虛擬現實環境下井下救援機器人控制體系的構建方法研究*

羅　迎，曹金玲

(榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林 719000)

虛擬現實環境下井下救援機器人控制體系的構建方法研究*

羅迎，曹金玲

(榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林 719000)

摘要：在虛擬現實即VR技術和遙操作技術基本理論的基礎上，以井下救援機器人為技術載體，以煤礦事故現場為藍本的虛擬環境的構建為基礎，對井下救援機器人的控制體系進行了概念設計和功能劃分，并對模塊的實現算法進行了初步探討，給出了系統實現的典型代碼。對數據手套集成到平臺下進行了實驗研究，這些工作屬于該系統原型系統的實驗實現概念設計部分，是對虛擬現實的遙操作系統原型系統構建方法的有益探討。

關鍵詞：虛擬現實；遙操作；井下救援；工業機器人

將機器人技術、營救行動技術和災難學等多種學科知識有機結合，研制開發用于搜尋和營救的災難救援機器人是機器人學研究中一個富有挑戰性的新領域[1-3]?；谔摂M現實的遙操作系統技術主要應用在航空航天領域，是解決大時延問題的有效辦法，將該系統方法引入井下救援，繼而開放全雙工雙向多通道控制體系，是對“遙操作”工程化的有益嘗試。

1基于虛擬現實的人機交互理論框架

系統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　虛擬現實人機交互系統實現框架流程圖

井上控制臺發出符合救援指令，數據手套由內置感應裝置獲取操作者手部在空間上16個方面的信息包，主要通過安裝于工控機上的集成救援控制系統獲取，信息包解析后可以提取手部的運動、位置和夾角等信息，作為模塊間的數據流，被工控機虛擬機器人系統獲取，在系統集成平臺協調下，虛擬機器人的手部模型再現控制臺操作者所發出的動作。系統的環境反饋圖像是由安置在工控機上的虛擬現實環境系統提供，并反饋給控制臺的操控人，操控人依據反饋調整自己的動作[4]。

2基于VR的遙操作系統體系的構建

圖2　以虛擬現實為基礎的井下救援機器人控制體系的組成

體系構成如圖2所示，工控機虛擬環境系統與井下救援物理系統等構成大系統的運行環境。虛擬端具有多種輸入通道，人機交互功能強大，圖形圖像的數據處理功能能夠達到實時性。井下救援物理系統指在井下救援現場執行動作的機電裝備，特別是最重要的執行機構——遙操作機器人。在現場的系統組成還有機電設備內置的傳感裝置和環境感應裝置，這些執行機構的各種信息需要安裝于計算機B上的遙操作機器人系統做初步處理，形成數據流。在虛擬的工作狀態生成子系統中，操控人可以選擇不同的控制模式[5]：1)離線規劃模式，計算機A與計算機B之間無信息流產生，信息流的絕大部分由操控人和虛擬現實系統間產生，離線規劃多用于如飛行員訓練類似的任務的實踐中或對救援的仿真規劃上；2)任務的實時規劃模式，操控者作用于從端的遙操作執行機構，通信模塊通過執行機構(如機器人的位置、現場影音和力反饋等信息)操控人與從端的執行機構間的運動，虛擬現實生成器對從端信息流做出反饋[6]。主、從端工作流程如圖3所示，虛擬現實系統與物理環境的交互過程如圖4所示。

圖3　主、從端流程圖　　　圖4　虛擬現實系統與物理　環境的交互過程

3控制臺的模塊化設計

系統的模塊按功能劃分，可以清晰地分為常規交互功能模塊及對實現全雙工雙向雙通道的功能有巨大影響的通信接口模塊，前者負責虛擬機器人與遙操作機器人任務動作分解時的運動學、動力學的正逆求解的機器人操控模塊，用于任務規劃主要是路徑規劃的碰撞檢測模塊；后者詳細劃分請參考筆者的另一篇文章(見參考文獻[2])。主控制端虛擬現實系統的功能模塊劃分如圖5所示。

現以通信模塊的開發為例作簡要的說明。如果通信系統是基于WEB的，則多數情況下在服從TCP/IP協議的條件下，以WINSOCK控件為對象，集成開發環境為Visual C++。一般來說，遙操作機器人都是智能機器人，其微處理器系統可開發出服務于系統通信的Server，控制平臺為Client。

3.1WINSOCK控件的使用方法以及主要函數

WINSOCK屬于VARIANT數據類，它的vt是對其所存儲的數據類的解釋說明，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　主控制端虛擬現實系統的功能模塊劃分

3.2開發通信功能的主函數

1)Server服務。

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

Listen() //服務于TCP連接下的偵聽模式。

Accept() //ConnectionRequest請求下建立新鏈接。

SendDate()//send message服務

Close() //關閉鏈接請求[8]

2)Client端服務。

Connect() //connect telecomputer。

GetDate() //acquire telecomputer data package。

通信模塊中Clientsocket與Clisteningsocket 2個類的加入主要是服務于傳輸的數據包的字符定義，類中的AfxExtractSubString()函數用于由NULL與" "分割后的子字符串的提取，主要用于Windows串表中數據的解析：

CStringFullstring,Appname,Fileext;

Fullstring.LoadString(IDR_MAINFRAME); //實現分割功能

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

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

這些庫函數的使用可參考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　主程序控制臺的交互界面示意圖

主程序集成控制臺的交互界面的開發(已集成數據手套驅動程序)如圖6所示。主程序集成控制臺的圖形仿真區的圖形是一個簡略的虛擬機器人示例，并未加載救援環境下的遙機器人，目的是為了實現功能塊調通，但并不影響系統功能的實現。

4結語

以降低系統延遲造成的控制指令危險程度為目的，研究了基于虛擬現實即VR技術的服務于井下救援的遙操作機器人控制平臺的開發技術，構建了基于虛擬現實的遙操作機器人系統理論框架，對算法實驗原型系統的概念設計進行了詳細的闡述，從邏輯上實現了系統的全雙工雙向控制；但需要指出的是這些工作只是為了探討虛擬現實技術用于解決系統延遲的可行性，整體技術層次還處于實驗階段。

參考文獻

[1] 曾芬芳,梁柏林,劉鎮,等.基于數據手套的人機交互環境設計[J].中國圖象圖形學報，2000，5(2)：153-157.

[2] 羅迎. 基于虛擬現實遙操作機器人原型系統的研究[D].蘭州:蘭州理工大學,2010.

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

[4] 呂曉玲. 基于虛擬現實的機器人遙操作[D].天津:河北工業大學,2006.

[5] 郭勝輝. 基于多智能體的多移動機器人協調控制技術[D].天津:河北工業大學,2006.

[6] 曹建樹，李魁龍，李瑞慶，等.基于虛擬原型的管徑激光檢測機器人運動仿真[J].新技術新工藝，2014(1)：30-33.

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

[8] 王文濤,李世其,熊友軍. 面向對象的虛擬手技術研究及實現[J]. 計算機工程與科學,2006(2):45-47.

*陜西省教育廳科學研究項目(14JK1858)

榆林學院高層次項目(11GK53)

榆林學院校級科研項目(12YK24)

責任編輯彭光宇

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

作者簡介：羅迎(1978-)，男，講師，博士，主要從事工業機器人等方面的研究。

中圖分類號：TP 181

文獻標志碼:A