MR 技術(shù)在機(jī)器人工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

賈子熙，王 帥，郝一達(dá)，伍一鶴

（1. 東北大學(xué) 機(jī)器人科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2. 南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210094）

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（mixed reality，簡(jiǎn)稱MR）是虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它能夠?qū)⑺枰膶?duì)象附加在真實(shí)世界中，在現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界和用戶之間建立起信息回路，從中增強(qiáng)用戶的真實(shí)感[1-2]。目前，該技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)制造、軍事、文化、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]。由于 MR 技術(shù)具有良好的沉浸感和交互性，在教育領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景，可以實(shí)現(xiàn)虛擬課堂、虛擬實(shí)驗(yàn)室。

在新工科背景下，機(jī)器人工程專業(yè)正在如火如荼地發(fā)展中。機(jī)器人技術(shù)作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的新興交叉學(xué)科，很多高校都在積極探索實(shí)踐教學(xué)如何更好地提升機(jī)器人專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量[4-5]。與傳統(tǒng)工科實(shí)驗(yàn)對(duì)象不同，機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)存在一定危險(xiǎn)性，機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需要投入很多的資金和空間；另外，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)方式容易使學(xué)生過分依賴教師的“教”的過程，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣不高。本文基于 HoloLens 開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在虛擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)倒立擺與機(jī)械臂系統(tǒng)的控制，能夠讓學(xué)生不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)具有較高的安全性，可以減少實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

1 開發(fā)平臺(tái)

1.1 硬件介紹

本系統(tǒng)采用 HoloLens 作為硬件支持。HoloLens是由微軟發(fā)布的一款基于Window10 的頭戴式混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備，擁有獨(dú)立的計(jì)算單元，可以不受線纜限制而獨(dú)立使用，能夠讓用戶在真實(shí)環(huán)境與虛擬影像進(jìn)行交互[6-7]。

1.2 軟件介紹

本系統(tǒng)采用 Unity3D 作為開發(fā)工具。Unity3D 是一款多平臺(tái)集成的 3D 游戲開發(fā)引擎，可以實(shí)現(xiàn)模型可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫、3D 視頻游戲。它為開發(fā)者提供了強(qiáng)大的物理引擎系統(tǒng)，包括多種物理模擬組件。開發(fā)者可以使用封裝好的 API 構(gòu)建出復(fù)雜的虛擬場(chǎng)景，模擬出真實(shí)的物理效果[8-10]。并且，Unity3D 支持跨平臺(tái)開發(fā)，開發(fā)者可根據(jù)需要將項(xiàng)目發(fā)布在不同平臺(tái)上，這可以讓虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)變得更加便捷。

1.3 系統(tǒng)功能介紹

本系統(tǒng)使用Unity3D 搭建倒立擺模型和機(jī)械臂模型，將其導(dǎo)入HoloLens 中，通過HoloLens 進(jìn)行交互控制。在倒立擺系統(tǒng)中，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)擺桿角度和小車位置的控制，通過對(duì)內(nèi)環(huán)、外環(huán)PID 參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)將倒立擺穩(wěn)定在設(shè)定位置。在機(jī)械臂系統(tǒng)中，為改變目標(biāo)物體的位置與姿態(tài)，本系統(tǒng)通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)得到各關(guān)節(jié)位置，生成預(yù)測(cè)軌跡，最后移動(dòng)機(jī)械臂到指定位置，最終實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)械臂的控制。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

2.1.1 倒立擺系統(tǒng)

倒立擺的物理模型如圖1 所示。

圖1 倒立擺物理模型

小車質(zhì)量為M，擺桿質(zhì)量為m，擺桿長(zhǎng)度為l，擺桿偏角為θ，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律可得：

擺桿繞其重心的轉(zhuǎn)動(dòng)方程：

擺桿重心的運(yùn)動(dòng)方程：

小車在水平方向所受合力：

聯(lián)立式（1）—（3）可得倒立擺模型：

其中J為擺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，

采用雙閉環(huán)控制，將小車位置作為外環(huán)，擺桿擺角作為內(nèi)環(huán)，實(shí)現(xiàn)在保持?jǐn)[桿不倒的同時(shí)控制小車位置[11-12]。雙閉環(huán)PID 倒立擺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 倒立擺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1.2 機(jī)械臂系統(tǒng)

確定機(jī)械臂的DH 參數(shù)表如表1 所示。

表1 機(jī)械臂的DH 參數(shù)表

由連桿坐標(biāo)系中的位置關(guān)系可知，關(guān)節(jié)1，2，3，4，5 的中心在同一個(gè)平面內(nèi)，故設(shè)關(guān)節(jié)1，2，3，4，5，6 的當(dāng)前位置為目標(biāo)位置為目標(biāo)角度為設(shè)目標(biāo)物的位置為PT。以為坐標(biāo)軸原點(diǎn)，易得到由式

可解得Pt5。由于關(guān)節(jié)1，2，3，4，5 的中心在同一個(gè)平面內(nèi)，由式

可解得Pt2，由式

可解得Pt3，由式

可解得Pt4。

2.2 虛擬環(huán)境部署

2.2.1 倒立擺系統(tǒng)

Unity 環(huán)境里組件的部署情況及腳本列表如圖 3所示。對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)組件詳見表2。

2.2.2 機(jī)械臂系統(tǒng)

Unity 環(huán)境里組件的部署情況見圖4。系統(tǒng)組件部署情況詳見表3。

圖3 Unity 環(huán)境中的倒立擺系統(tǒng)組件部署

表2 倒立擺系統(tǒng)組件

2.3 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的HoloLens 實(shí)現(xiàn)

2.3.1 倒立擺系統(tǒng)

圖4 Unity 環(huán)境中的機(jī)械臂系統(tǒng)組件部署

表3 機(jī)械臂系統(tǒng)組件

倒立擺控制系統(tǒng)演示效果如圖5 所示。經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)擺桿角度和小車位置的控制，實(shí)驗(yàn)者還可自行調(diào)節(jié)內(nèi)外環(huán)PID 參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試系統(tǒng)在不同PID 參數(shù)下的穩(wěn)定性。

圖5 倒立擺控制系統(tǒng)效果演示

2.3.2 機(jī)械臂系統(tǒng)

虛擬機(jī)械臂演示效果如圖6 所示。測(cè)試結(jié)果顯示，虛擬機(jī)械臂在不同場(chǎng)景下均表現(xiàn)良好。測(cè)試過程中，可以清晰地觀察到周圍環(huán)境與機(jī)械臂的交互情況。機(jī)械臂的碰撞模型與周圍環(huán)境的碰撞清晰可見，機(jī)械臂的每次抓取均可達(dá)到預(yù)設(shè)的誤差范圍，即滿足

圖6 機(jī)械臂系統(tǒng)效果演示

3 結(jié)語(yǔ)

虛擬實(shí)驗(yàn)室可使用虛擬技術(shù)（虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)）來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和流程組裝成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)體系。該方案可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生間的交流，從而提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性。隨著混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和普及，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)將在機(jī)器人工程專業(yè)交互式教學(xué)中發(fā)揮潛能，為學(xué)生提供情境交互體驗(yàn)，幫助學(xué)生探索抽象復(fù)雜的機(jī)器人技術(shù)。