虚拟化的ATM机器

虚拟化的ATM机器（精选7篇）

虚拟化的ATM机器 第1篇

对信息技术学科而言, 课程的内容核心在哪里, 培养学生什么样的学科核心能力, 是学术界一直争论的问题, 这两个问题关系到信息技术学科的存在地位和发展。笔者经过思考和实践研究认为:从信息技术学科的学科特点来看, 本学科的内容核心是程序算法, 本学科培养的核心能力是信息技术的应用能力和信息技术的自我更新能力。

对于小学生和中学生而言, 程序算法比较枯燥, 传统的教学法很容易让学生失去学习的兴趣。因此程序算法的教学需要一个载体和工具, 而机器人正是学生非常感兴趣的学习载体。机器人融合了多种先进技术, 是中小学信息技术课程和综合实践课程的创新教育平台, 为信息技术教育带来了新的活力, 是培养创新型人才的有力抓手, 机器人校本课程开发是学生机器人学习体验的起点。

目前能够找到的机器人有三种, 价格从高到低分别为:高端实体机器人、低成本实体机器人、虚拟机器人。高端实体机器人的价格相对偏高;低成本实体机器人目前还处于发展初期, 各种硬件和软件都不太成熟;为了更好地普及机器人教育, 减少学校的支出成本, 最终我们选择了最廉价但很具有实用价值的机器人教育载体——虚拟机器人。老师们在探讨的过程中发现了一个很好的平台:中国儿童青少年威盛中国芯HTC计算机表演赛 (简称计算机表演赛) , 其中一个比赛项目是3D仿真机器人赛, 以虚拟机器人为载体, 软件是免费的, 可以很好地解决上述问题。

开发过程

计算机表演赛全国组委会邀请专家对北京市朝阳区中小学的信息技术教师进行了多次培训 (如图1) , 在培训的过程中, 教师们普遍感到这会是学生非常感兴趣的一种课程, 学生可以自己组装机器人, 然后通过编写程序让它完成一些有趣味的任务。但是对于缺乏编程基础的学生来说这可能有一定的难度, 部分老师在刚开始接触时也感觉通过短期的培训很难迅速掌握这个软件。后来就以计算机表演赛为平台, 逐步在一些学校开展虚拟机器人的校本选修课程。例如, 第十七中学的郝秀杰老师、陈经纶学校的刘中臻老师、陈经纶学校帝景分校的范晶老师等都率先在自己的学校开展了校本课程的研究。利用计算机表演赛组委会给出的程序样例, 教师和学生们共同研究竞赛地图和竞赛程序, 取得了一些初步的成绩, 范晶老师指导的参赛选手还获得了北京赛区一等奖的好成绩。

随着教师们的教学实践深入开展, 大家普遍感觉除了需要对机器人教学软件进一步学习和挖掘, 更需要对虚拟机器人的校本课程进行科学的规划和设计, 为师生提供一本合适的辅助教材。因此笔者组建了《虚拟机器人设计与实践》教材编写小组 (如下页图2) , 同时在计算机表演赛全国组委会的大力支持下, 借助浙江省信息技术教研员魏雄鹰老师、大兴一中汤震老师和众多一线教师的力量, 进行了教材的纲要编写。

在各位教师按时完成各章节编写后, 主编进行了认真审阅, 同时邀请相关专家把关, 形成初步的电子稿教材。北京市朝阳区选定了约十所实验校, 对电子稿教材进行试用, 通过一个学期的试用, 实验校教师对教材提出了不少改进意见。编写组针对教师的改进意见进行认真研讨, 并制定了改写方案。

在各位教师的努力下, 在各位专家的指导下, 本书最终成形 (如图3) , 并在北京市朝阳区作为选修教材供各学校使用, 各学校可以在此教材基础上, 根据本校的学生特点和学校文化, 进行进一步的开发。目前已有近二十所学校使用本选修教材开设虚拟机器人校本课程。

同时, 为了更好地发挥首都的教育优势, 促进教育均衡, 把我们的教育成果辐射到更多的地区, 计算机表演赛全国组委会又将本书以公益的形式捐赠到全国各赛区进行使用。高家园中学的穆颖老师作为教材编写组成员还在全区范围内讲了一节《虚拟机器人设计与实践》的公开课 (如图4) , 受到了教师们的好评。

开发意义

作为北京市“区级信息技术选修教材开发与应用研究”课题和“威盛中国芯HTC成长数字营”创新课堂项目的阶段性成果, 虚拟机器人校本课程的开发实践研究有着不一般的意义:它将传统的实体机器人虚拟化, 摆脱了实体机器人硬件材质和场地环境的限制, 减少了学校投入。它面对的是全体学生, 是真正的进入课堂的机器人教育, 而非以前只以比赛为目标的小众教育, 体现了全员性, 并为以后的实体机器人教育打下了良好的基础, 为新一轮课程改革提供了契机, 为培养学生的创新能力提供了有效支持。

《虚拟机器人设计与实践》校本课程以计算机表演赛中应用的3D仿真机器人软件进行教学示范, 系统地介绍了虚拟机器人的设计、搭建与仿真运行。内容安排由浅入深, 在讲解机器人的安装、基本移动方法、沿基本形状移动、沿轨迹行走、障碍检测等操作方法的基础上, 结合落地扇灭火、迷宫问题、图书馆查资料、畅游神州、火星寻宝等任务, 循序渐进地帮助学生掌握基本知识, 培养创新思维, 既可以作为中小学信息技术相关课程的有效补充, 也可以作为计算机表演赛的辅导选修课。

虚拟化的ATM机器 第2篇

电视是技术发展的产物, 技术发展也推动了电视发展。虚拟演播室和传统实景演播室比较, 可以提供更广阔的创作空间, 节约了实景制作搭建的成本, 还可以通过虚拟场景的灵活使用提高效率。因此虚拟演播技术在电视台得到越来越广泛的认可。但是在实践中, 虚拟演播室要实现出色视觉效果和高效率, 需要好的设计施工、虚拟场景设计合成和规范的制作工艺流程, 三者相辅相成, 缺一不可。

一大型机器人虚拟演播室设计

上海广播电视台技术运营中心, 根据集团高清战略规划和真实传媒有限公司 (纪实频道) 实际需求, 在2012年实施了频道高清升级改造。纪实频道目前独家运营台内纪实内容生产和整合营销, 是国内首个纪实类专业频道。面对激烈的市场竞争, 频道用户希望通过新技术运用和新规范的执行, 实现高清整体升级, 提升频道整体视觉形象, 吸引和留住目标收视人群, 从而稳定和提高业务发展水平。

演播室项目组和用户做了反复交流和思维碰撞, 把需求聚焦到高效率资源利用和高水准视觉形象这两点, 用多种手段加以满足。展开就是:

●考虑到纪实频道节目内容丰富多样, 囊括了自然与社会、历史与现实的各个方面, 虚拟场景要丰富多彩。虚拟场景设计在规范接口和美学标准的基础上, 对外开放;

●用户节目形式多样, 专业口述、访谈、纪实、新闻等都有。因此机位和布局要灵活可调, 流程合理, 使各档栏目都能方便地用上虚拟, 从而提高演播室利用率;

●原有标清制作渠道多样, 台内制作、台外制作、市场购买三分天下, 制作水平参差不齐。高清升级后要更高质量和高标准了, 还要统一视觉形象, 具有高频道辨识度。怎么办?答案就是:工艺流程和规范的全方位尝试。“放得开, 收得住!”“放得开”指录制背景和前景能随时用计算机渲染改变, 在一个演播室内5机位多类型跟踪平台玩出各种机位组合花样, 适合真实传媒所有栏目。“收得住”指能在一个质量体系管理下保持所有节目的高制作水准, 灯光有规范, 化妆有规范, 调像抠像等每个环节也有据可依, 有章法可循。环环相扣, 才能有高水准视觉形象。

经过对德国ZDF和日本NHK电视同行的考察, 借鉴了其先进的虚演技术和工艺流程。同时根据预算和需求, 决定将原有4机位实景演播室改造成为大型5机位高清虚拟演播室。

1. 虚拟演播区设计

该演播室位于上视大厦12楼和13楼, 演播区面积280平方米, 12楼和13楼打通以保持层高。12楼有灯控室, 13楼有机房和导控室。原演播室由新闻直播演播室改造而来, 建筑布局、层高、灯光上都有诸多局限。频道只能搭3个左右实景, 因此制作栏目有限, 制作效率较低, 不能完成频道所有栏目的录制。

根据虚拟技术需求, 对演播区进行了全新的设计和改造。演播区全虚拟设计, 用整体大绿箱涵盖各档节目需求。绿箱采用三个立面和地面围成的大型“U”型绿色箱体, 面积达到120多平米。满足从主持人单录到《名医话养生》、《我要找律师》等栏目多达7位嘉宾的大型访谈的各档虚拟录制需求。绿箱区右侧布置了设备区, 有利于摄像机安置和布线。对灯控室进行了扩建, 增加了电脑调光、机器人摄像遥控等工位。演播区布局如图1所示。

对配套绿箱、地平、演播室声学、实景结合等也进行了多项设计和优化, 保证了虚拟录制工艺的完整性。例如在绿箱工艺上, 为使演播室布光容易, 墙面角的角度大于90度, 避免光线在墙壁间互相反射。墙地角采用圆角, 减少直角引起的明暗差异。地平上采用了环氧树脂平整工艺, 整体的落差小于3cm, 能够满足多种型号机器人的行走需求。演播室建筑声学方面, 加强了门的隔音性, 对混响进行了优化。绿箱中设计了中央演播区, 制作和部署了大型可旋转的平台, 以及具有突出频道视觉形象的曲面组合桌, 使受众能从荧幕上一看到这张台子, 就知道是纪实频道的节目。

2. 虚拟跟踪等设备应用

系统设计中, 一个重要的内容是跟踪方式选择, 另一个重要环节是虚拟产品选型。各厂商产品功能都很强大, 也各有特点, 经过反复比较, 最终选择了傲威的产品。包括PROSET跟踪和控制系统、Maestro播出系统、5通道的渲染引擎和3Designer设计软件等构成。系统的组成框图如图2所示。

主持人在绿箱中表演, 摄像机拍摄的图像一路送数字色键器, 从画面中去掉绿背景部分, 并给出对应的键信号。虚拟场景生成系统根据节目需求制作虚拟场景, 借助虚拟实时渲染系统根据摄像机和云台相关控制参数, 实时变换虚拟场景。前后景、视频源等最终合成在一起。与传统的色键抠像技术不同, 真实摄像机 (视频拍摄) 和虚拟摄像机 (计算机运算) 同步互锁, 为此真实摄像机参数要实时传递给虚拟摄像机中。

虚拟摄像机要获得真实摄像机运动的七大参数:真实摄像机的X、Y、Z的位置和推拉、摇移、俯仰、聚焦的信息。常用的跟踪方式包括:机械跟踪、红外跟踪和网格识别。综合考虑用户需求和场地限制, 纪实虚拟演播室采用全机械跟踪方式, 包含:

●2台机械云台 (固定云台) 摄像机, 由摄像手动操作;

●2台机器人云台, 包含电动设备和编码器, 具有高可靠性和高精度, 摄像远程遥控操作, 可编程操作。机器人云台的运用, 解决了访谈类节目的视向问题。一般访谈类采用45度的视向夹角, 通过机器人云台可以使嘉宾和主持的视角更对着镜头, 贴近和电视观众的交流;

●1套机械跟踪摇臂, 增加了节目录制的灵活性, 增加了镜头画面的动感和多元化, 给镜头画面增添了磅礴的气势和纵深空间感。

实景和虚拟的匹配是虚拟技术的难点。5台不同格式摄像机跟踪信息的一致性和匹配度是最终决定虚拟前景效果是否真实完美的重要因素之一。将摇臂、机器人、固定云台三种跟踪手段的坐标系统一起来, 才能达到完美的跟踪效果。在应用中, 以机器人摄像机初始化基准点作为跟踪定位的参考原点, 将机械云台、摇臂距离参考原点的X、Y的偏移距离作为跟踪数据的偏移量, 调整此偏移量, 最后使固定云台、机器人和摇臂各自的坐标轴匹配到重合, 跟踪于同一个点。

在实际校正中, 如果虚拟物体的相对位置与实际布景的位置没有重合, 只是在某个角度上在视觉重合, 这种情况的发生直接导致摄像机在做推、拉、摇、移动作时虚拟场景的严重偏移。我们首先在虚拟场景中设定一块Z轴位置为坐标0点的参照地板, 当虚拟场景的Z轴与实际布景的Z轴固定重合后, 才能快速准确地匹配X、Y轴, 从而使虚拟前景的跟踪更为精确。

机器人摄像系统也是首次使用到上海台的虚拟演播室系统中, 实现了虚拟节目高度智能化和自动化。在具体的虚拟试镜和调整过程中, 对用户也提了相关技术建议:固定云台机位栏目位置相对固定, 因为挪动后跟踪的调整需要一定时间。机器人云台有数根电缆和墙壁的固定接口箱相连, 因此移动有一定的区域限制, 录制前需要合理编排机位, 设计好镜头和运动轨迹。摇臂居中, 可以左右兼顾。通过系统优化, 整体跟踪调试缩短到15分钟左右, 大大提高了不同栏目换景的效率。

虚拟系统还有个重要的技术环节, 就是色键抠像设备的选择。项目采用了电影级别的独立抠像设备, 保证了画面的细腻和清晰度。

3. 虚拟演播室灯光系统设计

虚拟演播室布光和传统演播室存在一定区别, 在实景演播室着重景和主体之间光比的控制, 而意在抠像的虚拟演播室则不同, 更强调对绿箱的均匀布光。因此在中央演播区的上方, 布置了4个1.8米×1.8米的灯箱。对灯光吊杆高度的要求是能将地面和墙面的绿箱以相近的光比照亮, 这样可以避免抠像后的图像地面与背景部分颜色深浅不一。主灯采用了可调的三基色光源。

虚拟演播室使用色键抠像, 因此, 要消除蓝箱反光对主持人的影响就需要立体的布光。先布置前景光, 后对蓝箱布光:对于柔光灯发光面积大, 在蓝箱上产生一定的泛光现象, 需要细致调整。另外前景物体的边缘如果被照射得较亮, 容易被色键处理消除而显得发黑, 需要对前景施加少量的侧光来消除。

对人物布光时, 由于纪实频道较多访谈类节目主持人和嘉宾是以坐姿出现, 要注意灯光在人身上和桌椅上的均匀照射, 避免由于衣服皱褶、或桌椅局部无光照而带来的“抠透”现象。阴影处理是虚拟抠像的一个重要技术细节。应注意的是主光灯的高度和人物的位置, 灯光要保持足够高的角度来使阴影落在地面上而不是背景墙上。有时地上的阴影太重影响抠像效果, 可以对地面打一些辅助光予以消除。为了更好地表现真实感, 在访谈区安装了大型底座和灯带, 阴影效果较真实。总之, 虚拟演播室的布光照射越全面、越均匀, 抠像的效果越好, 人物和装置在虚拟场景中的感觉越真实。同时演播室也需要达到合适的照度, 使摄像机的光圈能够控制在4.5~5左右, 以达到较好的成像质量。

新灯光系统配套的轨道、灯架系统也重新设计、施工, 方便了灯光调整和维护。一些细节对制作也非常重要, 原有演播室湿度和恒温条件也无法满足虚拟演播室灯光散热等需求, 因此对空调排风系统加以改造。演播室效果如图3所示。

4. 虚拟演播室“定妆”和“定景”

“定光”以后, 还要考虑“定妆”和“定景”。项目设计了专业化妆间, 考虑了绿箱具体环境和化妆匹配等细节。并对化妆工艺进行了优化, 解决了高清拍摄脸部敷粉不均匀的问题。

我们和栏目编导、频道艺术总监一起对具体的场景也作了设计, 场景设计分为访谈类和站播类两大类。

在站播类配置2机位, 主持人可以从右上区域向左移动, 充分利用蓝箱的长度, 营造一个虚拟大屏幕。机器人摄像机, 可以跟随主持人移动, 拍摄主持人中近景。摇臂, 拍摄带大屏的全景, 以及高机位的景别。

访谈栏目的场景设计, 中间摆放一些装置和道具, 主持人和嘉宾分列而坐。1号机为固定机位, 主要拍摄主持人。2号机位为固定机位, 主要拍摄该访谈区的全景。3、4号机位为机器人云台, 主要拍摄嘉宾。摇臂为整体调度。

5. 虚拟演播室流程与规范

之前的“三定”满足后, 还增加了“四定”, 定“流程和规范”。虚拟和实景相比, 各团队和工种的协作程度更高, 因此需要更科学严格的流程和规范。对于虚拟场景设计, 规范了场景的技术和美学要求, 开放给各个设计团队。优化了机器人虚拟演播室的工艺流程, 配置导播、技术导演、艺术总监等岗位, 制订虚拟演播室操作手册, 虚拟前后期接口规范, 内容和技术的接口规范, 从而提高制作效率和质量。场景设计和节目录制按照对应接口衔接, 整体艺术效果由艺术总监负责, 技术导演负责调光、音频等技术工艺和设备把控, 导播负责栏目组、灯光、摄像的把控。技术导演和导播实现无缝对接。虚拟录制流程图如图4所示。

同时演播室支持专业蓝光和多格式文件化两种收录流程, 制作对应录制规范。结合后期非编系统的素材预览和挑选功能, 提高了大批量素材的上载效率。

二演播室应用情况

专业和专注结出硕果。经过近一年时间的摸索、设计、施工和试运行, 大型多机位机器人虚拟演播室已于2012年底顺利建成。“画面让人眼前一亮!”这是编导、主持、摄像、相关领导、专家和电视观众的一致看法。多达8档节目的录像都在该演播室进行, 包括访谈、主持人单录、大型对话类、新闻连线准直播等形式。演播室利用率明显提高, 和传统比提高了2倍。新的虚拟场景和现场核心的合成效果图见图5、图6。

三 结论

“虚拟”技术成功助力“真实”传媒。该演播室的顺利建成, 有效地提升了纪实频道在制作环节的视觉表现力和生产效率。同时, 技术运营中心也积累了宝贵的大型虚拟演播室建设经验, 也为上海广播电视台树立起一个专业性、合理性兼备的高清虚拟演播室典范。虚拟演播室设计实施的难点包括:整体设计如何避免“短板”;“虚实”如何有效结合;“收放”如何“自如”等。核心是需要不断地规范和平衡, 不断地优化。项目建成不是技术的终点, 而是新挑战、新机遇。技术团队、设计团队要跟客户共同互动、碰撞出设计, 探索新的节目样式、表现形式, 然后共同探索找到答案。能实实在在地提升电视内容生产的专业水准, 也是我们广电人的心愿。

摘要：随着计算机和虚拟现实 (VirtualReality) 技术的不断进步, 虚拟演播室已经成为当今电视节目制作技术的一个热点。虚拟演播室技术含量高, 配套环节众多, 而且工艺要求较严格和规范。本文结合上海电视台纪实频道系统高清改造项目实践, 对于大型多机位机器人虚拟演播室的设计、实施和应用遇到的问题, 提出一些见解和思考。

关键词：虚拟演播室,机械跟踪,色键抠像,三维虚拟,节目包装

参考文献

[1]“东方卫视新演播室虚拟技术应用与实现”顾礼华《影视制作》2011年12月

[2]“文件化工作流程在现场制作中的应用”吴兵《现代电视技术》2011年7月

[3]“在线虚拟技术应用全面提升视觉感受”赵晔李杨赵晓阳《影视制作》2012年5月

机器人与虚拟现实 第3篇

和虚拟现实相比, 移动互联网就像过家家玩具。

特斯拉工厂的机器人

特斯拉, 一款纯电动汽车, 不仅具备了全新的动力系统, 而且生产这样一辆汽车的整个流程都由机器人完成。组装中心, 全部是机器人。每一个机器人都可以完成多种动作, 整个过程流水线运营, 机器人与机器人之间无缝对接。

组装车间, 安装挡风玻璃

组装车间, 安装座椅

发动机的精细加工

一个机器人就能独立搬运车架

教育联想....................................................

其实不仅仅是特斯拉汽车工厂采用了如此多的机器人, 许多汽车生产商也都使用机器人, 只不过特斯拉在整个过程中运用得更加极致一些。

当设计完成, 机器人按照设计重复完成各种复杂操作, 并按照一定的生产步骤加工生产, 甚至整个生产加工的过程不需要人力的参与。这的确是非常了不起的事情。

科技一直都在倒逼着我们思考“人存在的价值, 学习的意义”。旧的工种会消失, 新的工种会不断涌现, 因而, 我们需要更强的学习能力去适应这种更急剧的更替, 更需要积极主动地思考, 在这样的技术支持下, 我们可以生发出哪些不一样的思考方式和实现路径。

Oculus Rift重塑“现实”更进一步

Oculus Rift DK2于3月刚刚发布, 不过由于严重供不应求, 连海淘都买不到。这款VR设备在画面优化、互动体验和空间交互上有了显著的提升。最让人期待的是, 我们可以在一个小空间内走动并改变视觉中的视角, 这使沉浸式的体验更加逼真。

Rift的跟踪工作原理是利用定位在用户面前的红外摄影机。此相机跟踪自身的一组红外灯, 允许它确定其所在三维空间中的位置。只要相机能够看到三个Rift的指示灯 (嵌入和围绕的显示框, 背面带的三角形部分) , 就能够跟踪。 (位置跟踪:能够在某一空间内来回走动时跟踪需要的体验)

教育联想..........................................

什么是“真实”, 不过是大脑给你的电子信号而已。现实中, 人类通过感官能够感觉到的信号依旧是有限的。我们也只不过是读取有限的真实。

虚拟化的ATM机器 第4篇

为了突破这一瓶颈, 出现了虚拟机器人教学, 但国内的虚拟机器人教学系统并不成熟。众多开发厂商为了能快速开发出产品, 采用了C#作为开发语言。但基于C#开发的系统并不支持跨平台功能, 尤其是当下移动传媒流行的年代。此外, 这些系统虽基于C#的.net开发, 但并未实现真正意义上的联网功能, 互动是机器人最重要的功能之一, 没有互动功能的机器人就像是脱离社会的人类单体, 因此这样的教育系统具有严重缺陷。

如今, 移动平台的开发较为流行, 所以本文的系统基于C++开发, 以Ogre作为三维渲染引擎, 通过NVIDIA Phys X物理引擎进行加速。其中Ogre能较好地支持Android和i OS这两大主流手机系统。此外, NVIDIA也支持Android和i OS。

针对上述情况, 本文提出和实现了一款类似目前主流大型网络游戏的虚拟机器人教学系统。该系统采用开源引擎Ogre进行机器人的渲染显示, 用NVIDIA Phys X物理引擎进行加速, 并以TCP作为网络通信协议。该系统不但满足了未来多人在线比赛的需求, 且其采用的引擎均具有良好的跨平台性, 易于手机等移动平台移值。

1 三维虚拟机器教学系统的实现

1.1 虚拟机器人教学系统的需求分析

机器人教育是指通过组装搭建运行机器人, 激发学生学习兴趣、培养学生综合能力。机器人教育系统经历了从传统的实体机器人教育到如今虚拟机器人教育的第二个阶段。

实体机器人教育系统是指学校或个人通过购买像乐高、纳英特等实体机器人设备来进行教学和研究。这种教育模式在我国存在已有约7年时间, 但其推广和普及始终缓慢。实体机器人教学系统价格昂贵, 只有发达地区的部分学校拥有实体机器人教学系统, 且数量有限[2]。

虚拟机器人教学系统相比实体机器人教学系统而言具有成本低, 易于更新等优点。但虚拟教学机器人系统开发难度大, 系统必须提供创建虚拟机器人功能, 此外还要提供创建类似真实世界的虚拟场景功能, 最终就要展示机器人在实时世界的运行情况。因此, 虚拟机器人系统通常可分为3个主要功能模块:机器人搭建模块、场景搭建模块和机器人仿真模块。

用户启动系统后可以选择进入机器人搭建界面、场景搭建界面和机器人仿真界面进行相应的操作。机器人搭建模块主要是负责机器人的组装和用于仿真的物理参数设置;场景搭建界面的功能类似于机器人的搭建;机器人仿真模块则主要负责根据用户搭建的机器人和场景的物理参数通过Physx物理引擎进行物理仿真, 从而模拟实体机器人在真实世界中的运动效果。

1.2 系统架构的设计

本系统采用面向插件的设计, 相比传统虚拟机器人而言, 本系统具有以下优势: (1) 易于后期功能的扩展和维护。 (2) 易于各功能模块的并行开发[3]。当系统趋于成熟后, 能为了提高系统的画面渲染效果加入Shader特效;为了增加系统的沉浸式效果可能会加入机械手臂、数据手套等力反馈设备;为了能用于用户间竞赛的需要加入联网功能等。虚拟教学系统作为虚拟现实的一种应用, 其未来的发展方向是多样的, 而基于插件的开发模式使得本文系统易于对以上功能的添加和扩展。同时使得各开发人员可并行开发各个功能模块而不相互影响, 如机器人搭建功能的开发, 场景搭建功能的开发和网络功能的开发可同时进行, 且开发人员只需将这些功能模块开发成插件即可。

1.3 搭建机器人模块的具体实现

搭建机器人模块不但具有组装成部件的功能, 且还需有组装新组建的功能, 此外该模块还要提供部件或组建可根据安装点自动调整方位的功能。系统通过Ogre来具体实现该模块功能。

Ogre以变换节点Scene Node类管理Entity的平移、缩放和旋转, 对应的成员变量是m Position、m Scale和四元数m Orientation, 其代表了该变换节点相对于父节点的偏移量。Entity表示实体模型, 由美工制作。Scene Node-Root为场景根节点、平移、缩放和旋转为初值, 无变化效果。Scene Node-Part A管理部件实体Entity-Part A。Scene Node-A1表示部件A的1号安装点变化节点, 其m Position事先存于xml表中, m Scale和m Orientation为初值, 该节点不可被程序更改。

下面以将部件B安装到部件A为例, 描述该功能的实现过程。在部件A和B组装前, 其的变化节点均挂在根节点Scene Node-Root下。当其完成组装后, B部件的变化节点将从根节点断开, 挂到A部件的1号安装变化节点下, A、B部件在组件中的节点关联图如图1 (a) 所示。假设部件A的1号安装点朝向为dira1, B的1号安装点朝向为dirb1。令Scene Node-Part B变化后的m Position和m Orientation分别为posx和orix, 则可得如下关系式

其中, oria和posa表示Scene Node-Part A的m Position和m Orientation, 可直接获取;posa1和posb1表示部件A和部件B的1号安装点相对于其部件的位置。其中四元数之间的“*”表示四元数的积, 四元数右乘向量表示将向量进行旋转, 其旋转角度等于四元数所表示的角度。式 (1) 表示, 在世界坐标系下, A部件1号安装点的朝向和B部件1号安装点的朝向相反, 式 (2) 表示, A部件安装点在世界坐标系下的位置和B部件的安装点位置重合。

简化式 (1) 和式 (2) 可得如下关系式

式 (3) 和式 (4) 可理解为在A部件1号安装变化节点形成的局部坐标系下, 两个安装点反向重合。

图1给出了组件安装前后的节点关联树, 左图左子树表示将B部件装到A部件形成的AB组件, 右子树表示将D安装到C部件形成的CD组件。右图是将D部件2号安装点装到B部件2号安装点形成的新组件关联图。从图中可知, 需要移动的节点是部件C的变化节点, 所以只需计算新的Scene Node-Part C的m Position和m Orientation。其计算公式如下

上式中dirb2和dird2分别表示B、D部件的2号安装点朝向;posd和orid表示D部件变化节点的m Position和m Orientation;posc1和posd2分别为C部件的1号安装点和D部件的2号安装的m Position;而posx和orix则表示C部件的m Position和m Orientation, 即要求的值。

2 多人在线功能的实现

系统网络部分主要通过互联网, 实现多人同台竞技, 其整体框架如图2所示。根据实时竞技游戏特点, 系统网络部分采用的通信协议为TCP/IP协议, 确保信息的可靠发送。服务器作为整个框架的核心, 其主要作用是监听客户端, 对每个客户端, 创建相应子线程进行信息处理并转发。客户端实时记录本机机器人当前信息, 并将信息上传至服务器, 同时接收、解析服务器所转发的信息, 并在本机进行信息展示[4]。

2.1 服务器的实现

服务器的主要功能是信息的验证及转发。其工作流程如图3所示。

服务器启动后, 初始化套接字等, 并监听客户机请求, 当得到连接请求后, 创建子线程用以处理该客户机。子线程实时接收客户机信息, 并根据信息类型进行相应处理:

(1) 用户登入信息:客户机登入时, 向服务器发送登入请求, 服务器查找数据库中是否存在该用户, 将结果返回, 客户端根据反馈数据进行登入操作界定。对于成功登入用户, 服务器将其IP地址进行保存, 退出登入界面后, 启动游戏程序。

(2) 游戏准备:用户选择场景、组别及组内编号后, 准备游戏, 客户机向服务器发送游戏准备信息, 服务器根据客户机IP地址将其信息进行记录, 以便进行实时游戏数据的定向传输。当游戏取消或结束时, 客户机发送信息绑定取消数据包, 服务器则将相应的IP绑定信息清除。

(3) 实时游戏:在竞技开始前, 服务器接受同组竞技的各客户机的机器人信息, 接着查询场景数据得到其他同组竞技客户机IP地址, 并将其转发至这些客户机, 最终实现同步所有机器人信息。竞技开始后, 服务器主要接受各客户机在本机对其自身机器人的仿真结果, 通过服务器将信息实时转发至与该客户机进行同组竞技的其余客户机, 最终实现机器人信息的同步。

(4) 用户登出信息:客户机登出后, 向服务器发送登出请求, 服务器将该客户机所对应的IP地址进行删除。

2.2 客户机的实现

客户机的单机部分功能上述已介绍过, 为了实现多人同台竞技, 客户机还需与服务器进行通信, 其工作流程如图5所示。用户登入游戏, 客户机向服务器发送认证请求, 成功登入后, 用户选择场景, 进入组别并进行游戏准备或启动时, 客户机向服务器发送本机的场景、组别、组内编号信息, 服务器将相应的IP地址与客户端游戏信息建立映射;游戏启动完成后, 进行游戏初始化, 主要是接收服务器所转发的其他同组客户机机器人信息, 并进行展示;在游戏过程中, 客户机实时发送本机机器人运动信息并通过服务器转发至其他同组客户机, 并接受服务器所发送的其他同组客户机信息, 再进行实时展示;当游戏结束或准备取消时, 客户端向服务器发送消息, 撤销IP与游戏信息的映射绑定。再用户登出游戏后, 客户机向服务器发送断开连接信息, 并结束联网操作。

3 系统运行结果

系统针对家用机而设计, 所以对PC配置的要求不能过高。下图为本文系统在CPU为I5-2415M, 集成显卡为HD Graphics3000笔记本上的运行效果[5,6,7,8]。

图4为利用上述原理实现搭建机器人的效果。图5为文中利用图4搭建的机器人基于Physx物理引擎模拟的仿真效果, 其物理设置简单, 两辆车子在各自马达的驱动下相向行驶, 发生碰撞产生了攀爬, 轮子大的机器人先翘起, 最终被轮子小但重量大的机器推翻。图5为该仿真是帧数效果, 从图中可知三角形个数接近1万, 在Physx物理几乎全开的情况下在集成显卡笔记本上可实现62帧的流畅效果。

4 结束语

相比国内其他类似系统, 本文系统有以下优势:系统不但实现了单机部分功能, 且还实现了国内相似软件尚未实现的网络竞技功能。其中单机功能相比国内较为成熟的商业软件, 操作上更灵活, 组装也更加智能。其单机部分功能已完成测试。

同时, 相比国内成熟的系统, 本文系统也有以下不足:采用C++作为开发语言, 增加了系统的开发难度, 延长了系统的开发周期, 增加了系统的开发成本。网络部分功能只考虑了校内局域网功能, 并未考虑广域网的多人在线情况。目前可同时连接300用户到一台家用PC模拟的服务器中, 但无法同时支持300个机器人在同一场景中的仿真模拟。此外, 本系统还未正式投入市场, 故欠缺市场考验, 系统仍处于研发和测试阶段, 还需进一步完善。

摘要：传统的机器人教育需依赖昂贵的实体机器人, 不但成本高且不易于更新换代。为降低成本, 相关学者提出了虚拟机器人教学系统。文中提出了一种新的三维虚拟机器人教学系统, 该系统基于Ogre三维图形渲染引擎采用C++开发, 通过引入NVIDIA PhysX物理引擎, 用户能在该系统中模拟机器在真实世界的运动情况。并最终通过在客户机之间传递机器人的运动信息, 实现了多人在线功能。

关键词：机器人教育,虚拟现实,人机交互,多人在线

参考文献

[1]徐爱平.让智能机器人教育进入中小学[J].机器人技术与应用, 2004 (1) :14-16.

[2]党保生.虚拟现实及其发展趋势[J].中国现代教育装备, 2007 (4) :94-96.

[3]ERICH G, RICHARD H, RALPH J.设计模式:可复用面向对象软件的基础[M].北京:机械工业出版社, 2007.

[4]CG实验室, 王鑫, 罗金海, 等.PC游戏编程:网络游戏篇[M].重庆:重庆大学出版社, 2003.

[5]张学武, 何玉钧.基于WiFi的远程视频传输智能机器人设计[J].电子科技, 2013, 26 (2) :4-6, 10.

[6]谭灵焱, 吴军, 文先益.自平衡人形机器人动作控制器的设计[J].电子科技, 2010, 23 (12) :35-38.

[7]曾彦淞, 王忠民, 王晨.基于WiFi的移动机器人视频监控系统[J].西安邮电学院学报, 2012, 17 (4) :87-91.

虚拟化的ATM机器 第5篇

并联机器人,由于其具有刚度高、承载能力大,精度高(积累误差较小)、速度高、活动构件重量轻,结构紧凑,控制简单等优点,因而受到国内外机器人学和机构学学者的广泛关注。一些国家已经做出了用于生产实际的并联机器人,收到了良好的实用效果。国内也有部分单位研制出了样机,为我们提供了进一步研究的对象。

本文研究的拥有三个平移自由度的3RRC并联机器人,由于其机构简单,可以以其为对象进行一些代表性问题的研究,如位置模型的建立,位置逆解的解算等。本文还以3RRC为对象建立了虚拟样机,验证了理论分析结论。

2 3RRC并联机器人位置模型

2.1 3RRC并联机器人机构

本文所研究的3RRC并联机器人机构[1,2]如图1所示。该机构由三部分组成:1)上平台△DEF,为运动平台;2)下平台△ABC,为固定平台;3)连接上下平台的3个平面支链A1B1C1、A2B2C2、A3B3C3。上下两平台为相似三角形,其所在空间平面平行,各对应边均平行。三支链所在平面垂直于上平台和下平台,且同时垂直于相应的边。如支链A1B1C1,其所在平面A1B1C1与AC边垂直。此支链是由两段连杆A1B1和B1C1通过转动副R连接构成,两端C1和A1分别通过圆柱副C和转动副R与上下平台相连接,3运动副的轴线相互平行,且平行于AC。另外2支链与支链A1B1C1有相似的结构形式。

2.2 建立坐标

分别以A1,A2,A3为原点建立图2.1所示的坐标系。其中,Xi=1,2,3)轴与相应的边平行,方向如图1所示;Zi(i=1,2,3)轴垂直向上Yi(i=1,2,3)轴的方向按照右手原则确定。选择A1X1Y1Z1坐标系为固定坐标系,其他两个坐标系为参考坐标系。

图1中,Φi表示连杆AiBi与Zi轴正向之间的夹角,以从Xi轴负方向看,逆时针方向为正;θi表示连杆BiCi与Yi轴正向之间的夹角,其正负的判断方法与Φi相同,Iii表示连杆的长度。

2.3 建立位置方程

图1中,选择与下平台相联的3个连杆A1B1,A2B2和A3B3为主动件,由3个转动输入为机构的输入变量,输出变量为上平台沿固定坐标系三个坐标轴的移动变量。

以D点作为上平台的代表点,设其在固定坐标系A1X1Y1Z1中的齐次坐标为o1P,在坐标系A2X2Y2Z2和坐标系A3X3Y3Z3中齐次坐标分别为o2P和o3P,则

式中:v1,v2,v3代表各圆柱副的移动位移;d为D点到边EF的垂直距离,如图1所示。

参考坐标系到固定坐标系的齐次转换矩阵为:

式中Xo2,Yo2是A2点在固定坐标系中的X和Y方向的坐标值;Xo3,Yo3是A3点在固定坐标系中的X和Y方向的坐标值。β=α+β1。

在三维几何空间中,一个点的位置坐标在同一个坐标系下是唯一的,所以D点在两个参考坐标系中的坐标值向固定坐标系转换之后应与D点在固定坐标系中的坐标值相等。因此,得到位置分析方程组:

方程组中(2-2)中,Φ1,Φ2,Φ3为输入变量;X1,Y1,Z1,为输出变量;θ1,θ2,θ3,v1,v2,v3均为中间变量。其余参数都是与结构有关的,结构一旦确定,它们将是确定的。

将(2-2)式展开,从中消去各中间变量得到输入输出方程组,即3RRC的位置模型方程。

3 3RRC的位置控制

机器人机构的控制分为动作规划级控制和驱动机构的执行级控制。动作规划的任务就是将要求达到的机器人位置和姿态信息综合成各关节的动作指令,这实际上是一个机器人机构的运动学逆解问题。而执行级的控制就是根据所给出的各关节的指令值,完成快速而准确的驱动机构的伺服控制。

由于轨迹规划就是运动学中的逆解问题,我们可以根据需要的动平台的轨迹曲线,通过机构位置模型方程的逆向求解,计算出主动角的轨迹曲线,把它作为机构驱动装置的输入指令来控制各关节的运动,从而让上平台按照所设计的轨迹运动,完成其工作任务。

3.1 位置模型的逆解

在方程组(2-3)中,当已知输出变量X1,Y1,Z1的值,求输入变量Φ1,Φ2,Φ3的值,即为位置逆解计算。

展开方程组(2-3),经过整理和简化可以得:

式中,

3.2 位置控制的算例

以实现移动平台△DEF的空间直线运动和空间螺旋运动为例,求3条支链的主动控制角Φ1、Φ2、Φ3的轨迹。

空间直线和空间螺旋线的参数方程分别为:

其中,给定α=10,ω=0.2rad/s,v=2mm/s。分别带入位置模型逆解,求出需要的主动控制角曲线,如图2和图3所示。从图中可以看出,在两运动的主动控制角的位置曲线都是连续和光滑的。

在实际应用中,大多数运动曲线无法用闭式的参数方程来表示。此时,可以通过曲线逼近的方法来解决,其中使用三次样条函数曲线是最常用的一类方法,可参看相关文献中的详细论述。

4 3RRC的虚拟样机设计和仿真

近年来,虚拟样机技术[3]的出现和发展,极大缩短了产品研发的周期,降低了开发成本,并使开发人员对市场需求的响应更加灵活。相对于传统的设计开发方式,有许多无法比拟的优点。基于虚拟样机的设计主要分为4个步骤:1)三维建模,2)添加运动副、约束和驱动;3)仿真试验;4)性能验证。当发现性能不能满足设计需求时,需重新修改模型设计参数,检查在各步骤是否有错误发生等等。整个流程反复进行,直到样机达到需要的性能指标。即使产品已进入了物理样机的制作阶段,也可能发现有问题,需要重新投入虚拟样机的修改。这都遵循产品研发制造的基本规律。

虚拟样机的三维建模需要在3维建模软件里进行,后3个步骤主要在机械运动学和动力学软件里完成。目前,产品设计领域中,最流行的3维建模软件是UG和Pro/E,其他软件从功能的完备程度和使用的普及程度两方面都无法与它们相提并论。最知名的机械动力学分析软件ADAM[4,5]也提供了部分三维造型建模功能,可实现简单的三维造型。由于它强大的运动和动力学分析功能,一般用来搭建虚拟样机的运行和验证环境。目前,因为大部分机械样机都需要结合控制来进行设计,所以ADMAS也提供了与控制工程软件Matlab的数据接口。

如图4所示为在ADAMS中建立好的虚拟样机,其三维建模在UG中完成。

在建好3RRC的虚拟样机上控制主动角,使上平台沿预想的轨迹运动。

(1)实现直线运动

使上平台沿直线:

运动,初始点为(100,5,50)。根据前文方法,进行运动逆解,可得相应的主动角驱动函数。上平台在此主动角驱动下的运动仿真结果如图5所示。

(2)实现螺旋线线运动

使上平台沿直线:运动,初始点为(100,5,50)。根据前文方法,进行运动逆解,可得相应的主动角驱动函数。上平台在此主动角驱动下的运动仿真结果如图6所示。

5 结论

本文针对3RRC并联机器人机构,建立了其位置模型方程;进行了位置逆解计算,求出主动角驱动函数,使上平台可按预想轨迹运动;设计了简单的虚拟样机系统,在其基础上进行了仿真实验,验证了前文分析的部分结论。

摘要：建立了3RRC并联机器人的位置模型，对位置模型进行了位置逆解的解算，以3RRC为对象的虚拟样机设计和仿真，验证了理论分析结论。

关键词：并联机器人,位置逆解,仿真,虚拟样机

参考文献

[1]黄真．并联机器人机构学理论及控制[M]．北京：机械工业出版社．1997．

[2]杨廷力．基于单开链单元的欠秩并联机器人机构型综合的一般方法[J]．机械科学与技术．2001(5)：321～325．

[3]郑建荣．ADAMS虚拟样机技术入门与提高[M]．北京：机械工业出版社．2001，11．

[4]李军，邢俊文，覃文杰．ADAMS实例教程[M]．北京：北京理工大学出版社．2002，7．

[5]陈立平，张云清，任卫群等．机械系统动力学分析及ADAMS应用教程

虚拟化的ATM机器 第6篇

模型三维环境可视化技术软件有许多,而采用虚拟现实技术完成模型可视化的方法,因其技术本身有修改虚拟环境容易、操控方便、可与软件(如Matlab、VC等)结合编程的优点,而得到广泛应用。Matlab是一种高性能数值分析数学软件,深受工程技术人员的青睐。随着版本的不断升级,工具箱的功能也逐渐丰富,从Matlab 6.1开始增加了虚拟现实工具箱[1,2,3]。当前许多软件都支持VRML文件的输出,如CAD、UG等,也可以结合像JavaScript一些脚本语言混合编程共同使用。将虚拟现实技术用于Matlab软件中,不仅展现环境中真实、沉浸、交互的特点,而且能够体现Matlab程序运算的快速性、驱动模块化、命令调整参数化的优点,真正实现实时仿真控制,克服了传统动画播放模式带来的弊端,这对工程领域来讲具有更实际的适用性。

本研究基于下肢康复机器人的控制问题,提出一种在实时环境下实现虚拟现实控制的方法。

1 康复机器控制系统工作原理

根据远程治疗过程中对康复机器控制参数调整和对机器人工作情况及训练过程参数监控的需求,设计出了基于网络的康复机器人远程监控系统,如图1所示。主控机用来实现对康复机器人的实时控制、视频图像训练信息的来源进行采集和Internet网络交互数据。客户机可以在有互联网的环境下的任何地点,通过视频在线操控虚拟样机和回馈参数监视康复机器人的运行状态,给康复机器人发送命令,并在线调整康复机器人的控制参数。

主控机和客户机上的虚拟样机在线同步运动,其作用主要有以下2个方面:①为患者做康复治疗之前,虚拟样机离线运动模拟康复机器人的训练过程,以验证输入控制系统是否合理;②康复治疗过程中,虚拟样机在回馈信息的驱动下与康复机器人同步运动,用来监测机器人的运动状态,同时可以监测控制命令,调整康复机器人的工作状态。由于虚拟样机驱动只需要少量的回馈信息,所以传送数据的时间短,具有较好的实时性,可以弥补视频图像传送时间上延迟的不足。

下肢康复训练机器人由往复式运动机构和踝关节姿态控制机构组成,机构包括左腿机构和右腿机构,两部分按180°相位关系呈对称式布置。其工作原理图,如图2所示。在工作过程中往复机构带动受训者双腿做屈伸运动,实现髋关节和膝关节的运动训练。同时,踝关节机构以一定运动规律带动踝关节转动,从而实现了下肢各个关节的运动训练和腿部肌肉的锻炼。通过控制系统根据患者身高和患病情况的不同来控制往复行程和转角范围的大小,来满足患者的训练要求,合理地完成每个训练过程。其机构实图,如图3所示。

2 下肢康复机器人虚拟现实建模

虚拟现实的建模可以通过虚拟现实建模语言(VRML)建模,大多数VR模型的建立是通过VRML语言在编辑器界面下直接建模,VRML最基本的组成要素是节点,节点是对客观世界中物体、位置、对象、文本、声音、空间场景及颜色等所有一切的描述,每一种命令都有其本身的节点语法,将所有节点编辑后形成节点集[4]。简单的模型可以通过这一传统方法建模,但在机械工程领域中大多数模型结构是非常复杂的,不是简单模型的罗列,各零件间又有装配要求,导致了用VRML直接建模的复杂程度。所以,结合三维绘图软件建模的方法是简单可行的[5]。

在Pro/E运行环境下建立模型三维图形,保存副本类型为stl。将导出的模型导入到3DSMAX,导入时可以适当增加平滑角度,以增加视觉感染力,在3DSMAX下根据具体要求对模型进行相应的编辑(如:修饰、渲染、纹理等),使模型更加美观逼真,导出3DS文件,最后将3DS文件在编辑器中打开并另存为wrl格式,生成VRML文件。

打开模型每部分的wrl文件,用Group节点把一体的模型块编辑到一起,运用Transform节点语法编辑模型平移或转动的空间位置坐标,运用Viewpoint节点采用V-Realm Builder工具界面场景树Viewpoint节点编辑试点,运用Background节点增加空间背景,运用Appearance节点修改每一模型纹理节点和颜色节点,运用Text节点加上必要的文本说明,编辑工作完成后命名保存。关于VRML各节点语法与使用可以参考相关书籍,最终未展开的主程序程序如下[6](其中G1到G27是系统模型的命名):

3 Matlab虚拟场景仿真实现

在Matlab命令窗口键入vrinstall-install viewer;vrinstall-install editor安装工具箱[7]。启动Matlab工具箱VR模块,将VR Sink拖拽到命名好的新建Simulink框图程序中,双击模块打开对话框点击Browse将已经编辑好的虚拟现实文件导入到模块当中,对话框右端会出现该文件的目录树,目录树中包含编辑好wrl文件的所有节点,每一层的最高级节点又称父节点都能够展开子节点,根据仿真要求对进行控制的每一级子节点打“√”,点击OK,再次双击VR Sink模块就出现相应模型的虚拟画面了,连接控制框图设定参数,若要观察模型那部分的运转情况,应用VR Source连接示波器,运行Simulink程序图,如图4所示。观察仿真过程,如图5所示。

4 结束语

本研究基于卧式下肢康复机器人工作原理对患者康复训练时系统整体进行了虚拟仿真,并运用三维建模导出进一步编辑成VRML文件的方法,将虚拟现实技术应用到Matlab中,通过虚拟现实模块组建仿真模型。

该方法不仅能突出Matlab控制的实时性又能体现虚拟场景的视觉感染力,有效结合两种软件各自优点,还可以进一步应用于远程交互或实时控制上,在工程领域上有着广泛的应用。

参考文献

[1]张家祥,方凌江,毛全胜.基于Matlab 6.x的系统分析与设计———虚拟现实[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.

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[3]苏金明,王永利.Matlab图形图像[M].北京:电子工业出版社,2005.

[4]张金钊,张金镝,张金锐.虚拟现实三维立体网络程序设计语言VRML———第二代网络程序设计语言[M].北京:清华大学出版社,2004.

[5]LEA R,MATSUDA K,MIYASHITA K.Java for 3D andVRML Worlds[M].New Riders Publishing,1999.

[6]AMES A L,NADEAUD R,MORELA J H.VRML资源手册[M].宗志方,李晖,谭江天,译.北京:电子工业出版社,1998.

遥操作机器人虚拟现实系统研究 第7篇

在灾害现场、空间探索与海底作业等人类难以到达的环境下工作,需要使用能让人坐在安全的地方操纵机器,让机器在危险的地方工作的遥操作系统。使用高度逼真的临场感反馈有助于操作人员更好地执行作业任务。在各种感觉反馈信息中,视觉信息反馈是最重要的一环。在使用视频反馈的同时,利用实时的虚拟现实技术可以有效解决视觉信号延迟[1]及工作现场摄像机数量和位置受限的问题[2]。由此,操作者可以获得更加全面、准确的信息,极大地提高系统的工作性能。

1 系统组成与原理

在虚拟现实系统中,同时使用多种临场感的信息反馈有助于临场感的提高和任务的执行[3]。本系统具有多种临场感信息反馈,包括视频反馈信息、虚拟现实系统、力反馈信息以及运动状态跟随等。

本系统虚拟现实场景的主要功能是通过调整照相机和视频系统实现更有效的视觉反馈。系统结构如图1所示,该系统主要分为操作者进行操作的主系统和远端机器人进行工作的从系统两大部分。主系统的PC1负责对工程机器人进行控制以及各分系统之间的信息传递。力反馈操纵杆和机器人通过PC1结合起来,以操纵杆的变位为主控制量和机器人活塞的位移为从控制量建立起带有力反馈的主从操作系统,PC1还负责控制操作者身下的运动台,通过由机器人传来的运动信号产生跟随运动临场感。计算机PC2负责视觉信息生成,工程机器人的液压缸的位移信号通过PC1实时输入PC2,使虚拟环境中的机器人产生与机器人同步的运动。通过3D立体摄像机可以得到操作对象物体的信息,工作现场摄像机的视频信号通过局域网实时输入PC2,PC2将根据3D立体摄像机的信号进行图像处理,并完成物体重构;再将虚拟环境的影像和视频信号通过投影装置发送到屏幕,操作者可以同时看到两种图像。

2 虚拟现实场景的构建

2.1 工作对象物体重构

工作对象物体重构是本系统的重要组成部分。在本系统中,为了保证操作系统的实时性,只在PC2中对3D立体摄像机传过来的图像信息进行分析,通过提取的信息在虚拟环境中生成形状较为简单的物体来代替工作对象物体,真实物体的形状可以通过视频信号来判断。通过物体重构,我们可以在虚拟环境中对与工作对象物体的位置、体积和形状大体相同的物体进行操作,这对提高虚拟环境的真实性具有重要作用。

图2说明了工作对象物体重构的全过程,详细内容可以参阅文献[2]。

2.2 碰撞检测

在虚拟环境中,需要对虚拟的工作对象物体进行推动、抓取和搬运等操作,在完成这些的过程时,需要对机器人的叉手端点和工作对象物体进行碰撞检测。本系统的碰撞检测采用简单的点与面的碰撞算法,将工作对象六面体外部设为正域,内部设为负域,当叉手顶点穿越正负域之间时即发生碰撞。在叉手顶点与物体顶端发生碰撞时,叉手将无法向下移动;当叉手顶点与单一的侧面发生碰撞时,表示在对物体进行推动,物体将进行平移运动;在两端分别与相对的两个侧面发生碰撞时,表示叉手抓取了物体,物体将跟随叉手一起运动。

2.3 视点工作方案设计

在本文中,我们采用了单视图和多视图两种工作方案。通过多视图方案,我们可以根据视点的位置通过多个视点进行观察元素的构建。为了创建合理的多视图方案,在窗口中通过鼠标和调节器分别对每个窗口的视点位置方向进行调节。调节完成后,可以将窗口和视点的信息完整地存储在一个信息文件中,方便以后调用。本系统的多视图方案操作十分简单,即使是没有编程经验的操作者也可以轻松地获得理想的视图方案,有助于本系统的普及使用。

图3(a)所示为一个在实践中非常有效的三视图式工作场景,可以从顶部及左、右3个方向对操作现场进行观察,理论上完全没有视觉死角,极大地扩展了操作者的观察视野。图3(b)所示为一个常用的单视图,观察点在操作者的位置。

3 评价实验

为研究虚拟现实系统对遥操作系统性能的影响及两种工作方案优劣,进行了如下实验:

3.1 实验过程

在A、B、C三个区域里依次进行如下三个步骤的实验:

(1)初始时在B处和C处各放置一个混凝土块。首先将C处的块搬运到A处,然后将B处的块堆在已经放在A处的块上面。

(2)初始时在A、B、C处各放置一个混凝土块。首先将A处的块堆在B处的块上,然后将C处的块搬到A处,最后在把堆在B处顶端的块搬到C处。

(3)初始时在B处和C处各放置一个混凝土块。首先把C处的块搬运到A处,然后把B处的块搬运到C处,再把A处的块搬运到B处。

依此类推,将会分别搬到A、B、C的空白处,共计搬运8次。进行实验的操作者具有丰富的操作经验。

3.2 实验评价标准

评价指标共包括工作效率和危险性指标两个。

(1)工作效率:测出平均每分钟移动的混凝土块的数量。

(2)危险性指标:本实验所用的危险性指标评价标准共有两个———平均接触力Fc和总接触时间tc。tc是接触力超过规定阈值的区段内的时间总和,Fc是在tc时段内的接触力的平均值。总接触时间tc和平均接触力Fc的值越小,工作越安全。

3.3 实验结果

工作效率实验结果如图4所示,图中横轴是实验项目,纵轴是工作效率(Obj/min,平均每分钟进行的操作步数)。纵轴的值越大,每分钟搬运的次数越多,工作效率越高。其中1为只用CCD摄像机进行视觉反馈的工作结果,2为引入虚拟现实场景采用单视点工作的结果,3为采用多视点工作的结果。

危险性指标实验结果如图5所示,本文采用的危险性指标是平均接触力Fc和危险时间tc。tc是接触力超过一个固定阈值的时间的总和(s);平均接触力Fc是在时间tc内所有力的平均值,此处得到的平均接触力Fc为一个与标准量进行比较所得的无因次化的值。

由实验结果可知,实验2和3的结果均优于实验1,可见虚拟现实系统提高了遥操作系统的工作性能。实验3的结果优于实验2,表明采用多视图方式比单视图方式的性能更为优越。

4 结语

本文介绍了在一种遥操作系统中使用的虚拟现实环境,采用图形重构生成工作对象物体,通过简单碰撞检测实现对工作对象物体的搬运操作,通过使用多视图等观察方式为操作者提供可选择的多种工作信息,方便了操作者观察。实验证明,这种虚拟现实环境可以实时地再现并模拟工作现场的工作状况,提供比单纯的视频反馈更为有效的视觉反馈,大大提高了遥操作系统的工作性能。

参考文献

[1]Nguyen L A,Bualat M,Edwards L,et al.Virtual Reality Interfaces for Visualization and Control of Remote Vehicles[J].Autonomous Robots,2001,11(1):59-68.

[2]李连中,翟敬梅,何海洋.机器人虚拟仿真及远程控制系统的研究及实现[J].计算机工程与应用,2016,52(13):238-242.