专利名称：一种虚拟工程机器人系统及控制方法
技术领域：
本发明是 一种用于机器人领域的一种虚拟工程机器人系统及控制方法，特别是一种解决遥操作工程机器人系统时延问题的虚拟工程机器人系统及控制方法，属于虚拟工程机器人系统及控制方法的改造技术。
背景技术：
遥操作工程机器人系统是指在人操作下完成复杂工程作业任务的一种远距离操作系统，它能够帮助人类在危险和极端环境下工作。在理想情况下，工程机器人可以实时地反应操作者的命令。但是，由于操作者与工程机器人的工作现场距离较远、工作环境复杂以及通讯带宽的限制，系统不可避免地存在时延问题，造成操作者的命令不能实时地反应在工程机器人上。由于时间的滞后，工程机器人与环境的交互信息(包括图像、力、位移等)不能实时地反馈给操作者，从而发生误操作。这种大时延的存在，严重影响了系统的稳定性、可操作性。针对遥操作系统的时延问题，早先的研究者采用“移动-等待”策略，即操作者先移动一下操纵杆，等操作者感觉到工程机器人与环境的力反馈后，再移动一下操纵杆。但这种方法操作性差，力反馈效果较模糊。后来有学者从控制的角度出发，提出了许多新的方案，基本思想是通过采用合理的控制算法处理遥操作系统主端和从端的力以及位移信息。目前，比较常用的控制算法有基于散射理论方法、基于事件方法、基于预测控制方法、基于H- c 理论控制法、自适应控制法、共享柔顺控制法、LOG最优控制器等。但是以上算法只适用于小时延系统，在大时延下的效果还是不明显。目前，还未找到更有效的方法解决时延问题。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种能有效解决时延问题的虚拟工程机器人系统。本发明设计合理，方便实用。本发明的另一目的在于提供一种控制简单方便的虚拟工程机器人系统的控制方法。本发明的技术方案是本发明的虚拟工程机器人系统，包括有力反馈操纵杆、虚拟工程机器人控制器、投影装置、屏幕，其中用于将操作者的操纵运动转换为虚拟工程机器人及工程机器人的位移设定信号的力反馈操纵杆与虚拟工程机器人控制器连接，且力反馈操纵杆将力反馈信号转换为作用力作用给操作者，虚拟工程机器人控制器的信号输出端与投影装置连接，投影装置将虚拟工程机器人控制器生成的虚拟工程机器人及作业对象投影到屏幕。上述虚拟工程机器人控制器包括用于描述虚拟工程机器人几何特征的几何模块、用于确定虚拟工程机器人各关节连杆之间位姿关系的运动学模块、用于实现虚拟工程机器人手爪与作业对象之间的碰撞检测的碰撞检测算法模块、用于计算虚拟工程机器人手爪与作业对象相互碰撞的作用力的力反馈算法模块、用于将力反馈操作杆的位移设定信号从虚拟工程机器人控制器传输给工程机器人控制器的通信模块。上述用于描述虚拟工程机器人几何特征的几何模块采用Opengl和SolidWorks建模法构建。上述用于确定虚拟工程机器人各关节连杆之间位姿关系的运动学模块采用Denavit-Hartenberg 表不法建立。上述用于实现虚拟工程机器人手爪与作业对象之间的碰撞检测的碰撞检测算法模块基于轴向包围盒法构建。上述用于虚拟工程机器人控制器与工程机器人控制器的网络通讯的通信模块基 于Winsock设计。本发明虚拟工程机器人系统的控制方法，包括如下步骤
1)操作者面对屏幕(4)，观察屏幕(4)上的虚拟工程机器人和作业对象；
2)操作者操纵力反馈操纵杆(1)，将位移设定信号传给虚拟工程机器人控制器(2)及工程机器人控制器，控制虚拟工程机器人及工程机器人运动并抓取作业对象；
3)当虚拟工程机器人手爪抓取作业对象时，碰撞检测算法模块(7)检测出手爪与作业对象的碰撞行为，同时力反馈算法模块(8)计算出手爪与作业对象相互碰撞的作用力，并通过力反馈操纵杆(I)反馈给操作者；由于操作者可直接通过观察屏幕(4)上的虚拟工程机器人与作业对象的位姿关系来操作虚拟工程机器人及工程机器人完成作业任务，不用等待远处工程机器人作业现场反馈回来的信息，故能解决遥操作工程机器人系统存在的时延问题。本发明的虚拟工程机器人系统及控制方法具有以下特点
I)基于Opengl和SolidWorks建立几何模块和基于Denavit-Hartenberg表不法建立运动学模块，实现了虚拟工程机器人的几何与运动学建模，不仅满足虚拟工程机器人建模逼真的要求，且降低了建模难度，缩短了开发周期。2)基于轴向包围盒法构建碰撞检测算法模块，实现了虚拟机械手爪与待抓物体之间的精确碰撞检测，保证了虚拟工程机器人系统的实时性。3)利用力反馈算法模块计算虚拟工程机器人手爪与作业对象相互碰撞的作用力，实现了对操作者的力反馈。4)基于Winsock设计通信模块，实现了虚拟工程机器人控制器与工程机器人控制器之间的数据传输，保证了数据传输的可靠性和正确性。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的虚拟工程机器人系统及控制方法。
图I为本发明的原理 图2为本发明虚拟工程机器人控制器的原理图。
具体实施例方式实施例
本发明的结构示意图如图I所示，本发明的虚拟工程机器人系统，包括有力反馈操纵杆I、虚拟工程机器人控制器2、投影装置3、屏幕4，其中用于将操作者的操纵运动转换为虚拟工程机器人及工程机器人的位移设定信号的力反馈操纵杆I与虚拟工程机器人控制器2连接，且力反馈操纵杆I将力反馈信号转换为作用力作用给操作者，虚拟工程机器人控制器2的信号输出端与投影装置3连接，投影装置3将虚拟工程机器人控制器2生成的虚拟工程机器人及作业对象投影到屏幕4。本实施例中，上述虚拟工程机器人控制器2包括几何模块5、运动学模块6、碰撞检测算法模块7、力反馈算法模块8、通信模块9。几何模块5用于描述虚拟工程机器人几何特征。运动学模块6用于确定虚拟工程机器人各关 节连杆之间位姿关系。碰撞检测算法模块7用于实现虚拟工程机器人手爪与作业对象之间的碰撞检测。力反馈算法模块8用于计算虚拟工程机器人手爪与作业对象相互碰撞的作用力。通信模块9用于将力反馈操作杆的位移设定信号从虚拟工程机器人控制器传输给工程机器人控制器。本实施例中，上述用于描述虚拟工程机器人几何特征的几何模块5采用Opengl和Solidfforks建模法构建。本实施例中，上述用于确定虚拟工程机器人各关节连杆之间位姿关系的运动学模块6采用Denavit-Hartenberg表示法建立。上述用于实现虚拟工程机器人手爪与作业对象之间的碰撞检测的碰撞检测算法模块7基于轴向包围盒法构建构建。上述用于虚拟工程机器人控制器与工程机器人控制器的网络通讯的通信模块9基于Winsock设计。本发明虚拟工程机器人系统的控制方法，包括如下步骤
1)操作者面对屏幕4，观察屏幕4上的虚拟工程机器人和作业对象；
2)操作者操纵力反馈操纵杆I，将位移设定信号传给虚拟工程机器人控制器2及工程机器人控制器，控制虚拟工程机器人及工程机器人运动并抓取作业对象；
3)当虚拟工程机器人手爪抓取作业对象时，碰撞检测算法模块7检测出手爪与作业对象的碰撞行为，同时力反馈算法模块8计算出手爪与作业对象相互碰撞的作用力，并通过力反馈操纵杆I反馈给操作者；由于操作者可直接通过观察屏幕4上的虚拟工程机器人与作业对象的位姿关系来操作虚拟工程机器人及工程机器人完成作业任务，不用等待远处工程机器人作业现场反馈回来的信息，故能解决遥操作工程机器人系统存在的时延问题。
权利要求
1.一种虚拟工程机器人系统，其特征在于包括有力反馈操纵杆(I)、虚拟工程机器人控制器(2)、投影装置(3)、屏幕(4)，其中用于将操作者的操纵运动转换为虚拟工程机器人及工程机器人的位移设定信号的力反馈操纵杆(I)与虚拟工程机器人控制器(2)连接，且力反馈操纵杆(I)将力反馈信号转换为作用力作用给操作者，虚拟工程机器人控制器(2)的信号输出端与投影装置(3 )连接，投影装置(3 )将虚拟工程机器人控制器(2 )生成的虚拟工程机器人及作业对象投影到屏幕(4 )。
2.根据权利要求I所述的虚拟工程机器人系统，其特征在于上述虚拟工程机器人控制器(2)包括用于描述虚拟工程机器人几何特征的几何模块(5)、用于确定虚拟工程机器人各关节连杆之间位姿关系的运动学模块(6)、用于实现虚拟工程机器人手爪与作业对象之间的碰撞检测的碰撞检测算法模块(7)、用于计算虚拟工程机器人手爪与作业对象相互碰撞的作用力的力反馈算法模块(8)、用于将力反馈操作杆的位移设定信号从虚拟工程机器人控制器传输给工程机器人控制器的通信模块(9 )。
3.根据权利要求2所述的虚拟工程机器人系统，其特征在于上述用于描述虚拟工程机器人几何特征的几何模块(5)采用Opengl和SolidWorks建模法构建。
4.根据权利要求2所述的虚拟工程机器人系统，其特征在于上述用于确定虚拟工程机器人各关节连杆之间位姿关系的运动学模块(6)采用Denavit-Hartenberg表示法建立。
5.根据权利要求2所述的虚拟工程机器人系统，其特征在于上述用于实现虚拟工程机器人手爪与作业对象之间的碰撞检测的碰撞检测算法模块(7)基于轴向包围盒法构建。
6.根据权利要求2所述的虚拟工程机器人系统，其特征在于上述用于虚拟工程机器人控制器与工程机器人控制器的网络通讯的通信模块(9)基于Winsock设计。
7.根据权利要求I所述的虚拟工程机器人系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤 1)操作者面对屏幕(4)，观察屏幕(4)上的虚拟工程机器人和作业对象； 2)操作者操纵力反馈操纵杆(1)，将位移设定信号传给虚拟工程机器人控制器(2)及工程机器人控制器，控制虚拟工程机器人及工程机器人运动并抓取作业对象； 3)当虚拟工程机器人手爪抓取作业对象时，碰撞检测算法模块(7)检测出手爪与作业对象的碰撞行为，同时力反馈算法模块(8)计算出手爪与作业对象相互碰撞的作用力，并通过力反馈操纵杆(I)反馈给操作者；由于操作者可直接通过观察屏幕(4)上的虚拟工程机器人与作业对象的位姿关系来操作虚拟工程机器人及工程机器人完成作业任务，不用等待远处工程机器人作业现场反馈回来的信息，故能解决遥操作工程机器人系统存在的时延问题。
全文摘要
本发明是一种虚拟工程机器人系统及控制方法。包括有力反馈操纵杆(1)、虚拟工程机器人控制器(2)、投影装置(3)、屏幕(4)，其中用于将操作者的操纵运动转换为虚拟工程机器人及工程机器人的位移设定信号的力反馈操纵杆(1)与虚拟工程机器人控制器(2)连接，且力反馈操纵杆(1)将力反馈信号转换为作用力作用给操作者，虚拟工程机器人控制器(2)的信号输出端与投影装置(3)连接，投影装置(3)将虚拟工程机器人控制器(2)生成的虚拟工程机器人及作业对象投影到屏幕(4)。本发明能有效解决遥操作工程机器人系统时延问题，控制简单，方便实用。
文档编号B25J13/08GK102814815SQ20121030463
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者李笑, 黄志锋 申请人:广东工业大学