面向EAST腔遠(yuǎn)程檢測(cè)的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周濤濤 盧俊國(guó)

(上海交通大學(xué)自動(dòng)化系系統(tǒng)控制與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

面向EAST腔遠(yuǎn)程檢測(cè)的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周濤濤 盧俊國(guó)

(上海交通大學(xué)自動(dòng)化系系統(tǒng)控制與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

針對(duì)先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克(EAST)腔遠(yuǎn)程檢測(cè)可視化和安全性的需要，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高效的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高性能的開(kāi)源三維圖形渲染引擎OpenSceneGraph開(kāi)發(fā)。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)接收控制系統(tǒng)發(fā)送來(lái)的柔性內(nèi)窺機(jī)械臂的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)來(lái)更新虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)中虛擬柔性內(nèi)窺機(jī)械臂的位置。能通過(guò)快速碰撞檢測(cè)確保遠(yuǎn)程檢測(cè)的安全。該虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)還具有3D顯示、操作培訓(xùn)等功能，也可以在規(guī)劃的軌跡應(yīng)用到柔性內(nèi)窺機(jī)械臂之前進(jìn)行正確性的驗(yàn)證。另外，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)可以直接控制遠(yuǎn)程柔性內(nèi)窺機(jī)械臂執(zhí)行任務(wù)。

虛擬現(xiàn)實(shí) EAST腔 遠(yuǎn)程檢測(cè) 柔性內(nèi)窺機(jī)械臂

先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST)已經(jīng)在中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所(ASIPP)建造并成功運(yùn)行[1]。EAST腔易受聚變中子撞擊而損壞，EAST腔的遠(yuǎn)程檢測(cè)任務(wù)是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的工作[2]。柔性內(nèi)窺機(jī)械臂(Flexible Invessel Inspection Robot)是一個(gè)十自由度的機(jī)械臂，可以在不影響EAST內(nèi)部環(huán)境的情況下對(duì)EAST腔進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)[3]。遠(yuǎn)程檢測(cè)安全運(yùn)行，尤其是避免柔性內(nèi)窺機(jī)械臂與EAST腔的碰撞非常重要，所以一些確保安全的工具，例如距離傳感器、視覺(jué)傳感器需要安裝在EAST腔內(nèi)部或者攜帶在機(jī)械臂上。然而由于腔內(nèi)有限的空間和高γ射線環(huán)境會(huì)導(dǎo)致效果下降，很難準(zhǔn)確計(jì)算出柔性內(nèi)窺機(jī)械臂相對(duì)于EAST腔的位置。另外，用戶操作培訓(xùn)非常困難、耗費(fèi)資源，并且培訓(xùn)時(shí)影響托卡馬克的正常運(yùn)行。針對(duì)上述原因，面向EAST腔遠(yuǎn)程檢測(cè)開(kāi)發(fā)一個(gè)具有能計(jì)算出柔性內(nèi)窺機(jī)械臂相對(duì)于EAST腔位置、能進(jìn)行操作培訓(xùn)和其他功能(碰撞檢測(cè)、軌跡驗(yàn)證、3D顯示)的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)非常必要。

筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)面向EAST腔遠(yuǎn)程檢測(cè)的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)，采用高性能的開(kāi)源三維圖形渲染引擎OpenSceneGraph開(kāi)發(fā)。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)能工作在在線和離線兩種模式。在線模式虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)從柔性內(nèi)窺機(jī)械臂接收位置信息，并實(shí)時(shí)更新到仿真中，該模式提供了經(jīng)典虛擬仿真系統(tǒng)[4]的基本功能，例如實(shí)時(shí)查看場(chǎng)景中機(jī)械臂位置和實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)。在離線模式中提供了操作培訓(xùn)和軌跡驗(yàn)證的功能。另外，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)還提供了一些高級(jí)功能，例如3D顯示、增強(qiáng)虛擬的場(chǎng)景再現(xiàn)、從虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)中直接控制柔性內(nèi)窺機(jī)械臂。目前，該虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用到EAST腔遠(yuǎn)程檢測(cè)任務(wù)中。

1 柔性內(nèi)窺機(jī)械臂結(jié)構(gòu)介紹①

柔性內(nèi)窺機(jī)械臂是具有十自由度的宏微機(jī)械臂[3,5]，如圖1所示，宏臂部分包括關(guān)節(jié)1～6，其中兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、4個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)，主要控制機(jī)械臂進(jìn)出EAST腔體和在腔內(nèi)沿圓弧運(yùn)動(dòng)；微臂包括4個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，末端攜帶兩個(gè)監(jiān)控相機(jī)，微臂具有靈活的運(yùn)動(dòng)空間和高精度檢測(cè)的特點(diǎn)。

圖1 柔性內(nèi)窺機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

2 虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)采用高性能的開(kāi)源三維圖形渲染引擎OpenSceneGraph開(kāi)發(fā)，人機(jī)界面采用C++,運(yùn)行環(huán)境是Windows操作系統(tǒng)，為了取得更好的顯示效果，配置了專業(yè)的圖形工作站和3D顯示屏。

遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要分為本地端和遠(yuǎn)程執(zhí)行端兩部分。本地端與遠(yuǎn)程端通過(guò)LAN進(jìn)行通信，一方面，本地端發(fā)送控制命令給遠(yuǎn)程執(zhí)行端；另一方面，從遠(yuǎn)程端接收反饋回來(lái)的真實(shí)機(jī)械臂位置信息和相機(jī)圖像信息。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)安裝在本地端，系統(tǒng)從本地PC接收數(shù)據(jù)，例如：關(guān)節(jié)控制數(shù)據(jù)、EAST腔表面磚塊圖像數(shù)據(jù)、外部設(shè)備(3D鼠標(biāo)、鍵盤(pán))的輸入數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)發(fā)送反饋數(shù)據(jù)(碰撞檢測(cè)結(jié)果、警告信息)到本地PC。

圖2 遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的功能

3.1實(shí)時(shí)觀察場(chǎng)景(在線)

實(shí)時(shí)觀察場(chǎng)景是虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的一個(gè)主要功能，操作人員能利用該功能在視覺(jué)信息受限的情況下清楚地了解到柔性內(nèi)窺機(jī)械臂相對(duì)于EAST腔的位置，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)通過(guò)LAN接收柔性內(nèi)窺機(jī)械臂的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)更新虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)中機(jī)械臂的位置。控制系統(tǒng)獲取底層編碼器數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)換為柔性內(nèi)窺機(jī)械臂的位置信息，發(fā)送給虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)仿真中機(jī)械臂位置的實(shí)時(shí)更新。如圖3所示，操作人員通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)能知道柔性內(nèi)窺機(jī)械臂與EAST腔的相對(duì)位置。另外，通過(guò)鼠標(biāo)拖曳，操作人員能從任意角度查看虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的柔性內(nèi)窺機(jī)械臂的情況。

3.2實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)(在線)

實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)能確保機(jī)械臂安全工作。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示最短距離，當(dāng)柔性內(nèi)窺機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)會(huì)控制柔性內(nèi)窺機(jī)械臂停止運(yùn)動(dòng)，并且模型出現(xiàn)紅色閃爍提示操作者(圖4)。有了碰撞檢測(cè)的功能，就能有效避免操作者操作失誤損壞EAST腔。

圖3 實(shí)時(shí)觀察場(chǎng)景

圖4 實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)

如何提高碰撞檢測(cè)的速度是許多學(xué)者研究的內(nèi)容，在虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)中碰撞檢測(cè)的速度非常重要。該系統(tǒng)采用GPU加速技術(shù)和多線程技術(shù)，碰撞檢測(cè)達(dá)到了速度上的高性能，周期在10ms以內(nèi)。碰撞檢測(cè)基于GJK碰撞檢測(cè)算法[6]，GJK是一個(gè)快速計(jì)算凸體之間最短距離的算法。柔性內(nèi)窺機(jī)械臂和EAST腔體模型復(fù)雜(非凸體)，需要把模型剖分為凸體，系統(tǒng)是在SolidWorks中將模型剖分，這樣可以得到需要的凸體，方便優(yōu)化。

3.3操作培訓(xùn)(離線)

操作人員遠(yuǎn)程操作十自由度的機(jī)械臂之前必須進(jìn)行操作培訓(xùn)。在真實(shí)的EAST腔體進(jìn)行操作培訓(xùn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不僅影響腔體的正常工作，而且由于操作失誤可能會(huì)損壞腔體磚塊。因此操作人員可以在任何有電腦的地方進(jìn)行操作培訓(xùn)。

3.4軌跡規(guī)劃驗(yàn)證(離線)

當(dāng)規(guī)劃好的軌跡應(yīng)用到真實(shí)機(jī)械臂時(shí)，為了確保功能完整與工作安全，在虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)中首先進(jìn)行軌跡的驗(yàn)證顯得非常重要。當(dāng)開(kāi)發(fā)人員規(guī)劃出一個(gè)機(jī)械臂新的運(yùn)動(dòng)路徑，直接在真實(shí)EAST腔內(nèi)運(yùn)行是很危險(xiǎn)的，可能會(huì)損壞腔體和機(jī)械臂。然而，在虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)中可以非常簡(jiǎn)單地對(duì)規(guī)劃好的軌跡進(jìn)行驗(yàn)證。另外，在軌跡驗(yàn)證的過(guò)程中，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)可以計(jì)算出柔性內(nèi)窺機(jī)械臂與EAST腔的實(shí)時(shí)最短距離，利用這些信息可以對(duì)軌跡進(jìn)行優(yōu)化，確保安全。

3.53D顯示(在線和離線)

3D顯示能幫助操作人員提高臨場(chǎng)感。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了兩種3D顯示模式：基于紅藍(lán)眼鏡3D(圖5)和基于主動(dòng)快門(mén)式眼鏡3D。使用紅藍(lán)眼鏡時(shí)操作者只需要戴一個(gè)紅藍(lán)3D眼鏡即可，成本低。主動(dòng)快門(mén)式能大幅度提高臨場(chǎng)感，使用該模式時(shí)，除了一個(gè)主動(dòng)快門(mén)式眼鏡(例如英偉達(dá)3D視覺(jué)眼鏡)，還需要頻率達(dá)到120Hz的顯示屏和英偉達(dá)四核圖形顯卡。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)能根據(jù)需要快速地從一種3D模式切換到另外一種3D模式。

3.6虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)直接控制柔性內(nèi)窺機(jī)械臂(在線)

虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)能直接發(fā)送控制指令控制柔性內(nèi)窺機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，例如，操作人員如果想檢測(cè)EAST內(nèi)某個(gè)感興趣的區(qū)域，只需要在仿真中選擇相應(yīng)的區(qū)域，然后虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)可以控制柔性內(nèi)窺機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，如圖5所示。在虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)中選擇感興趣檢測(cè)的區(qū)域非常簡(jiǎn)單，只需要鼠標(biāo)點(diǎn)擊矩形塊的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)即可。

圖5 虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)選擇感興趣檢測(cè)的區(qū)域

3.7基于增強(qiáng)虛擬的場(chǎng)景再現(xiàn)(在線)

增強(qiáng)虛擬也被稱為混合現(xiàn)實(shí)，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是把真實(shí)世界的事物融入到虛擬世界，這樣人們可以通過(guò)虛擬世界感受真實(shí)世界。本虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)通過(guò)采用圖形學(xué)貼圖技術(shù)把真實(shí)EAST腔內(nèi)磚塊的圖片貼到仿真系統(tǒng)中的相應(yīng)位置。如圖6所示，柔性內(nèi)窺機(jī)械臂攜帶的相機(jī)可以獲取對(duì)EAST檢測(cè)非常有用的真實(shí)的圖像和視頻信息，然后通過(guò)圖像識(shí)別方法提取出有用的腔內(nèi)磚塊圖片，采用貼圖技術(shù)，把真實(shí)圖片貼到虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)中。

圖6 虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)貼圖

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為了測(cè)試虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的性能，采用圖7所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[7]和真實(shí)機(jī)械臂系統(tǒng)組成。

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)虛擬仿真系統(tǒng)的各個(gè)功能分別進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)不僅從虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的功能性(定性)方面進(jìn)行驗(yàn)證，還從性能指標(biāo)(定量)方面進(jìn)行了驗(yàn)證。圖8所示為碰撞檢測(cè)中最短距離計(jì)算時(shí)間的曲線，從圖中可以看出，周期時(shí)間大部分穩(wěn)定在3～4ms，計(jì)算保證在10ms內(nèi)完成，相對(duì)于運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的周期50ms，有效地保證了碰撞檢測(cè)的高實(shí)時(shí)性。虛擬仿真系統(tǒng)很重要的一個(gè)指標(biāo)是幀率，如果幀率低，會(huì)嚴(yán)重影響用戶的操作和體驗(yàn)，筆者對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的幀率進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試條件是場(chǎng)景模型全加載，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。幀率能達(dá)到65fps，最低幀率大于60fps，能給用戶帶來(lái)流暢的操作體驗(yàn)。通過(guò)上述定性和定量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了虛擬仿真系統(tǒng)的有效性。

圖8 最短距離計(jì)算時(shí)間

圖9 虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)幀率

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克(EAST)腔遠(yuǎn)程檢測(cè)可視化和安全性的需要，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高效的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用高性能的開(kāi)源三維圖形渲染引擎OpenSceneGraph開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)更新機(jī)械臂位置、快速碰撞檢測(cè)及操作培訓(xùn)等功能。目前，該虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用到EAST遠(yuǎn)程檢測(cè)任務(wù)中。通過(guò)進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)，該虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以更有效地在EAST遠(yuǎn)程檢測(cè)中工作，也可以在其他遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)中使用。

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DesignandImplementationofVirtualRealitySimulationSystemforEASTBlanketRemoteDetection

ZHOU Tao-tao, LU Jun-guo

(MOEKeyLaboratoryofSystemControlandInformationProcessinginDepartmentofAutomation,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

Considering the requirements for visualization and safety in experimental advanced superconducting Tokamak (EAST) blanket remote inspection, an efficient virtual reality simulation system was designed and implemented. The system developed by an open source high-performance 3D graphics toolkit (OpenSceneGraph) can update the position of flexible in-vessel inspection robot upon receiving the data from the control system. Though fast collision between the flexible in-vessel inspection robot and EAST blanket, the system can

2015-11-03(修改稿)

國(guó)家科技部國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃專項(xiàng)(國(guó)內(nèi)研究)(2012GB102001)

TH865

A

1000-3932(2016)07-0701-06