机器人远程监控系统的研究

【摘要】：本论文对远程控制下的人机交互技术进行比较深入的研究,将虚拟现实技术应用到机器人远程控制当中去,通过图形仿真和视频监视及力反馈来监控机器人的状态。在远端通过鼠标、键盘、力反馈操纵杆、三维鼠标的方式来对工作现场的机器人进行远程示教、远程操作、远程编程及远程诊断,并通过图形仿真和实时视频监视远端的机器人。本文研究的目的主要有三个: 1.针对传统机器人控制器的不足,提出一种新型的机器人控制系统的体系结构。 2.构建起一套机器人远程控制平台,为进一步开展机器人远程控制与多机协同机制以及机器人智能控制方面的研究创造条件。 3.在所建立的平台上对机器人远程控制机制进行深入的研究,解决其中的一些关键技术,例如远程监控技术、图形仿真、实时视频监控、三维交互、碰撞检测及立体显示技术等,为远程控制技术的推广应用准备条件。 为实现以上目标,本论文主要完成了以下工作: 1) 针对Internet网络环境下通信特点,建立了一套状态数据的实时获取与传输机制。对于网络传输的时延问题,提出了基于网络的动态时延检测策略,通过将动态时延检测与预测显示相结合的办法来实现时延条件下机器人的远程监控。 2) 为了解决视频图像的网络监控问题,采用了Directshow作为视频开发平台。完成了视频数据的获取,发送,接收,回放等过程,主要是解决了视频数据的实时传输问题。重点解决了视频数据队列的拆包、传输与丢包恢复及流量控制问题,保证了局域网环境中的实时传输,时延小于0.1秒。 3) 在机器人建模方面,主要解决了在OpenGL环境当中机器人的运动学建模以及机器人与场景的几何建模问题。结合图形运动仿真的特点和机器人运动的特点,提出了一种中心点移动法来表示机器人的运动学关系。基于OpenGL对几何模型的表示方法,实现了VRML1.0的接口程序,通过与专业的三维CAD软件UGⅡ和Solidworks结合,比较方便地构建了精确的机器人几何模型,并能自动获取机器人的运动参数。 4) 对碰撞检测问题进行了研究,实现了基于碰撞检测程序与基于OpenGL的图形仿真程序的接口,使得碰撞检测程序能够共享图形仿真的几何模型和当前变换矩阵,实时完成碰撞检测功能。 5) 在三维交互技术方面,将力反馈技术与碰撞检测中的距离监测及运动极限控制相结合,来达到友好人机交互的目的。将力反馈操纵杆及三维鼠标技术运用到机器人远程监控当中,增强了机器人的可操纵性。 6) 对摄像头标定进行了讨论,将摄像头的标定分解成静态参数的标定和动态参数的标定。静态参数的标定可以在实验室进行,而动态参数的标定则在现场进行。同时,在静态参数的标定当中,又将有畸变的真实摄像头看作是由理想的线性小孔模型的摄像头和非线性变换器两部分构成,对于理想摄像头部分采用传统的求取摄像头内外参数的方法来解决,而对