農(nóng)業(yè)機(jī)器人靈巧手遙操作虛擬現(xiàn)實實驗平臺
——基于LabVIEW

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(jī)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(jī)械臂技術(shù)基本成熟，倘若靈巧手的研究能夠跟上，那么機(jī)器人代替人類指日可待。本文根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)器人工作特性，結(jié)合機(jī)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(jī)，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(jī)控制領(lǐng)域最前沿的新型技術(shù)，主要是利用計算機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)接口主要包括鍵盤、 鼠標(biāo)、優(yōu)盤等面向機(jī)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(jī)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(jī)而造成經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)平臺，為系統(tǒng)提供觀察和人機(jī)交互的功能。③I/O人機(jī)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(jī)接口為用戶和計算機(jī)之間的交互提供了接口，3D虛擬場景由計算機(jī)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(jī)器人靈巧手遙操作軟硬件設(shè)計

2.1 農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)等。圖像處理模塊主要是對CCD攝像機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)接口系統(tǒng)。

在實際的應(yīng)用中，靈巧手安裝在農(nóng)業(yè)機(jī)器人末端控制器上，人機(jī)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(jī)接口與靈巧手的工作原理圖

2.2 農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)。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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人基關(guān)節(jié)的原點。將農(nóng)業(yè)機(jī)器人機(jī)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(jī)器人靈巧手示意圖如圖7所示。

圖7 農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)。在LabVIEW上位機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人采摘作業(yè)要求。