一种融合虚拟现实技术的主从式喷涂机器人示教系统的制作方法

本发明涉及喷涂机器人教学系统领域，具体是一种融合虚拟现实技术的主从式喷涂机器人示教系统。

背景技术

在智能喷涂机器人示教系统领域中，随着技术的不断发展，传统的喷涂机器人示教技术已经发展到很高的水平，可以达到很高的示教精度。但是由于传统示教方法由于方法自身存在局限性，如传统的示教盒示教方法需要操作人员具备一定的专业背景及丰富的示教经验，该方式过程繁琐且示教效率不高；离线编程示教存在示教编程过程不够直观，编程专业性强。另外，由于喷涂机器人示教的特殊性，即喷涂示教在一个相对密闭切充满有毒气体的环境中进行，所以如果运用传统的是示教方法，会对操作人员的身体健康造成伤害。

目前，中国发明专利104759379a公布了一种基于喷涂目标三维成像技术的全流程闭环智能喷涂机器人，其基于三维成像技术进行喷涂轨迹设计，但是在实际现实中由于喷涂环境的复杂性，喷涂料在空气中散布会影响摄像头采集图像，使三维成像不准确，导致电脑三维成像的待喷涂件与实际待喷涂件的差异，致使最终喷涂的轨迹为电脑上三维成像待喷涂件的轨迹而不是实际待喷涂件的喷涂轨迹。中国发明专利107263449a公布了基于虚拟现实的机器人远程示教系统，其提供了一种基于虚拟现实的机器人远程示教系统，利用云端服务器实现，极端设备和远端设备来实现远程示教。但是在实际喷涂环境中，喷涂料在空气中散布会影响摄像头采集图像，使图像采集模块采集图像不准确，且人把持示教手柄使得示教过程不稳定，所以其示教过程不够稳定，示教轨迹的精确度不高。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种融合虚拟现实技术的主从式喷涂机器人示教系统，以解决现有技术传统示教方法示教效率低、示教过程不直观的问题，以及喷涂机器人示教现场存在对人体有害气体的特殊性问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种融合虚拟现实技术的主从式喷涂机器人示教系统，其特征在于：包括计算机、虚拟场景、现实场景、主动设备、从动设备，其中：

所述的计算机为虚拟场景的载体，同时计算机为主动设备和从动设备连接的纽带；

所述的现实场景是现实中的喷涂场景，其中包括真实的喷涂机器人、待喷涂件、旋转台，计算机中集成有运动控制器，运动控制器分别与旋转台和喷涂机器人的各个关节的驱动电机连接；

所述的虚拟场景是利用opengl在计算机中建立的可以完全反应现实场景特征的虚拟空间，在虚拟空间内具有至少包括喷涂机器人模型、待喷涂件模型在内的实现喷涂的必要元素；

所述的从动设备即为现实场景中的喷涂机器人以及虚拟场景中的喷涂机器人模型；

所述的主动设备即操作人员实际操作的设备，是对从动设备和虚拟场景控制的信号源，主动设备包括力反馈设备、虚拟现实头戴式显示设备和控制面板，力反馈设备和虚拟现实头戴式显示设备分别与计算机连接，其中虚拟现实头戴式显示设备佩戴于操作人员，利用虚拟现实头戴式显示设备将操作人员的对外界的视觉、听觉封闭，引导操作人员处于计算机中建立的虚拟场景中；力反馈设备是集成真实的三维导航和力反馈触感的由操作人员操作的手持式触控笔，力反馈设备准确测量三维空间位置和手持式触控笔的方位，其具有六自由度的位置感知，力反馈设备的信号传送至计算机；控制面板上布置有控制按钮，负责整体的控制和急停；计算机根据力反馈设备的信号向虚拟场景中导入相应数据，虚拟场景中的喷涂机器人模型对应执行相应动作，形成示教轨迹；同时计算机根据力反馈设备的信号向运动控制器发送相应的驱动信号，运动控制器根据驱动信号控制现实场景中的喷涂机器人执行相应动作，形成示教轨迹。

所述的一种融合虚拟现实技术的主从式喷涂机器人示教系统，其特征在于：所述的虚拟场景可以根据待喷涂件的不同添加新建立的待喷涂件的虚拟模型，以适应不同的待喷涂件；虚拟场景中的喷涂机器人模型随着力反馈设备的实时运动而运动，操作人员通过虚拟现实头戴式显示设备可直观的观测到喷涂机器人模型的实时位姿状态；

虚拟场景中的喷涂机器人模型尺寸与现实场景中喷涂机器人尺寸成比例，虚拟场景中的喷涂机器人模型具有与现实场景中喷涂机器人一样的自由度和工作空间；虚拟场景中的喷涂机器人模型可以完成所有现实喷涂机器人的所有位姿和轨迹运动，并且可以跟随主动设备实时做相应的空间运动，实现喷涂机机器人示教的功能。

所述的一种融合虚拟现实技术的主从式喷涂机器人示教系统，其特征在于：现实场景中喷涂机器人跟随力反馈设备的动作做出相应的运动，喷涂待喷涂件；现实场景是密闭的封闭空间，操作人员工作时不处于喷涂场景，使得操作人员不受有毒喷涂涂料的侵害

所述的一种融合虚拟现实技术的主从式喷涂机器人示教系统，其特征在于：所述的主动设备中，力反馈设备的位置和姿态经过计算机建立的映射关系可以完全表现出喷涂机器人的位置和姿态，在示教过程中操作人员手握力反馈设备，经过位置和姿态的映射，在虚拟空间的喷涂机器人模型和现实空间的喷涂机器人都可以得到相应的位置和姿态，以达到融合虚拟现实的主从式示教；

力反馈设备与虚拟场景的喷涂机器人模型和现实场景的喷涂机器人的映射关系，在位置关系上表现为比例映射，即力反馈设备的动作经过比例映射到虚拟场景的喷涂机器人虚拟模型和现实场景的喷涂机器人；在姿态关系上表现为对应映射，即力反馈设备的姿态与虚拟场景的喷涂机器人虚拟模型和现实场景的喷涂机器人的姿态一一对应；

主动设备中，虚拟现实头戴式显示设备其显示原理是左右眼屏幕分别显示左右眼的图像，人眼获取这种带有差异的信息后在脑海中产生立体感；

力反馈设备、虚拟现实头戴式显示设备配合使用使操作人员置身于虚拟环境中，控制喷涂机器人位置和姿态，产生示教轨迹。

所述的一种融合虚拟现实技术的主从式喷涂机器人示教系统，其特征在于：所述的从动设备中，虚拟场景的喷涂机器人模型和现实场景的喷涂机器人同步模拟操作人员操作反馈设备的示教轨迹，形成示教轨迹。

所述的一种融合虚拟现实技术的主从式喷涂机器人示教系统，其特征在于：所述的计算机中，主动设备的动作信号发送到计算机，再由计算机发送给相应的虚拟场景的喷涂机器人模型、现实场景的喷涂机器人；计算机在多次虚拟学习后，可以将多次示教的轨迹融合优化，得到一条最优的示教轨迹。

一种融合虚拟现实技术的主从式喷涂机器人示教系统的示教方法，其特征在于：为虚拟训练方法，包括以下步骤：

（1）、开启示教系统，进行系统的初始化，并检查系统各单元是否一切正常；

（2）、操作人员佩戴虚拟现实头戴式显示设备，手持力反馈设备，准备开始示教；

（3）、将力反馈设备置于虚拟场景中的喷涂机器人虚拟模型相同的示教初始位置；

（4）、操作人员手持力反馈设备，佩戴虚拟现实头戴式显示设备，在虚拟场景对喷涂机器人虚拟模型进行示教工作，虚拟场景的喷涂机器人模型按照力反馈设备的动作在虚拟场景中形成一条示教轨迹；

（5）、多次虚拟学习后，计算机将多条轨迹融合优化成一条最优轨迹，并保存。

一种融合虚拟现实技术的主从式喷涂机器人示教系统的示教方法，其特征在于：为现实示教方法，包括以下步骤：

（1）、开启示教系统，进行系统的初始化，并检查系统各单元是否一切正常；

（2）、操作人员佩戴虚拟现实头戴式显示设备，手持力反馈设备，准备开始示教；

（3）、将力反馈设备置于现实场景的喷涂机器人相同的示教初始位置；

（4）、操作人员手持力反馈设备，对喷涂机器人进行示教工作，喷涂机器人按照力反馈设备的动作在现实场景中形成一条示教轨迹。

一种融合虚拟现实技术的主从式喷涂机器人示教系统的示教方法，其特征在于：为虚实结合方法，包括以下步骤：

（1）、开启示教系统，进行系统的初始化，并检查系统各单元是否一切正常；

（2）、操作人员佩戴虚拟现实头戴式显示设备，手持力反馈设备，准备开始示教；

（3）、将虚拟场景的喷涂机器人虚拟模型和现实场景的喷涂机器人调至相同的初始位置；

（4）、将力反馈设备置于虚拟场景喷涂机器人虚拟模型和现实场景喷涂机器人相同的初始位置；

（5）、操作人员手持力反馈设备，佩戴虚拟现实头戴式显示设备，在虚拟场景对喷涂机器人虚拟模型进行示教工作，虚拟场景的喷涂机器人模型按照力反馈设备的动作在虚拟场景中形成一条示教轨迹；

（6）、经过反复多次虚拟示教，得到多条模拟示教轨迹，计算机将多条模拟示教轨迹融合优化，得出一条最优轨迹；

（7）、将最优轨迹加载到现实场景的喷涂机器人控制系统，在现实场景验证最优轨迹是否符合现实喷涂要求；

（8）、若上述最优示教轨迹满足现实喷涂效果，则保存此条最优轨迹，并用于大批量的喷涂任务；否则进行更多的虚拟训练，直到得到一条满足喷涂效果的轨迹。

本发明提高了多次示教的效率，降低示教成本，使示教过程更加直观，以及提高示教工作对复杂环境的适应能力，降低涂料对操作人员的伤害。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1.本发明力反馈设备的位姿与喷涂机器人的位姿实时对应，具有更高的示教效率；

2.本发明利用虚拟现实技术，操作者观测更加方便，示教过程更直观；

3.本发明的最优轨迹由多条虚拟学习的轨迹融合优化得来，可以将示教过程的人为误差过滤；

4.本发明操作人员不处于现实喷涂空间，有毒气体不会伤害操作人员的健康。

附图说明

图1是本发明一种融合虚拟现实技术的主从式喷涂机器人示教系统的结构图；

图2是本发明一种融合虚拟现实技术的主从式喷涂机器人示教系统的主动设备结构图；

图3是本发明一种融合虚拟现实技术的主从式喷涂机器人示教系统的原理框图；

图4是本发明一种融合虚拟现实技术的主从式喷涂机器人示教系统的虚拟学习流程图；

图5是本发明一种融合虚拟现实技术的主从式喷涂机器人示教系统的现实示教流程图；

图6是本发明一种融合虚拟现实技术的主从式喷涂机器人示教系统的虚实结合示教流程图；

图中标号：1现实场景；2待喷涂件；3喷涂机器人；4力反馈设备；5虚拟现实头戴式显示设备；6计算机；7虚拟场景；8待喷涂件虚拟模型；9喷涂机器人虚拟模型；10控制面板；11旋转台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-图3所示，一种融合虚拟现实技术的主从式智能喷涂机器人示教系统包括虚拟场景7，现实场景1，主动设备4、5，从动设备3、9，计算机6。

虚拟场景7是利用opengl建立的可以完全反应现实喷涂场景特征的虚拟空间，在虚拟空间7内包括现实喷涂场景中的喷涂机器人3、待喷涂件2等一切必要元素。并且可以根据待喷涂件的不同添加新建立的待喷涂件的虚拟模型，以适应不同的待喷涂件。虚拟场景7中的元素随着力反馈设备4的实时运动而运动，可以使操作人员直观的观测到喷涂机器人虚拟模型9的实时位姿状态。

现实场景1是现实中的喷涂场景，其中包括喷涂机器人3，待喷涂件2，旋转台11。喷涂机器人3跟随力反馈设备4的动作做出相应的运动，喷涂放在旋转台11上的待喷涂件2。现实场景是密闭的封闭空间，操作人员工作时不处于喷涂场景，使得操作人员不受有毒喷涂涂料的侵害，保护操作人员的身体健康。

主动设备4、5即操作人员实际操作的设备，是对从动设备和虚拟场景控制的信号源。包括力反馈设备4，虚拟现实头戴式显示设备5，控制面板10。控制面板10负责整体系统的开关和急停，力反馈设备4是一款集成真实的三维导航和力反馈触感的设备，能够准确测量三维空间位置和手持式触控笔的方位。其具有六自由度的位置感知，力反馈设备4的位置和姿态经过映射关系可以完全表现出喷涂机器人的位置和姿态。在示教过程中操作人员手握力传感设备4，经过位置和姿态的映射，在虚拟空间和现实空间的喷涂机器人都可以得到相应的位置和姿态，以达到融合虚拟现实的主从式示教。虚拟现实头戴式显示设备5，是利用头戴式显示设备将人的对外界的视觉、听觉封闭，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉，并在虚拟环境中操控喷涂机器人虚拟模型9。其显示原理是左右眼屏幕分别显示左右眼的图像，人眼获取这种带有差异的信息后在脑海中产生立体感。力反馈设备，虚拟现实头戴式显示设备配合使用可以使操作人员置身于虚拟环境中，控制喷涂机器人位置和姿态，产生示教轨迹。

从动设备3、9包括虚拟场景中的喷涂机器人虚拟模型9和现实场景的喷涂机器人3。虚拟场景的喷涂机器人虚拟模型9和现实场景的喷涂机器人3同步模拟操作人员操作反馈设备4的示教动作，形成示教轨迹。

虚拟场景7中的喷涂机器人虚拟模型9，就是利用opengl根据现实模拟出来的与现实相同的虚拟模型。喷涂机器人虚拟模型具有跟现实喷涂机器人一样的尺寸，自由度，工作空间。可以完成所有现实喷涂机器人的所有位姿和轨迹运动。并且可以跟随主动设备实时做相应的空间运动，实现喷涂机机器人示教的功能。在虚拟场景中，可以很方便的做大量的喷涂示教，并在虚拟场景进行各种计算实验。

力反馈设备4与虚拟场景的喷涂机器人虚拟模型9和现实场景的喷涂机器人3的映射关系，在位置关系上表现为比例映射，即力反馈设备的动作经过比例映射到虚拟场景的喷涂机器人虚拟模型和现实场景的喷涂机器人；在姿态关系上表现为对应映射，即力反馈设备的姿态与虚拟场景的喷涂机器人虚拟模型和现实场景的喷涂机器人的姿态一一对应。

计算机6是虚拟场景的载体，也是实现主动设备和从动设备通讯的纽带。虚拟场景7利用计算技术根据现实在计算机上建立的虚拟模型。主动设备4、5的动作信号发送到计算机6，再由计算机6发送给相应的虚拟场景的喷涂机器人虚拟模型9或现实场景的喷涂机器人3。计算机在多次虚拟学习后，可以将多次示教的轨迹融合优化，得到一条最优的示教轨迹。

如图4所示，本发明提供多种示教方法：

方案一：虚拟训练

1.控制面板10开启示教系统，进行系统的初始化，并检查系统各单元是否一切正常；

2.操作人员佩戴虚拟现实头戴式显示设备5，手持力反馈设备4，准备开始示教；

3.将力反馈设备4置于虚拟场景7中的喷涂机器人虚拟模型9相同的示教初始位置；

4.操作人员手持力反馈设备4，佩戴虚拟现实头戴式显示设备5，在虚拟场景对喷涂机器人虚拟模型9进行示教工作，虚拟场景的喷涂机器人模型9按照力反馈设备的动作在虚拟场景中形成一条示教轨迹。

5.多次虚拟学习后，计算机将多条轨迹融合优化成一条最优轨迹，并保存。

如图5所示，方案二：现实示教

1.控制面板10开启示教系统，进行系统的初始化，并检查系统各单元是否一切正常；

2.操作人员佩戴虚拟现实头戴式显示设备5，手持力反馈设备4，准备开始示教；

3.将力反馈设备4置于现实场景的喷涂机器人3相同的示教初始位置；

4.操作人员手持力反馈设备4，对喷涂机器人3进行示教工作，喷涂机器人3按照力反馈设备4的动作在现实场景中形成一条示教轨迹。

如图6所示，方案三：虚实结合

1.控制面板10开启示教系统，进行系统的初始化，并检查系统各单元是否一切正常；

2.操作人员佩戴虚拟现实头戴式显示设备5，手持力反馈设备4，准备开始示教；

3.将虚拟场景的喷涂机器人虚拟模型9和现实场景的喷涂机器人3调至相同的初始位置；

4.将力反馈设备4置于虚拟场景喷涂机器人虚拟模型9和现实场景喷涂机器人3相同的初始位置；

5.操作人员手持力反馈设备4，佩戴虚拟现实头戴式显示设备5，在虚拟场景7对喷涂机器人虚拟模型9进行示教工作，虚拟场景的喷涂机器人模型按照力反馈设备的动作在虚拟场景中形成一条示教轨迹；

6.经过反复多次虚拟示教，得到多条模拟示教轨迹，计算机6将多条模拟示教轨迹融合优化，得出一条最优轨迹；

7.将最优轨迹加载到现实场景的喷涂机器人控制系统，在现实场景验证最优轨迹是否符合现实喷涂要求；

8.若上述最优示教轨迹满足现实喷涂效果，则保存此条最优轨迹，并用于大批量的喷涂任务；否则进行更多的虚拟训练，知道得到一条满足喷涂效果的轨迹。