趙階晨

(黃山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 黃山 245000)

0 引言

隨著科學(xué)水平的不斷發(fā)展及人類社會活動的拓展升級，深入研究機器人并讓其更好地服務(wù)于人類已成為發(fā)展趨勢。人類絕大多數(shù)的工作都是依靠雙手完成的，目前為止，機械臂技術(shù)基本成熟，倘若靈巧手的研究能夠跟上，那么機器人代替人類指日可待。本文根據(jù)農(nóng)業(yè)機器人工作特性，結(jié)合機器人的結(jié)構(gòu)，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，并結(jié)合LabVIEW軟件開發(fā)了上位機，對靈巧手遙操作進(jìn)行研究，并對靈巧手抓取過程進(jìn)行實時控制與監(jiān)測。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)是計算機控制領(lǐng)域最前沿的新型技術(shù)，主要是利用計算機仿真模擬出一種虛擬的場景，用戶在場景內(nèi)可以通過觸覺、聽覺、視覺感知場景的變化情況，從而使自己沉浸于虛擬世界中，并與其進(jìn)行一系列的交互。VR技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于軟件模擬仿真、影視動漫設(shè)計、房地產(chǎn)樣品房設(shè)計和3D游戲等領(lǐng)域。

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念與應(yīng)用領(lǐng)域

1)虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一門綜合性學(xué)科，包含了計算機圖形學(xué)、模擬仿真、動漫設(shè)計、智能控制、多傳感器融合和圖像處理等多學(xué)科技術(shù)。多學(xué)科和高新技術(shù)的集成與融合給虛擬現(xiàn)實技術(shù)帶來了高逼真的場景體驗，通過模擬人的視、聽、觸、運動等行為的人機接口技術(shù)及特定設(shè)備，使客戶能夠進(jìn)去虛擬世界，獲得身臨其境的體驗，客戶通過人機交互裝置便可以去探索宏觀與微觀世界中事物運動變化的差別。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的首要元素是在計算機平臺上面建立3D場景，使用者通過聽覺、視覺和觸覺去感知3D場景，并能夠通過特殊的交互設(shè)備去操作其中的物體器件，能夠以自己的意志感覺隨意行走控制場景；其次，虛擬現(xiàn)實技術(shù)采用一種先進(jìn)的用戶接口技術(shù)。目前，人機接口主要包括鍵盤、 鼠標(biāo)、優(yōu)盤等面向機器的接口，而虛擬現(xiàn)實采用的接口卻是面向用戶。

2)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)最先出現(xiàn)時，主要是應(yīng)用于軍事上的模擬訓(xùn)練。初期主要是訓(xùn)練宇航員、飛行員，3D模擬場景可以模擬出在外太空和飛機上的真實場景，各種設(shè)備儀器可以真實地進(jìn)行操作和工作。宇航員和飛行員可以在虛擬場景中模擬出極端的飛行條件，然后嘗試著去解決問題。由此可以提高宇航員和飛行員的實戰(zhàn)經(jīng)歷，且不會有什么危險，更不會損壞航天器和飛機而造成經(jīng)濟損失。另外，各國軍事部門正在研制一些模擬戰(zhàn)場(如陸戰(zhàn)、空戰(zhàn)、海戰(zhàn)等訓(xùn)練場景)，在節(jié)省訓(xùn)練成本和提高訓(xùn)練效率的同時大大降低了人員的傷亡率。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為新興產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展才剛剛起步，隨著技術(shù)的逐漸進(jìn)步和成熟，未來將應(yīng)用于更多的場合。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)組成

虛擬現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)可以根據(jù)實際的應(yīng)用需求進(jìn)行開發(fā)，其主要由以下4部分組成：①3D虛擬場景，是一個由計算機軟件模擬出來的可交互場景，用戶可以全方位地進(jìn)行觀看或加入。②計算機平臺，為系統(tǒng)提供觀察和人機交互的功能。③I/O人機接口，為用戶和虛擬場景提供交互的工具；④用戶，即整個3D虛擬場景的操縱者。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)框架如圖1所示。圖1中，I/O 人機接口為用戶和計算機之間的交互提供了接口，3D虛擬場景由計算機根據(jù)軟件和數(shù)據(jù)庫建立。

圖1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)框架

2 農(nóng)業(yè)機器人靈巧手遙操作軟硬件設(shè)計

2.1 農(nóng)業(yè)機器人靈巧手遙操作硬件架構(gòu)設(shè)計

靈巧手遙操作虛擬現(xiàn)實實驗平臺采用分層搭建的思想，在硬件框架設(shè)計上分為人機接口和靈巧手控制系統(tǒng)兩部分。硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計架構(gòu)圖

人機接口系統(tǒng)主要包括虛擬現(xiàn)實作業(yè)環(huán)境、液晶顯示模塊和控制器按鈕組成的控制界面。虛擬現(xiàn)實作業(yè)環(huán)境可以根據(jù)要求模擬仿真出農(nóng)業(yè)機器人靈巧手作業(yè)區(qū)域的實時場景；控制界面的虛擬現(xiàn)實環(huán)境可以實時將靈巧手作業(yè)畫面現(xiàn)實在終端設(shè)備上，供操作人員參考，使其能夠準(zhǔn)確、及時地操作靈巧書進(jìn)行作業(yè)?？刂平缑嬷饕峁┙o操作人員，操作人員根據(jù)界面獲取作業(yè)現(xiàn)場和靈巧手的實時數(shù)據(jù)信息，并采取一定措施進(jìn)行操控。

靈巧手控制系統(tǒng)包括圖像處理模塊、靈巧手控制器及LabVIEW上位機等。圖像處理模塊主要是對CCD攝像機獲取的圖像信息進(jìn)行實時處理，然后回傳給主控制器；靈巧手控制器主要是根據(jù)人機接口系統(tǒng)發(fā)送過控制信息對靈巧手進(jìn)行實時控制；LabVIEW上位機則是實時對靈巧手的運動信息進(jìn)行搜集分析，然后將信息反饋給主控制器，再將信息發(fā)送給人機接口系統(tǒng)。

在實際的應(yīng)用中，靈巧手安裝在農(nóng)業(yè)機器人末端控制器上，人機接口系統(tǒng)和靈巧手控制系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。

圖3 人機接口與靈巧手的工作原理圖

2.2 農(nóng)業(yè)機器人靈巧手遙操作軟件架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計采用模塊化編程思想，主要包括系統(tǒng)主程序、驅(qū)動控制子程序、圖像處理子程序、虛擬仿真子程序、信息分析子程序、通訊子程序和LabVIEW上位機。軟件設(shè)計架構(gòu)如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計架構(gòu)圖

主程序開始工作時，首先對各子程序進(jìn)行一系列的初始化，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)定的流程或者根據(jù)操作人員輸出的信息執(zhí)行對應(yīng)子程序，實現(xiàn)指定的功能。主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3 農(nóng)業(yè)機器人靈巧手遙操作虛擬現(xiàn)實實驗平臺

3.1 虛擬現(xiàn)實環(huán)境建模

靈巧手虛擬現(xiàn)實環(huán)境采用計算機軟件仿真模擬，借助虛擬建模軟件搭建靈巧手作業(yè)環(huán)境，帶給操作者視覺上的事實操作感覺。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的操縱對象是農(nóng)業(yè)機器人靈巧手和實時環(huán)境場景，靈巧手虛擬現(xiàn)實環(huán)境的對象是農(nóng)業(yè)機器人靈巧手和目標(biāo)物體。靈巧手虛擬現(xiàn)實環(huán)境建模結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 靈巧手虛擬現(xiàn)實環(huán)境建模結(jié)構(gòu)圖

為了提高靈巧手虛擬現(xiàn)實操作環(huán)境的準(zhǔn)確性，確保仿真系統(tǒng)的精確度，虛擬環(huán)境建模應(yīng)該從幾何環(huán)境和運動學(xué)兩方面建立數(shù)學(xué)分析模型。本文利用三維仿真軟件3D MAX對虛擬現(xiàn)實平臺各部分模型進(jìn)行仿真，根據(jù)場景物體的大小、形狀、顏色、紋路及空間坐標(biāo)進(jìn)行定義，利用Python集成開發(fā)平臺和Solidwork中3D數(shù)據(jù)庫，將它們按運動學(xué)關(guān)系設(shè)計成新的整體構(gòu)件。在組建新的構(gòu)件過程中，定義構(gòu)件的自由度、平移、移動速度等特性，并將整個虛擬環(huán)境的坐標(biāo)原點定在農(nóng)業(yè)機器人基關(guān)節(jié)的原點。將農(nóng)業(yè)機器人機械臂、靈巧手掌、靈巧手指進(jìn)行捆綁定義，讓其形成一個控制鏈，并把作業(yè)對象和工作臺加入虛擬現(xiàn)實場景中，使得構(gòu)建的虛擬場景更具“沉浸性”。SolidWork設(shè)計的農(nóng)業(yè)機器人靈巧手示意圖如圖7所示。

圖7 農(nóng)業(yè)機器人靈巧手示意圖

3.2 建立靈巧手運動學(xué)數(shù)學(xué)模型

為了在虛擬現(xiàn)實實驗平臺中對農(nóng)業(yè)機器人靈巧手進(jìn)行有效的遙操作，建立靈巧手運動學(xué)數(shù)學(xué)模型是必須的。為了讓靈巧手運動學(xué)模型清晰易懂，只對其單指結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。靈巧手單指模型如圖8所示。

圖8 靈巧手單指模型圖

圖8中，l1為根指關(guān)節(jié)長度；l2為中指關(guān)節(jié)長度；l3為端指關(guān)節(jié)的長度；θ1為x1oy1與繞z1旋轉(zhuǎn)得到的角度；θ2為x2oy2繞z2旋轉(zhuǎn)得到的角度；θ3為x3oy3繞z3旋轉(zhuǎn)得到的角度。

p點在指根坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)位置為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

4 LabVIEW上位機設(shè)計與實驗

在整個虛擬現(xiàn)實試驗平臺中,主操作平臺是1臺基于Windows操作系統(tǒng)的計算機。在LabVIEW上位機操作界面中，有虛擬靈巧手的實時顯示，還有作業(yè)虛擬場景，實時展示操作的過程。

LabVIEW上位機采用NI公司的LabVIEW軟件進(jìn)行設(shè)計，界面直觀，操作方便。LabVIEW上位機登錄界面前面板和底層圖形程序如圖9、圖10所示。

圖9 登錄界面前面板

圖10 登錄界面底層圖形程序

為驗證本文設(shè)計農(nóng)業(yè)機器人靈巧手遙操作虛擬現(xiàn)實實驗平臺的可靠性，利用LabVIEW上位機對虛擬靈巧手抓物體的特征與位姿進(jìn)行了實驗分析。根據(jù)整個抓取過程的預(yù)演，能夠給操作人員進(jìn)行遙操作采摘果實提供一定的參考線索。實驗中，待抓取物體的尺寸為100mm(長度)×30mm(直徑)的圓柱體。抓取實驗仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 抓取試驗仿真結(jié)果圖

由圖11可以看出：農(nóng)業(yè)機器人靈巧手可以準(zhǔn)確抓取物體，且在整個過程中沒有和其他物體發(fā)生碰撞。

5 結(jié)論

本文首先分析了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念、應(yīng)用領(lǐng)域及整個系統(tǒng)的組成架構(gòu)；然后，對農(nóng)業(yè)機器人靈巧手遙操作平臺的軟硬件進(jìn)行了分析設(shè)計，進(jìn)而搭建農(nóng)業(yè)機器人靈巧手遙操作虛擬現(xiàn)實實驗平臺；最后，為了驗證該平臺的可靠性，利用LabVIEW上位機對虛擬靈巧手抓物體的特征與位姿進(jìn)行了實驗分析。結(jié)果表明：農(nóng)業(yè)機器人靈巧手能夠根據(jù)物體大小精準(zhǔn)地抓取物體，可以滿足農(nóng)業(yè)機器人采摘作業(yè)要求。