羅　迎，曹金玲

(榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林 719000)

虛擬現(xiàn)實環(huán)境下井下救援機器人控制體系的構建方法研究*

羅迎，曹金玲

(榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林 719000)

摘要：在虛擬現(xiàn)實即VR技術和遙操作技術基本理論的基礎上，以井下救援機器人為技術載體，以煤礦事故現(xiàn)場為藍本的虛擬環(huán)境的構建為基礎，對井下救援機器人的控制體系進行了概念設計和功能劃分，并對模塊的實現(xiàn)算法進行了初步探討，給出了系統(tǒng)實現(xiàn)的典型代碼。對數(shù)據手套集成到平臺下進行了實驗研究，這些工作屬于該系統(tǒng)原型系統(tǒng)的實驗實現(xiàn)概念設計部分，是對虛擬現(xiàn)實的遙操作系統(tǒng)原型系統(tǒng)構建方法的有益探討。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實；遙操作；井下救援；工業(yè)機器人

將機器人技術、營救行動技術和災難學等多種學科知識有機結合，研制開發(fā)用于搜尋和營救的災難救援機器人是機器人學研究中一個富有挑戰(zhàn)性的新領域[1-3]?；谔摂M現(xiàn)實的遙操作系統(tǒng)技術主要應用在航空航天領域，是解決大時延問題的有效辦法，將該系統(tǒng)方法引入井下救援，繼而開放全雙工雙向多通道控制體系，是對“遙操作”工程化的有益嘗試。

1基于虛擬現(xiàn)實的人機交互理論框架

系統(tǒng)在邏輯上具有全雙工多反饋的特性，理論框架流程如圖1所示。

圖1　虛擬現(xiàn)實人機交互系統(tǒng)實現(xiàn)框架流程圖

井上控制臺發(fā)出符合救援指令，數(shù)據手套由內置感應裝置獲取操作者手部在空間上16個方面的信息包，主要通過安裝于工控機上的集成救援控制系統(tǒng)獲取，信息包解析后可以提取手部的運動、位置和夾角等信息，作為模塊間的數(shù)據流，被工控機虛擬機器人系統(tǒng)獲取，在系統(tǒng)集成平臺協(xié)調下，虛擬機器人的手部模型再現(xiàn)控制臺操作者所發(fā)出的動作。系統(tǒng)的環(huán)境反饋圖像是由安置在工控機上的虛擬現(xiàn)實環(huán)境系統(tǒng)提供，并反饋給控制臺的操控人，操控人依據反饋調整自己的動作[4]。

2基于VR的遙操作系統(tǒng)體系的構建

圖2　以虛擬現(xiàn)實為基礎的井下救援機器人控制體系的組成

體系構成如圖2所示，工控機虛擬環(huán)境系統(tǒng)與井下救援物理系統(tǒng)等構成大系統(tǒng)的運行環(huán)境。虛擬端具有多種輸入通道，人機交互功能強大，圖形圖像的數(shù)據處理功能能夠達到實時性。井下救援物理系統(tǒng)指在井下救援現(xiàn)場執(zhí)行動作的機電裝備，特別是最重要的執(zhí)行機構——遙操作機器人。在現(xiàn)場的系統(tǒng)組成還有機電設備內置的傳感裝置和環(huán)境感應裝置，這些執(zhí)行機構的各種信息需要安裝于計算機B上的遙操作機器人系統(tǒng)做初步處理，形成數(shù)據流。在虛擬的工作狀態(tài)生成子系統(tǒng)中，操控人可以選擇不同的控制模式[5]：1)離線規(guī)劃模式，計算機A與計算機B之間無信息流產生，信息流的絕大部分由操控人和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)間產生，離線規(guī)劃多用于如飛行員訓練類似的任務的實踐中或對救援的仿真規(guī)劃上；2)任務的實時規(guī)劃模式，操控者作用于從端的遙操作執(zhí)行機構，通信模塊通過執(zhí)行機構(如機器人的位置、現(xiàn)場影音和力反饋等信息)操控人與從端的執(zhí)行機構間的運動，虛擬現(xiàn)實生成器對從端信息流做出反饋[6]。主、從端工作流程如圖3所示，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)與物理環(huán)境的交互過程如圖4所示。

圖3　主、從端流程圖　　　圖4　虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)與物理　環(huán)境的交互過程

3控制臺的模塊化設計

系統(tǒng)的模塊按功能劃分，可以清晰地分為常規(guī)交互功能模塊及對實現(xiàn)全雙工雙向雙通道的功能有巨大影響的通信接口模塊，前者負責虛擬機器人與遙操作機器人任務動作分解時的運動學、動力學的正逆求解的機器人操控模塊，用于任務規(guī)劃主要是路徑規(guī)劃的碰撞檢測模塊；后者詳細劃分請參考筆者的另一篇文章(見參考文獻[2])。主控制端虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的功能模塊劃分如圖5所示。

現(xiàn)以通信模塊的開發(fā)為例作簡要的說明。如果通信系統(tǒng)是基于WEB的，則多數(shù)情況下在服從TCP/IP協(xié)議的條件下，以WINSOCK控件為對象，集成開發(fā)環(huán)境為Visual C++。一般來說，遙操作機器人都是智能機器人，其微處理器系統(tǒng)可開發(fā)出服務于系統(tǒng)通信的Server，控制平臺為Client。

3.1WINSOCK控件的使用方法以及主要函數(shù)

WINSOCK屬于VARIANT數(shù)據類，它的vt是對其所存儲的數(shù)據類的解釋說明，主要包括如下幾種[7]：

vt=VT_BSTR bstrVal //char類

vt=VT_I2 Ival //integer類

vt=VT_ERROR scode //error reminder

VARIANT類的聲明：

VARIANT[variant name]

[variant name].vt=[variant type]

[variant name].[variant type]=[value]

圖5　主控制端虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的功能模塊劃分

3.2開發(fā)通信功能的主函數(shù)

1)Server服務。

Bind() //用于TCP協(xié)議下的LocalPort與LocalIP的指定。

Listen() //服務于TCP連接下的偵聽模式。

Accept() //ConnectionRequest請求下建立新鏈接。

SendDate()//send message服務

Close() //關閉鏈接請求[8]

2)Client端服務。

Connect() //connect telecomputer。

GetDate() //acquire telecomputer data package。

通信模塊中Clientsocket與Clisteningsocket 2個類的加入主要是服務于傳輸?shù)臄?shù)據包的字符定義，類中的AfxExtractSubString()函數(shù)用于由NULL與" "分割后的子字符串的提取，主要用于Windows串表中數(shù)據的解析：

CStringFullstring,Appname,Fileext;

Fullstring.LoadString(IDR_MAINFRAME); //實現(xiàn)分割功能

AfxExtractSubString(Appname,Fullstring,0,' '); //從Appname中提取第1個字串

AfxExtractSubString(Fileext,Fullstring,4,' '); //從Fileext中提取第4個字串

這些庫函數(shù)的使用可參考VC++的幫助文檔，從軟件資料的完備性上看，幫助文檔是最佳的。

圖6　主程序控制臺的交互界面示意圖

主程序集成控制臺的交互界面的開發(fā)(已集成數(shù)據手套驅動程序)如圖6所示。主程序集成控制臺的圖形仿真區(qū)的圖形是一個簡略的虛擬機器人示例，并未加載救援環(huán)境下的遙機器人，目的是為了實現(xiàn)功能塊調通，但并不影響系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。

4結語

以降低系統(tǒng)延遲造成的控制指令危險程度為目的，研究了基于虛擬現(xiàn)實即VR技術的服務于井下救援的遙操作機器人控制平臺的開發(fā)技術，構建了基于虛擬現(xiàn)實的遙操作機器人系統(tǒng)理論框架，對算法實驗原型系統(tǒng)的概念設計進行了詳細的闡述，從邏輯上實現(xiàn)了系統(tǒng)的全雙工雙向控制；但需要指出的是這些工作只是為了探討虛擬現(xiàn)實技術用于解決系統(tǒng)延遲的可行性，整體技術層次還處于實驗階段。

參考文獻

[1] 曾芬芳,梁柏林,劉鎮(zhèn),等.基于數(shù)據手套的人機交互環(huán)境設計[J].中國圖象圖形學報，2000，5(2)：153-157.

[2] 羅迎. 基于虛擬現(xiàn)實遙操作機器人原型系統(tǒng)的研究[D].蘭州:蘭州理工大學,2010.

[3] 孫立寧,楊東海,杜志江,等.遙操作正骨機器人虛擬手術仿真系統(tǒng)研究[J].機器人,2004(6):533-537.

[4] 呂曉玲. 基于虛擬現(xiàn)實的機器人遙操作[D].天津:河北工業(yè)大學,2006.

[5] 郭勝輝. 基于多智能體的多移動機器人協(xié)調控制技術[D].天津:河北工業(yè)大學,2006.

[6] 曹建樹，李魁龍，李瑞慶，等.基于虛擬原型的管徑激光檢測機器人運動仿真[J].新技術新工藝，2014(1)：30-33.

[7] 曾建軍. 排爆機器人遙操作性能研究[D].上海:上海交通大學,2010.

[8] 王文濤,李世其,熊友軍. 面向對象的虛擬手技術研究及實現(xiàn)[J]. 計算機工程與科學,2006(2):45-47.

*陜西省教育廳科學研究項目(14JK1858)

榆林學院高層次項目(11GK53)

榆林學院校級科研項目(12YK24)

責任編輯彭光宇

Building Method Research on Underground Rescue Robot Control System based on VR

LUO Ying, CAO Jinling

(School of Energy Engineering, Yulin University, Yulin 719000, China)

Abstract：Based on the introduction of Virtual Reality theory and teleoperation technology, look on the mine rescue robot as the technology carrier, construct the virtual environment based on coal mine rescue scene, design the conceptual system with the control system of the downhole rescue robot, carry the functional division, and give the typical code system implementation.The data glove experimental program is integrated, and it belongs to the experiment of the conceptual design part of the prototype system realization. The research helps to explore for building methods for teleoperation system prototype of virtual reality system.

Key words:virtual reality，teleoperation，underground rescue，industrial robot

收稿日期：2015-02-02

作者簡介：羅迎(1978-)，男，講師，博士，主要從事工業(yè)機器人等方面的研究。

中圖分類號：TP 181

文獻標志碼:A