【摘 要】
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在对一些存在未知风险的特定环境进行察探时,如深海勘探、定点排爆、核废料处理、太空探索等,为保障人身安全,会使用机器人作为替代对危险作业环境进行探索,并将采集到的数据反馈给操作人员。但该方式往往采用的是示教器和键盘控制方式,而且普遍将摄像头图像显示在监控器上,这与临场操作差别很大。随着传感器、机器人智能控制、虚拟现实等技术的快速发展,一种新型人机交互协同控制方式应运而生。在操作过程中通过虚拟现实技术
【基金项目】
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广西八桂学者专项经费（编号:2019A08）
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在对一些存在未知风险的特定环境进行察探时,如深海勘探、定点排爆、核废料处理、太空探索等,为保障人身安全,会使用机器人作为替代对危险作业环境进行探索,并将采集到的数据反馈给操作人员。但该方式往往采用的是示教器和键盘控制方式,而且普遍将摄像头图像显示在监控器上,这与临场操作差别很大。随着传感器、机器人智能控制、虚拟现实等技术的快速发展,一种新型人机交互协同控制方式应运而生。在操作过程中通过虚拟现实技术增加人的临场感知,融合人的主观能动性,由人占主导地位,机器人进行辅助,这在很大程度上改变了以往机器人单一、僵化的作业方式,拓宽其作业能力。但在人机交互协同控制过程中仍存在诸多问题,主要涵盖交互过程中自然性不协调问题,以及控制过程中准确性不足等问题。针对这些问题,本文采用了两种方案设计了 一整套基于目标位姿的人机交互协同控制系统。具体研究工作如下:（1）针对人机交互过程中自然性不协调问题,本文提出了一种基于惯性测量单元（IMU）姿态解算的人机交互协同控制方案。将IMU传感器搭载于头戴显示器上,经标定校正后采集人体头部运动时陀螺仪、加速度计、磁力计数据,选取基于梯度下降法的四元数姿态融合算法对其进行融合解算处理。将解算后的头部姿态角通过STM32电路板经ⅡC总线通信协议发送到搭载有ZED相机的二自由度舵机云台中,使其与头部保持同步运动姿态,并将相机画面实时显示到头戴显示器中。（2）针对控制过程中准确性不佳问题,本文提出了一种基于VR手柄位姿的UR机械臂人机交互协同控制方案。以Unity3D虚拟引擎为支撑,通过SteamVR plugin设计与实现一个具备通用交互行为功能的VR交互场景;采用基于HTC VIVE设备的Lighthouse定位与跟踪技术,获取手柄在虚拟环境中的位姿信息;利用Socket通信方式将Unity3D系统环境与UR机械臂的ROS系统建立连接,根据手柄与机械臂末端执行器间位姿映射关系求解出后者姿态信息;再结合机械臂逆运动学分析求解出各关节转动的姿态角,驱动各关节运动。实验结果表明,采用IMU姿态解算的方法因符合人体运动学理念而更具自然性;采用VR手柄位姿的方法因需要获取具体姿态信息而更具准确性。
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