羅　迎，曹金玲

(榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下井下救援機(jī)器人控制體系的構(gòu)建方法研究*

羅迎，曹金玲

(榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

摘要：在虛擬現(xiàn)實(shí)即VR技術(shù)和遙操作技術(shù)基本理論的基礎(chǔ)上，以井下救援機(jī)器人為技術(shù)載體，以煤礦事故現(xiàn)場(chǎng)為藍(lán)本的虛擬環(huán)境的構(gòu)建為基礎(chǔ)，對(duì)井下救援機(jī)器人的控制體系進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)和功能劃分，并對(duì)模塊的實(shí)現(xiàn)算法進(jìn)行了初步探討，給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的典型代碼。對(duì)數(shù)據(jù)手套集成到平臺(tái)下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，這些工作屬于該系統(tǒng)原型系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)部分，是對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的遙操作系統(tǒng)原型系統(tǒng)構(gòu)建方法的有益探討。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；遙操作；井下救援；工業(yè)機(jī)器人

將機(jī)器人技術(shù)、營(yíng)救行動(dòng)技術(shù)和災(zāi)難學(xué)等多種學(xué)科知識(shí)有機(jī)結(jié)合，研制開(kāi)發(fā)用于搜尋和營(yíng)救的災(zāi)難救援機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)研究中一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的新領(lǐng)域[1-3]?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的遙操作系統(tǒng)技術(shù)主要應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，是解決大時(shí)延問(wèn)題的有效辦法，將該系統(tǒng)方法引入井下救援，繼而開(kāi)放全雙工雙向多通道控制體系，是對(duì)“遙操作”工程化的有益嘗試。

1基于虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)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(shí)人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框架流程圖

井上控制臺(tái)發(fā)出符合救援指令，數(shù)據(jù)手套由內(nèi)置感應(yīng)裝置獲取操作者手部在空間上16個(gè)方面的信息包，主要通過(guò)安裝于工控機(jī)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(yùn)動(dòng)、位置和夾角等信息，作為模塊間的數(shù)據(jù)流，被工控機(jī)虛擬機(jī)器人系統(tǒng)獲取，在系統(tǒng)集成平臺(tái)協(xié)調(diào)下，虛擬機(jī)器人的手部模型再現(xiàn)控制臺(tái)操作者所發(fā)出的動(dòng)作。系統(tǒng)的環(huán)境反饋圖像是由安置在工控機(jī)上的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境系統(tǒng)提供，并反饋給控制臺(tái)的操控人，操控人依據(jù)反饋調(diào)整自己的動(dòng)作[4]。

2基于VR的遙操作系統(tǒng)體系的構(gòu)建

圖2　以虛擬現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)的井下救援機(jī)器人控制體系的組成

體系構(gòu)成如圖2所示，工控機(jī)虛擬環(huán)境系統(tǒng)與井下救援物理系統(tǒng)等構(gòu)成大系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。虛擬端具有多種輸入通道，人機(jī)交互功能強(qiáng)大，圖形圖像的數(shù)據(jù)處理功能能夠達(dá)到實(shí)時(shí)性。井下救援物理系統(tǒng)指在井下救援現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行動(dòng)作的機(jī)電裝備，特別是最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)——遙操作機(jī)器人。在現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)組成還有機(jī)電設(shè)備內(nèi)置的傳感裝置和環(huán)境感應(yīng)裝置，這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各種信息需要安裝于計(jì)算機(jī)B上的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)做初步處理，形成數(shù)據(jù)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(jì)算機(jī)A與計(jì)算機(jī)B之間無(wú)信息流產(chǎn)生，信息流的絕大部分由操控人和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)間產(chǎn)生，離線規(guī)劃多用于如飛行員訓(xùn)練類似的任務(wù)的實(shí)踐中或?qū)仍姆抡嬉?guī)劃上；2)任務(wù)的實(shí)時(shí)規(guī)劃模式，操控者作用于從端的遙操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通信模塊通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如機(jī)器人的位置、現(xiàn)場(chǎng)影音和力反饋等信息)操控人與從端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的運(yùn)動(dòng)，虛擬現(xiàn)實(shí)生成器對(duì)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(shí)系統(tǒng)與物理環(huán)境的交互過(guò)程如圖4所示。

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

3控制臺(tái)的模塊化設(shè)計(jì)

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(duì)實(shí)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(fù)責(zé)虛擬機(jī)器人與遙操作機(jī)器人任務(wù)動(dòng)作分解時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的正逆求解的機(jī)器人操控模塊，用于任務(wù)規(guī)劃主要是路徑規(guī)劃的碰撞檢測(cè)模塊；后者詳細(xì)劃分請(qǐng)參考筆者的另一篇文章(見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2])。主控制端虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的功能模塊劃分如圖5所示。

現(xiàn)以通信模塊的開(kāi)發(fā)為例作簡(jiǎn)要的說(shuō)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(duì)象，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為Visual C++。一般來(lái)說(shuō)，遙操作機(jī)器人都是智能機(jī)器人，其微處理器系統(tǒng)可開(kāi)發(fā)出服務(wù)于系統(tǒng)通信的Server，控制平臺(tái)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(jù)類，它的vt是對(duì)其所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)類的解釋說(shuō)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(shí)系統(tǒng)的功能模塊劃分

3.2開(kāi)發(fā)通信功能的主函數(shù)

1)Server服務(wù)。

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

Listen() //服務(wù)于TCP連接下的偵聽(tīng)模式。

Accept() //ConnectionRequest請(qǐng)求下建立新鏈接。

SendDate()//send message服務(wù)

Close() //關(guān)閉鏈接請(qǐng)求[8]

2)Client端服務(wù)。

Connect() //connect telecomputer。

GetDate() //acquire telecomputer data package。

通信模塊中Clientsocket與Clisteningsocket 2個(gè)類的加入主要是服務(wù)于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(jù)的解析：

CStringFullstring,Appname,Fileext;

Fullstring.LoadString(IDR_MAINFRAME); //實(shí)現(xiàn)分割功能

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

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

這些庫(kù)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(tái)的交互界面示意圖

主程序集成控制臺(tái)的交互界面的開(kāi)發(fā)(已集成數(shù)據(jù)手套驅(qū)動(dòng)程序)如圖6所示。主程序集成控制臺(tái)的圖形仿真區(qū)的圖形是一個(gè)簡(jiǎn)略的虛擬機(jī)器人示例，并未加載救援環(huán)境下的遙機(jī)器人，目的是為了實(shí)現(xiàn)功能塊調(diào)通，但并不影響系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

4結(jié)語(yǔ)

以降低系統(tǒng)延遲造成的控制指令危險(xiǎn)程度為目的，研究了基于虛擬現(xiàn)實(shí)即VR技術(shù)的服務(wù)于井下救援的遙操作機(jī)器人控制平臺(tái)的開(kāi)發(fā)技術(shù)，構(gòu)建了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)理論框架，對(duì)算法實(shí)驗(yàn)原型系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，從邏輯上實(shí)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(shí)技術(shù)用于解決系統(tǒng)延遲的可行性，整體技術(shù)層次還處于實(shí)驗(yàn)階段。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾芬芳,梁柏林,劉鎮(zhèn),等.基于數(shù)據(jù)手套的人機(jī)交互環(huán)境設(shè)計(jì)[J].中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2000，5(2)：153-157.

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

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

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

[5] 郭勝輝. 基于多智能體的多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)[D].天津:河北工業(yè)大學(xué),2006.

[6] 曹建樹(shù)，李魁龍，李瑞慶，等.基于虛擬原型的管徑激光檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真[J].新技術(shù)新工藝，2014(1)：30-33.

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

[8] 王文濤,李世其,熊友軍. 面向?qū)ο蟮奶摂M手技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2006(2):45-47.

*陜西省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(14JK1858)

榆林學(xué)院高層次項(xiàng)目(11GK53)

榆林學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(12YK24)

責(zé)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(jiǎn)介：羅迎(1978-)，男，講師，博士，主要從事工業(yè)機(jī)器人等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TP 181

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A