基于虚拟现实的机械臂控制系统设计与实现分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：郝麒萱（2001），男，汉族，陕西榆林人，本科，中国矿业大学（北京），研究方向为机械工程。-1-基于虚拟现实的机械臂控制系统设计与实现分析 郝麒萱 冯 曦 靳锦龙 韩佳明 雷康伟 中国矿业大学，北京 100083 摘要：摘要：随着经济社会的进步发展，现代科学技术的发展也取得极大的成果。就目前来看，装配行业机械臂设备应用极为普遍，这不仅提高了装配效率，而且降低了人力成本，减少了人力资源消耗。机械臂与智能化技术的高效结合是机械臂目前乃至未来很长一段时间的发展方向，所以为了实现虚拟现实的数字孪生，提高智能化机械臂的应用效果，需要不断深入开展实验分析。所以，本文主要以数字孪生的智能装配机械臂作为研究对象，通过不断研究，创建一个智能装配数字化孪生实验系统，希望这一系统可以为智能创造相关行业以及实验教学提供帮助。关键词：关键词：STM32；机械臂；控制系统；虚拟现实；数字孪生 中图分类号：中图分类号：TP241 最近几年，计算机技术以惊人的速度飞速发展，VR 也顺势拓展了应用领域，目前在航空航天、科学研究、医疗卫生、生活服务等领域均有广泛应用1。现阶段存有许多在复杂、恶劣环境下的采煤作业、焊接作业，例如核电设备检修、盾构机的刀盘维修等，这些作业安全系数低，会威胁工作人员的人身安全，如果利用机器人进行这些高危险系数的焊接作业，那么可以最大程度保障工作人员的安全。但是机器人并不能完全胜任高难度的工作，基于这一情况，机械臂作为高端且实用的机器人，弥补了传统机器人的不足，可以在危险环境中行 VR 操作，不仅实现了焊接机器人高效率的工作，还降低了工作人员的工作风险，在国内外均受到广泛关注2。1 虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）1.1 什么是 VR 虚拟现实技术指的是人们通过计算机建立一个与现实环境完全相同的三维虚拟环境，通过传感设备将人代入这一虚拟环境的新型技术。在 1994 年世界电子科技论坛上提出 VR 的“3I”特征：（1）沉浸感(Immersion)。沉浸感通过字面意思可以了解，指用户沉浸其中（本文主要指虚拟环境），通过科技设备让用户感知到逼真的环境。用户甚至无法分辨虚拟环境的真假，因为其与真实环境完全相同。（2）交互性(Interaction)3。通过科技设备将用户带入虚拟环境，在这一环境下用户并不是单方面的感知和观看，虚拟环境中的物品可以带给用户真切的感受，通俗讲可以作用于用户，而且用户可以在虚拟环境中操作其看到的物品，例如椅子，用户甚至可以真切感受到椅子的重量。（3）想象力(Imagination)。虚拟环境给用户真实的体验感，用户大脑产生风暴，对环境的真实性展开思考和联想，这是沉浸于虚拟环境的必要条件。1.2 VR 的应用场景 1.2.1 轨迹规划和优化 许多企业已经开始利用VR将工业人机器人映射于虚拟环境中，通过在虚拟环境中施以模拟操作来完善机器人的控制程序，在煤炭行业中，机械臂通常用于矿井和采煤作业。通过数字孪生技术，可以模拟操作环境和采煤过程，优化机械臂的轨迹和动作，提高采煤效率和安全性。这也能够大大提高生产效率和质量，而且可以节省人力。但目前来看，应用工业机器的企业数量较少，日后会逐渐扩增。1.2.2 故障预测和维护 数字孪生机械臂能够通过模拟和分析，预测机械臂的故障和损耗情况。在煤炭行业中，机械臂经常需要长时间工作和承受重负荷，容易出现故障和磨损。通过数字孪生技术，可以实时监测机械臂的状态，提前预测故障并采取维护措施，减少停工时间和维修成本。1.2.3 虚拟培训和技能提升 数字孪生机械臂提供了虚拟培训的机会，操作人员可以在虚拟环境中进行机械臂操作的模拟和训练。通过模拟真实的工作场景和操作过程，操作人员可以中国科技期刊数据库 工业 A-2-提前掌握操作技巧和培养反应能力，提高工作效率和质量。1.3 远程操作机器人与 VR 的研究历程 1.3.1 国外 相比较之下，国外对于先进技术和科技的研究总是早于我国。最早在 20 世纪 50 年代，美国便开始研究机器人操作与 VR，其中比较著名的代表是原子能委员会研发的主、从机械手4。在美国的大量研发之后，20 世纪 90 年代西方国家开始迎来热潮，西澳大利亚大学的 Ken Taylor 和 James Treveblyen 两人通过网络技术实现了远程控制机器人手臂抓取和移动物体的功能，而且还可以通过机器人本身携带的摄像机将其周边环境和位置传输给用户5。还有美国宇航局 NASA 实验室利用虚拟现实技术对哈勃太空望远镜进行仿真，用来对操作人员进行训练6。1.3.2 国内 较国外相比，国内此类研究开始较晚。最早是 1993年的哈尔滨工业大学实验室，作为行业的先锋，其建立的自主式遥控机器人焊接实验系统，可以完全由机器人完成，这是我国机器人领域的一大突破7。北京航空航天大学开发了分布式虚拟现实应用系统与运行支撑环境-DVENET，随后以此为基础研发了大量虚拟现实程序，这些程序一经问世，在军事演练系统得到广泛应用8。2 数字孪生（DT）技术 数字孪生（Digital Tain，DT）技术是一种先进高科技技术。充分利用虚实结合，主要通过结合现实情况和物理数字表示，以此来构建一个虚拟模型，两者之间的关系是相互对应的，即数字孪生9。DT 技术目前主要广泛应用于工业领域，主要将其用于模拟产品生命周期，这一技术可以帮助工作人员实时掌握产品的全过程。DT 技术可以实现仿真真实系统，模拟出一个虚拟的与真实系统完全一样的系统，通过对虚拟模型开展研究并预测其行为和性能，映射出真实系统存在的问题并制定针对性解决方案。DT 技术的关键是建立精确的模型和实时传输数据的功能。3 系统方案的整体设计 3.1 三维建模 本研究的虚拟现实系统是基于 Unity 3D 引擎设计的，与其他孪生平台相比，Unity 3D 平台具有可开发性高、可视化性佳、实时性好、交互性优等特点。但是这一系统存在一定弊端，例如需要在 Unity 3D 平台实现操控，所以不能享其它系统一样对机器人进行整体建模，而是需要实际考察机器人的自由度和运动情况，进行局部建模，这也是这一系统的一大局限。3.2 机械臂控制系统工作原理 将 unity 中的模型编号通过 socket 代码送入Python 中，读取 STM32 中的舵机生成编码，转译为unity3D 模型所需要的控制代码，实现实控虚。（未来将实现 STM32 与 ESP8266 相连，然后将串口通讯代码改为 WiFi 传输，由此实现无线通信。）具体结构如图 1所示。注：Python 是一种多范式，通用，解释的高级编程语言。Python 允许程序员使用不同的编程风格来创建简单或复杂的程序，获得更快的结果并编写代码，就像用人类语言说话一样。图 1 机械臂控制系统工作原理示意图 3.3 机械臂 六轴机械臂模型:STM32控制板，ZP20S舵机、PM15D舵机组成的六轴机械臂运控制系统。图 2 机械臂展示图 中国科技期刊数据库 工业 A-3-3.4 机械臂系统功能 机械臂硬件部分是整个系统的基础，如果没有硬件的支持和指导，机器人无法自主运动，硬件在整个系统中起到关键的决定作用。控制系统的主体采用两级计算机分层结构进行设计，上机位主要使用 PC 机来代替工控机，因为 PC 机有着较强的存储能力、运算能力，而且具有较为丰富的外部接口，这便于上下机位行数据交换，而且 PC 机可以以 Windows 系统为基础为用户提供可视化界面。下位机采用基于 STM32 嵌入式微处理器，STM32 型单片机拥有丰富的片上资源，所以它可以同时控制最多 6 台电机，而且具备 RS232、USB转串口等资源，支持与上位机和编码器等设备之间的通信。本文介绍的机械臂运动控制系统功能：（1）先进的处理器芯片，支持工业机器人高速运算；超强的关节控制能力，可以实时处理机械臂关节轴反馈信息10。（2）具备完整且全面的外部通信接口等外设设备，可以实现信息的快速高效传输，控制伺服电机转动。（3）模块化的设计思路，可以保证单自由度到多自由度等不同控制场合的需求。3.5 碰撞检测功能的实现 在机械臂虚实映射系统中碰撞检测功能是非常关键。机器人的碰撞检测功能是一项必要功能，与人类相比，机器人是不可视的，只能感应，所以碰撞检测功能可以避免一些不必要的碰撞和接触，保障任务顺利进行。碰撞检测功能依靠两点：一是机器人与环境物体之间的距离小于规定值时机器人会发出特定颜色光照，将这一规定距离设为最小值；第二，如若机器人与环境物体发生碰撞，立即停止机器人的工作并发出特定颜色光照。在 Unity 3D 中，当包围盒出现相交、处于相交状态和相交状态取消时，会分别调用 OnTriggerEnter（）、OnTriggerStay（）、OnTriggerExit（）三个函数，在碰撞时需要将执行的逻辑分别加入至这三个函数，完成碰撞检测功能11。4 讨论 传统机械臂多为开环的指令式系统，但这样弊端显著，比较常见的是可控性差和控制精度低，所以为了最大程度改善，基于 STM32 设计了闭环反馈机械臂控制系统，此次实验结果表明，这一控制系统的设计是有效的。此外，这一系统预计将实现无线传输，需要将 STM32 与 ESP8266 相连，然后将串口通讯代码改为 WiFi 传输，由此实现无线通信。串口转无线通信的优点有以下几点：首先无线传输灵活性和保密性更强，随插随用，可以加速信息传输；其次成本较低，无需系统维护；最后无线传输是发展的趋势，未来将首选无线传输。但目前为止串口转无线 wifi 应用较少，主要目前现阶段技术尚未完善，且推广应用带有一定困难。5 总结 基于虚拟现实的机械臂虚实映射系统以 STM32 作为核心芯片，以 unity 为操作系统，通过核心芯片发挥其控制作用，不但成功实现与上位机的交互，顺利完成工作任务，而且可以人工控制多路电机运行。这一控制系统可以平稳运行，满足整体需求，改善传统机械臂的弊端，功能显著。参考文献 1黄磊.基于虚拟现实的水下机械臂遥操作仿真系统研究D.镇江:江苏科技大学,2022.2王帅.基于 Unity3D 的机械臂虚拟交互平台系统的开发D.大连:大连交通大学,2018.3周赟.基于虚拟现实的机械臂遥操作系统研究D.武汉:华中科技大学,2009.4Zhao J,Gong Q M,Eisensten Z.Tunelling through a fre-quently changing and mixed ground:A case history in SingaporeJ.Tunnelling and Underground Space Technology,2007,22(4):388-400.5霍明霞,齐文炎.基于增强现实的机器人遥操作系统J.福建电脑,2010,26(4):120-121.6Latlian C E,Tracey M.The Effects of Operator Spatial Perception and Sensory Feedback on Human-Robot Teleoperation PerformanceJ.Presence,2006,11(4):368-377.7唐奥林.面向主从式微创外科手术机器人的遥操作运动控制策略研究D.上海:上海交通大学,2014.中国科技期刊数据库 工业 A-4-8吴俊君,陈海初,张清华,等.基于数字孪生技术的智能制造实训教学模式研究J.工业和信息化教育,2022(2):72-76.9张志鸣.现代模具设计与制造教学实训中虚拟现实技术的应用J.模具制造,2012(03):11.10耿强.基于 Unity3D 的多平台虚拟仿真关键技术研究D.天津:天津工业大学,2016.11Matthias L,Katharina K.Content creation for a 3D game with Maya and Unity 3DC.Proceedings of CESCG 2011:The 15th Central European Seminar on Computer Graphics(non-peer-reviewed),2011.基金项目：矿山机械及智能化课程体系建设，中国矿业大学（北京）2022 年教改重点项目（项目编号：62906906）；中国矿业大学（北京）大学生创新训练项目（项目编号：202204068）。