機(jī)械臂遙操作任務(wù)的顯控界面的實現(xiàn)

機(jī)械臂遙操作任務(wù)的顯控界面的實現(xiàn)作者：趙正旭左宗成申躍杰鐘謙來源：《計算機(jī)時代》2019年第04期機(jī)械臂3機(jī)械臂4載臂相機(jī)開始是否符合要求結(jié)束創(chuàng)建機(jī)械臂計算點和面數(shù)量紋理貼圖導(dǎo)出成.3DS文件圖2開始是否符合要求結(jié)束創(chuàng)建機(jī)械臂計算點和面數(shù)量紋理貼圖導(dǎo)出成.3DS文件圖2建立機(jī)械臂模型的流程圖?優(yōu)化點數(shù)和面數(shù)烘焙新建機(jī)械臂規(guī)劃保存機(jī)械者規(guī)劃機(jī)械皆規(guī)劃手動規(guī)劃控制機(jī)械臂珈虬新建機(jī)械臂規(guī)劃保存機(jī)械者規(guī)劃關(guān)節(jié)1角度：0關(guān)節(jié)2角度：0一關(guān)節(jié)3角度：-180關(guān)節(jié)4角度：-180圖3機(jī)械臂參數(shù)設(shè)置面板摘;要：探月工程中利用遙操作技術(shù)來控制機(jī)械臂在月面采樣有著十分重要的作用。為了保證機(jī)械臂操作人員高效的完成操作機(jī)械臂的作業(yè)，使用Autodesk3dsmax軟件建立機(jī)械臂模型，采用Qt搭建控制機(jī)械臂運(yùn)動的控制界面，結(jié)合OpenSceneGraph建立虛擬仿真環(huán)境，完成整個顯控界面的搭建，通過機(jī)械臂關(guān)節(jié)的值，觀測仿真環(huán)境中機(jī)械臂的狀態(tài)。結(jié)果表明，顯控界面能夠滿足機(jī)械臂操作員精確控制機(jī)械臂的基本要求。關(guān)鍵詞：機(jī)械臂;探月工程;OpenSceneGraph;遙操作中圖分類號：TP319;;;;;文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A;;;文章編號：1006-8228（2019）04-40-04Abstract：Inlunarexplorationproject,itisanimportantrolethatcontrolsthemanipulatortosamplelunarsoilbyteleoperation.Inordertomakemanipulatoroperatorscompletethetaskofcontrollingmanipulator,thedisplayandcontrolinterfaceisbuiltbyusing3dsmaxtocreatethemanipulatormodel,andusingQttocreateacontrolinterfacetocontrolthemanipulatormovement,andthevirtualenvironmentisbuiltwithOpenSceneGraph.Thustheconstructionofthewholedisplayandcontrolinterfaceiscompleted.Byadjustingthevalueofmanipulator'sjointthestatusofthemanipulatorinthesimulationenvironmentisobserved.Thetestresultsshowthattheinterfacecanmeetoperators'needsofcontrollingmanipulatoraccurately.Keywords：manipulator;lunarexplorationproject;OpenSceneGraph;teleoperation0引言遙操作是在上世紀(jì)六十年代由Johnson和Corle在“TeleoperatorandHumanAugmentation”技術(shù)報告中提出的，但是目前對遙操作的具體概念有不同的定義［1-2］。薛書騏、姜國華等人認(rèn)為遙操作意指在控制回路中操作者和操作對象（末端執(zhí)行器）之間相隔一定的物理距離，操作者需要根據(jù)攝像頭圖像或傳感器反饋信息等方式來對操作對象進(jìn)行控制的操作［3］。美國NASA認(rèn)為遙操作是一種可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制的人機(jī)系統(tǒng)，用于開發(fā)人的反應(yīng)機(jī)制、操作能力和運(yùn)動動力;歐美宇航局認(rèn)為遙操作是借助遙控，實現(xiàn)遠(yuǎn)方接收信號的機(jī)械裝置執(zhí)行相應(yīng)的機(jī)械活動。國外利用遙操作控制機(jī)械臂已經(jīng)完成了很多空間探索的任務(wù)，如美國的海盜號”在早期就完成火星表面土壤的初次采樣;之后發(fā)射的“鳳凰號”有在火星表面就地采樣并分析火壤的組成成分;“好奇號”在火星表面順利完成了收集火星表面土壤樣本、鉆石鉆孔采樣任務(wù)，并利用機(jī)械臂末端儀器對樣本進(jìn)行分析。我國探月工程分為“三步走”，分別為“繞”、“落”、“回”，目前我國已經(jīng)順利完成了“繞”和“落，，兩個重要階段并利用遙操作技術(shù)成功執(zhí)行相關(guān)的探測任務(wù)。而最后，回，，這一階段的主要任務(wù)是在月球表面進(jìn)行無人采樣并安全返回地球，這一階段的成功實施將會標(biāo)志著我國探月工程“三步走”計劃圓滿成功。而在整個探月工程中，遙操作技術(shù)是其中一項不可或缺的重要技術(shù)，是地面和月面通信的橋梁。如在“嫦娥三號”任務(wù)中，通過遙操作技術(shù)控制“玉兔號”分別完成了巡視器的導(dǎo)航定位、月面地形重構(gòu)、行駛路徑規(guī)劃和機(jī)械臂探測等關(guān)鍵任務(wù)［4］。太空環(huán)境的主要特點是微重力、高真空、強(qiáng)輻射，這就導(dǎo)致宇航員在太空這樣惡劣環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)存在著極高的不可預(yù)測的風(fēng)險［5］。而采用遙操作技術(shù)控制機(jī)械臂在地外星體完成一些工作，能夠有效地規(guī)避很多未知的危險，從而減輕對宇航員的傷害。如未來我國在探月工程中利用機(jī)械臂進(jìn)行無人采樣并安全返回地面，空間遙操作在其中起著至關(guān)重要的作用。1機(jī)械臂的三維模型創(chuàng)建月面探測器主要由著陸器、上升器、軌道器和返回器組成，其中軌道器和返回器位于月面軌道處，著陸器和上升器在進(jìn)行月面軟著陸時同時到達(dá)月球表面。其中機(jī)械臂位于著陸器的遢緣，同時在其附近還設(shè)有采樣罐，用于封存在月球表面采集到的土壤和鉆取到的巖石。整個機(jī)械臂是由四個關(guān)節(jié)和四個節(jié)點組成，即四自由度機(jī)械臂，在整個機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)中，只能第一關(guān)節(jié)能控制整個機(jī)械臂改變與著陸器位置的偏移角度，在機(jī)械臂的末端設(shè)有土壤采集器，它是用于收集月面土壤的裝置。圖1是機(jī)械臂展開后的簡易結(jié)構(gòu)圖。1.2創(chuàng)建機(jī)械臂三維模型Autodesk3dsmax軟件是市場上主流的建模軟件之一，該軟件能夠通過多種方式建模，例如復(fù)合建模，多邊形建模等，在其工作界面中提供了大量的高級命令，使得建立機(jī)械臂模型能夠高效快速地完成。同時完成建模之后，它能夠?qū)С龆喾N格式的文件，用于不同環(huán)境下對模型的使用，能夠?qū)С龅闹髁鞲袷接蠪BX，3DS，OBJ等。根據(jù)上述圖1的機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)圖，利用Autodesk3dsMax2011軟件創(chuàng)建機(jī)械臂的三維模型。圖2為建立機(jī)械臂模型的流程圖。建立機(jī)械臂關(guān)節(jié)模型時，使用的命令有放樣，布爾運(yùn)算等高級命令，在建立機(jī)械臂靠近關(guān)節(jié)處的節(jié)點時使用的命令有布爾運(yùn)算，擠出等命令。在完成機(jī)械臂建模后，需要瑩寸模型進(jìn)行紋理貼圖，保證在后期的虛擬仿真中使模型時更加真實。本研究中導(dǎo)出模型的文件格式為3DS，而該格式文件只能對模型的單個對象不能超過64000個面，因此在導(dǎo)出3DS格式前需要對模型對象的進(jìn)行面數(shù)和點數(shù)的計算，若超出面數(shù)要求的范圍，需要對模型進(jìn)行優(yōu)化若符合面數(shù)要求，則不需要減面而直接能導(dǎo)出3DS文件。在3dsmax2011軟件中提供給用戶多種減面命令，如優(yōu)化、MultiRes、ProOptimizer等。2控制機(jī)械臂參數(shù)的程序設(shè)計2.1系統(tǒng)分析月面探測器在執(zhí)行月面采樣任務(wù)之前，需要在月面完成探測器導(dǎo)航定位，月面的地形重構(gòu)，探測器的姿態(tài)確定等任務(wù)，而這些任務(wù)的實現(xiàn)都是建立在空間遙操作的基礎(chǔ)上，因此，遙操作技術(shù)被認(rèn)為是是地月通信的橋梁。為了通過遙操作技術(shù)實現(xiàn)月面的無人采樣任務(wù)，系統(tǒng)在控制機(jī)械臂移動時需滿足以下條件：⑴地面操作人員需要通過可視化界面來完成對機(jī)械臂的控制，因此需要有控制機(jī)械臂參數(shù)的控制面板，通過該面板能夠改變機(jī)械臂之間的角度；⑵在控制面板中調(diào)節(jié)機(jī)械臂的參數(shù)過程中，能夠通過仿真系統(tǒng)查看機(jī)械臂的狀態(tài)，所以在系統(tǒng)中存在界面實時顯示月面探測器上機(jī)械臂的變化⑶控制機(jī)械臂參數(shù)需要操作者對如何調(diào)節(jié)各個機(jī)械臂十分熟悉，因此該系統(tǒng)能夠作為機(jī)械臂操作人員的練習(xí)平臺，以便再未來進(jìn)行月面采樣任務(wù)時能夠提高控制機(jī)械臂的效率。地面操作人員在執(zhí)行遙操作任務(wù)過程中，需要面對月面復(fù)雜特殊的地形，這樣面臨生理和心理兩方面的壓力［6］，這會導(dǎo)致任務(wù)的最終結(jié)果與預(yù)期有差異。從操作員的視覺角度，顯控界面能呈現(xiàn)遙現(xiàn)場的地理信息和月面遙設(shè)備的狀態(tài)，而操作人員需通過顯控界面操控機(jī)械臂移動，改變機(jī)械臂的位置和轉(zhuǎn)動角度。空間遙操作任務(wù)的人機(jī)交互，離不開可視化設(shè)備和對遙設(shè)備的控制兩方面。在探月工程中，可視化設(shè)備使用了計算機(jī)顯示屏，月面環(huán)境信息、月面探測器上機(jī)械臂的運(yùn)動狀態(tài)等視覺信息通過機(jī)械臂攜帶的攝像頭呈現(xiàn)在計算機(jī)顯示屏上;對遙設(shè)備的控制采用鼠標(biāo)、鍵盤或遙感等來操控探測器上機(jī)械臂的移動。通過上述分析，可以建立顯控界面，在該界面中主要包括兩個內(nèi)容，分別是月面探測器仿真顯示界面和控制機(jī)械臂參數(shù)面板。仿真顯示界面用于顯示月面探測器的位置、狀態(tài)和機(jī)械臂等實時信息，參數(shù)控制面板用于操控機(jī)械臂的移動，從而使地面操作人員完成月面無人采樣任務(wù)。2.2空間遙操作顯控界面的建立月面探測器所處的月面環(huán)境具有的失重、真空、地形復(fù)雜的特點，因此通過虛擬仿真技術(shù)并結(jié)合遙操作能夠還原月面探測器在月球表面的狀態(tài)。文獻(xiàn)［4］中給出了月面因地形復(fù)雜、紋理不明晰的特點，所以在“嫦娥三號”任務(wù)中采用了鄰近圖像匹配和不同尺度圖像的拼接兩種方式結(jié)合完成了月面對地形重構(gòu)，使用視覺定位的方式可以精確定位探測器在重構(gòu)地形中的位置。因此完成上述任務(wù)需要建立遙操作顯控界面，為機(jī)械臂參數(shù)控制提供可視化基礎(chǔ)和平臺。搭建控制機(jī)械臂參數(shù)的虛擬仿真環(huán)境使用Windows?下VisualStudio2008、Qt4.7.4和OpenSceneGraph，其中使用Qt中的各種組件搭建虛擬仿真系統(tǒng)的界面，OpenSceneGraph里提供了各種庫，可用于對探測器模型進(jìn)行渲染，控制機(jī)械臂進(jìn)行移動。虛擬仿真環(huán)境是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，為地面遙操作人員提供月面探測器的視覺信息，包括四自由度機(jī)械臂、著陸器、上升器等，同時在遙操作人員決策之前可以在該平臺中進(jìn)行模擬的任務(wù)規(guī)劃，當(dāng)模擬的決策符合操作員的要求時，再將相關(guān)的決策指令發(fā)送到月面的接收端，從而使機(jī)械臂的移動到預(yù)先指定的位置。針對控制機(jī)械臂移動的面板，分別設(shè)置有文本框、角度增加'減少、設(shè)置、重置等按鈕，這些按鈕分為四行，每一行對應(yīng)機(jī)械臂的一節(jié)。圖3為使用Qt4.7.4建立的機(jī)械臂參數(shù)調(diào)節(jié)的控制面板。以鼠標(biāo)和鍵盤作為輸入端，通過改變文本框中角度數(shù)值大小來調(diào)節(jié)機(jī)械臂轉(zhuǎn)動角度，同時顯示仿真環(huán)境中機(jī)械臂的變化。在未來的探月工程實施時，地面有關(guān)操控人員需通過遙操作技術(shù)實現(xiàn)對月面著陸器上的機(jī)械臂實施控制。在對機(jī)械臂轉(zhuǎn)動的設(shè)計上要考慮單個機(jī)械臂轉(zhuǎn)需要帶動其他機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動，所以需要在導(dǎo)出3ds格式文件之前需要對四個自由度機(jī)械臂的空間坐標(biāo)軸進(jìn)行調(diào)整。在創(chuàng)建機(jī)械臂模型時，默認(rèn)的空間坐標(biāo)軸的位置處于相對對象居中，而在調(diào)節(jié)坐標(biāo)軸時需要將坐標(biāo)軸放置到每個機(jī)械臂的起點處。為了控制機(jī)械臂移動，OpenSceneGraph中提供了相應(yīng)的渲染引擎，通過其中第三方庫中類提供的方法讀取3DS模型，從而在虛擬仿真環(huán)境中顯示機(jī)械臂的角度變化。在對著陸器上機(jī)械臂的控制之前，需要先將著陸器和上升器渲染在虛擬仿真環(huán)境中，之后每次通過機(jī)械臂參數(shù)控制面板改變機(jī)械臂角度時，都會對機(jī)械臂的關(guān)節(jié)進(jìn)行一次渲染，從而保證在仿真環(huán)境中顯示機(jī)械臂角度變化的效果?？刂茩C(jī)械臂運(yùn)動的相關(guān)類的關(guān)系如圖4所示。3實驗驗證在完成機(jī)械臂建模，搭建虛擬仿真環(huán)境及顯控界面后，需要對整個系統(tǒng)的功能進(jìn)行測試。圖5為月面探測器在仿真環(huán)境中渲染后的結(jié)果圖，其中圖5（a）為機(jī)械臂被渲染后在仿真環(huán)境中的初始狀態(tài)，通過在機(jī)械臂控制參數(shù)面板調(diào)節(jié)值，設(shè)置機(jī)械臂角度，在關(guān)節(jié)1對應(yīng)的文本框中輸入-28,機(jī)械臂1狀態(tài)為圖b所示;同理，在關(guān)節(jié)2,關(guān)節(jié)3,關(guān)節(jié)4對應(yīng)輸入框中分別輸入-20，-270，0，機(jī)械臂狀態(tài)分別對應(yīng)圖5（c）、圖5（d）、圖5（e）。同時，也可以通過調(diào)節(jié)機(jī)械臂控制參數(shù)面板上的“+”和“-”的按鈕對機(jī)械臂進(jìn)行微調(diào)。4結(jié)論與展望本系統(tǒng)是使用Qt軟件搭建參數(shù)控制界面，使用Autodesk3dsmax2014創(chuàng)建月面探測器的模型，同時通過OpenSceneGraph提供的第三方庫中的相關(guān)類與方法在虛擬場景中渲染月面探測器。界面整體較為簡潔，利于操作人員操作，虛擬仿真環(huán)境能夠直觀地體現(xiàn)機(jī)械臂的狀態(tài)。因此，系統(tǒng)有利于地面操作人員對探測器上機(jī)械臂操作的熟練度的提升，提高了未來月面采樣任務(wù)實施的效率。同樣，本系統(tǒng)中仍然存在著一些不足之處，如虛擬現(xiàn)實強(qiáng)調(diào)多感知性、浸沒感等特性，因此在后期的維護(hù)升級中，可以添加力反饋機(jī)制，結(jié)合虛擬現(xiàn)實頭盔，從而增強(qiáng)操作人員的體驗，使操作者練習(xí)使用機(jī)械臂更加趨于真實。參考文獻(xiàn)（References）：張濤，陳章，王學(xué)謙，梁斌.空間機(jī)器人遙操作關(guān)鍵技術(shù)綜述與展望[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2014.40（6）：1-9，30Z.X.Zhao，T.T.Zhang，andS.Q.Wang.ResearchofSpaceTeleoperationBasedonFreeFormandAugmentedRealityTechnology[J].InternationalJournalofAutomationandControlEngineering，2015.4（1）：26-29薛害騏，姜國華，田志強(qiáng)，蔣婷.空間遙操作任務(wù)中顯控界面關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J].載人