人及工程機器人的位移設定信號的力反饋操縱桿(1)與虛擬工程機器人控制器(2)連接，且力反饋操縱桿(1)將力反饋信號轉換為作用力作用給操作者，虛擬工程機器人控制器(2)的信號輸出端與投影裝置(3)連接，投影裝置(3)將虛擬工程機器人控制器(2)生成的虛擬工程機器人及作業對象投影到屏幕(4)。本發明能有效解決遙操作工程機器人系統時延問題，控制簡單，方便實用。
文檔編號B25J13/08GK102814815SQ20121030463
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月24日 優先權日2012年8月24日
發明者李笑, 黃志鋒 申請人:廣東工業大學