基于VR的机器人虚拟仿真伤害场景实验系统设计与实现.pdf

第55卷第2 期2023年3月智能物联技术Technology of IoT&AlVol.55,No.2Mar.,2023物联网技术与应用基于VR的机器人虚拟仿真伤害场景实验系统设计与实现李根,徐庶,肖舟晏,刘英杰,杨念顺（中国电子科技南湖研究院，浙江嘉兴，3140 0 2)摘要：目前市场上智能化服务机器人应用越来越广泛，针对机器人操作较为复杂且一旦误操作产生的伤害不可逆的问题，本文设计并实现了一种基于虚拟现实技术的机器人仿真系统。该系统能够让人身临其境地和机器人进行交互，熟悉如何操控机器人，避免实际应用中因操作不熟练而产生误伤。该系统可以对机器人的操作起到一定的训练和教育作用。关键词：虚拟现实；CAVE；虚拟仿真；Unity【中图分类号】TP183【文献标识码】A【文章编号】2 0 9 6-6 0 59(2 0 2 3)0 2-0 45-0 4Design and Implementation of Robot Virtual Simulation InjuryScenario Experimental System Based on VRLI Gen,XU Shu,XIAO Zhoumin,LIU Yingjie,YANG Nianshun(China Nanhu Academy of Electronics and Information Technology,Jiaxing 314002,China)Abstract:At present,intelligent service robots are widely used in the market.Robot operations are usually complicat-ed,and the damage caused by misoperation is generally irreversible.In this paper,a robot simulation system based on Vir-tual Reality(VR)technology is studied.This system allows people to interact with robots immersively,be familiar with howto control robots and avoid accidental injuries caused by unskilled operation in use.It can play a role in training and educa-tion of robot operation.Key words:Virtual Reality;CAVE;simulation;Unity人们带来了很大的困扰。虚拟现实技术的兴起为克0引言服这些缺陷提供了可能的解决方案，近些年来，得益于相关政策的支持，人工智能1基于VR的虚拟仿真实验系统的设计思路产业蓬勃发展。作为其不可或缺的领域一一服务机器人，因其用途十分广泛、形态多元而备受市场的关注。作为一种新兴的智能化消费品，智能服务机器人给人们的生活带来便利的同时，其操作相对复杂且一旦因误操作产生的伤害不可逆等缺陷也给收稿日期：2 0 2 2-11-2 5作者简介：李根（19 9 5-），男，河南周口人，硕士研究生，研究方向：虚拟现实；徐庶（19 8 6-），男，博士研究生，研究方向：智能无人体飞行算法；肖舟曼（19 8 0-），男，重庆人，高级工程师，研究方向：虚拟现实；刘英杰（19 9 7-），男，安徽阜阳人，本科，研究方向：软件架构；杨念顺（19 9 4-），男，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向：人工智能。基于虚拟现实的伤害场景实验系统构建，首先要根据用户需求进行内容策划与产品设计，然后通过建模、动画设计以及技术开发等环节完成产品的制作。最后，需要借助终端设备的呈现来实现人机45智能物联技术需求采集/行为数据反馈内容生产策划产品设计市场定位美术设计需求梳理交互设计上传发布制作模型制作技术开发终端十人机互动十1用户设备体验AR设备沉浸感VR设备交互性MR设备构想性图1虚拟现实内容制作过程Figure 1 Virtual Reality Content Production Process交互，如VR（Vi r t u a l Re a l i t y）端、AR(AugmentedReality)端等，用户可以沉浸式体验虚拟场景。通过用户的体验反馈进行需求的采集，再对产品设计进行优化，就使整个内容生产过程形成闭环。整个过程如图1所示。本文虚拟现实仿真方式主要分为两种，包括PC端和CAVE端。其中PC端VR指的是在Unity3D中模拟虚拟现实运行环境的一种方式，主要适用于开发人员在开发过程中的开发与调试。CAVE端VR指的是在虚拟现实投影系统中进行体验的一种方式，如图2 所示，主要用于体验者进行实验或测试，同样也可以在实验或测试的过程中发现存在的问题。图2 CAVE投影系统简图Figure 2 Schematic diagram of CAVE projectionsystem462机机器人虚拟仿真伤害场景实验系统设计实现2.1系统架构虚拟现实伤害场景构建由Cinema4D、3DMax、M a y a 和Unity3D等引擎共同完成。其中3DMax主要用来完成建模工作，Cinema4D和Maya主要用来完成动画制作,Unity3D主要通过编程实现伤害场景的构建。根据上一章的伤害场景构建需求可以将系统架构分为三层，分别为表现层、业务层和数据层。系统架构设计如图3所示。表现层是用户或开发者与构建的伤害场景交互体验的渠道。其中,PC端VR用于开发人员在开发过程中的开发与调试,CAVE端VR主要用于体验者进行实验或测试，以发现存在的问题。业务层是构建机器人伤害场景所需要做的主要工作。其中包括非功能性的准备工作,分别是机器人的建模、贴图、关键动画制作、人物模型的骨骼绑定和骨骼动画制作。在这些基本工作完成的前提下,在Unity 3D中进行伤害场景构建。伤害场景共有五种，场景中主要包括系统登录管理功能、语音提示功能、UI提示功能、交互功能以及碰撞检测功能等模块。其中，交互功能除了与家具或者一些小部件、开关门、开关电视以及UI的交互以外，最主要的是在Unity3D中引人Xbox手柄的接口，实现通过Xbox与机器人的交互，包括测、射线检测和数据管理功能。其功能结构如图4李根，徐庶，肖舟曼，等：基于VR的机器人虚拟仿真伤害场景实验系统设计与实现表现层业务层数据层Figure 3 RSystem Architecture Design Diagram机器人的移动、转动、发射水弹、发射激光等。语音提示是根据机器人所在的区域位置播放相关的录音进行场景介绍和提示。数据层主要负责VR实验数据的记录。其中包括注册登录时的用户信息收集、实验者在实验过程中的实验信息记录和调查问卷结果记录。2.2系统功能为了增强实验者的体验性，布置真实逼真的虚拟环境,构建较为完整的系统功能模块,其中主要包括注册登录、UI和语音提示、交互、碰撞检所示。注册登录功能用来管理用户的注册以及登PC端VR应用CAVE端VR应用机器人关键机器人建模机器人贴图人物模型人物模型骨骨骼绑定骼动画制作碰撞检测交互功能功能语音提示登录功能用户信息发射水弹数图3系统架构设计图录时保存的信息，如姓名、年龄等。UI和语音提示功能是以UI和语音的方式提示实验者在虚拟环境中实验时需要注意的操作事项以及对虚拟环境顿动画制作的介绍。交互功能是实验者与场景中的物体可以进行一系列的交互，如操作机器人移动、发射水弹、发射激光以及和场景中的家具进行交互，如开门、抓取物体等。碰撞检测功能是用来实时检测移UI提示动的模型与场景中其他物体是否发生碰撞，以免出现穿模现象而带来不良体验。射线检测功能是用来实时检测机器人发出的激光射线是否射中人，以及实时检测虚拟现实手柄是否和UI或者场景中的物体进行交互。数据管理功能是在数据库中记录实验时产生的数据，如实验者在实验过程发射激光数中发射的水弹数、激光次数以及给人造成的伤害类型。2.3应用实例本文设计的系统已在中国标准化研究院开展应用，召集儿童在CAVE虚拟现实投影系统进行实验，观察、培养和教育其使用机器人时的操作规范，如图5所示。3结语本文完成了基于VR的机器人虚拟仿真伤害场景实验系统的设计与实现。通过基于VR技术的智能服务机器人虚拟仿真伤害场景实验系统，不断召集用户进行实验，积累一定的伤害案例数据，可对以后的智能服务机器人进行不断改进、完善，并为相关生产企业对其产品的安全风险评估和提高机器人伤害场景VR实验系统UI提示、语音注册登录功能提示区域检测播放误操作警告注册交互功能机器人交互界面交互Figure 4 Functional Structure Diagram碰撞检测机器人与家具机器人与墙家具交互图4功能结构图射线检测机器人激光射线虚拟手柄射线机器人与人数据管理调查问卷答案发射水弹数发射激光数跌倒检测H仿真跌倒M用户信息M测(下转第6 2 页）.47智能物联技术明显变化。基下，采用光标上下参考线可监控到主波形的变化ESD（静电）方法验证时，通过BNC长线与示状态，再结合耦合波形放大展开与注人波形参数对波器连接，且示波器放置在4 米之外的隔壁房间进照，对样品的受干扰情况进行相对合理的分析和行监控，调整示波器不同时基（10 ms1s）,将光标上判定。下线置于波形上下沿，观察波形变化情况，耦合波形依然存在，监控信号波形无明显变化。通过DCC和ESD的两种测试及多种方法验证后发现：如测试中采取万用表进行电压监控的方式，因受其自身响应速度的制约，有些微小的电压变化万用表是无法监控到的；采用示波器监控的方式，无法彻底避免干扰波形耦合的现象，但可以根据实际情况采用最大程度避免或减少空间辐射干扰耦合，而且可以将示波器监控波形展开至合适时参考文献：1 GBT21437.3-2012有传到和耦合引起的电骚扰第3部分：除电源线外的导线通过容性和感性耦合的电瞬态发射 S.2 IS0 7637-3-2016 Road vehicles-Electrical disturbancesform conduction and couplingS.3 GB/T19951-2019道路车辆电气电子部件对静电放电抗扰性的试验方法 S.4IS0 10605-2008 Road vehicles-Test methods for elec-trical disturbance form electrostatic dischargeS.(上接第4 7 页）朋友，你觉得水弹的样子好看？人好看B不好看C没什么感觉图5应用实例Figure 5 Application example产品安全水平、为政府监管机构等开展相关产品的安全风险评估提供支撑。参考文献：1刘小春,张蕾.智能制造与机器人应用关键技术及发展趋势 J.现代农机,2 0 2 1(0 5):118-12 0.2董文清智能机器人的现状与发展 J机械制造，622019,57(01):36-38.3 谷新平.基于虚拟现实技术的车辆驾驶培训系统研究D.济南：山东大学,2 0 2 0.4陶永，王田苗，刘辉，江山.智能机器人研究现状及发展趋势的思考与建议 J.高技术通讯,2 0 19,2 9(0 2)：149-163.5 孙立功，赵百顺，金成江.虚拟现实技术发展及其军事训练应用浅析 .中国新通信，2 0 2 1,2 3（0 5)：2 8-2 9.