引言

近年來機器人技術(shù)得到飛速發(fā)展。人們希望未來移動機器人不僅可以在已知的結(jié)構(gòu)化環(huán)境中迅速、準(zhǔn)確地完成任務(wù),還可以在未知的、非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中完成人們提出的任務(wù)[l],這就要求移動機器人具有良好的操控性和地面通過能力。

本設(shè)計采用了運動靈活、環(huán)境適應(yīng)能力較強的六足仿生機器人為運動載體,利用VR眼鏡全景觀察工作環(huán)境,通過遙控手柄實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。該機器人適用于工作環(huán)境狹小、危險、不便于人員出入的場所。工作人員能夠操作該機器人,在保證人身安全的前提下,可以更有效、更安全地完成救援、檢測等任務(wù)。

1沉浸式仿生機器人總體設(shè)計

沉浸式仿生機器人主要由VR視頻成像設(shè)備、六足仿生機器人和無線遙控器組成。操作者通過佩戴VR眼鏡,利用無線遙控器對六足機器人進行控制,總體設(shè)計框圖如圖1所示。

2基于Solidworks的仿生機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及實體制作

so1idworks是一款三維設(shè)計軟件,具有零件建模、裝配、繪制工程圖、模擬仿真等功能。利用so1idworks建立六足機器人身體上部、下部、關(guān)節(jié)、足、攝像頭支架、控制板支架等零件模型:利用裝配功能,將建立好的零件模型組裝成六足機器人:利用模擬仿真功能,制作六足機器人仿真動畫。雙擊桌面上的圖標(biāo),在彈出的"新建so1idworks"文件對話框中選擇按鈕,單擊“確定"按鈕,進入so1idworks零件造型界面。通過“草圖"“拉伸凸臺/基體"“拉伸切除"“圓角"等命令,完成六足機器人的各零件繪制。主要零件建模如圖2所示。

新建六足機器人裝配體,單擊按鈕,單擊“確定"按鈕。在主界面“開始裝配體"下方選擇“瀏覽"。首先插入身體,接下來在裝配工具欄上單擊按鈕,利用幾何關(guān)系(同軸度、重合、平行、垂直、相切等）依次插入身體2、腰關(guān)節(jié)3、上肢4、下肢5、電池蓋板6、攝像頭支架7、控制板支架8等零件,并對各零部件進行裝配。六足機器人的裝配體和爆炸視圖分別如圖3、圖4所示。

將so1idworks繪制的各零件另存為“*.st1"文件,輸入3D打印機制作零件實體,并將各零件與舵機、雙目攝像頭、Arduino控制板、樹莓派等組裝成六足仿生機器人,實體如圖5所示。

3仿生步態(tài)設(shè)計

該機器人每條腿都由3個舵機控制。l號舵機將機器人身體與圖2(c）所示的腰關(guān)節(jié)連接起來,用于控制機器人運動時的擺腿動作:2號舵機將腰關(guān)節(jié)與圖2(d）所示的上肢連接起來,類似于髖關(guān)節(jié),用于控制機器人上肢抬起及放下動作:3號舵機用來連接上下肢,類似于膝關(guān)節(jié),用于控制機器人下肢運動,模仿昆蟲運動時的踢腿動作。

舵機編號如圖6所示。

工作時,機器人模仿六足昆蟲的三角步態(tài)運動,足1、足4、足5為一組同時運動:足2、足3、足6為一組同時運動,六足編號如圖7所示。

在運動中,無論何時機器人都至少有3條腿支撐身體,具有良好的穩(wěn)定性。

4沉浸式體驗設(shè)計

4.1雙目攝像頭成像原理

雙目立體視覺是利用雙目相機從不同角度獲取被測物體的兩幅圖像,并利用視差原理計算圖像對應(yīng)點間的位置偏差,建立被測物體三維幾何信息的方法,如圖8所示。本設(shè)計是基于開源的openCV視覺函數(shù)庫,利用雙目攝像頭同步采集圖像,經(jīng)過圖像預(yù)處理、3D重投等,形成三維視覺效果[3]。4.2實時VR成像實現(xiàn)方法

在安卓平臺上安裝JuicessH軟件,在樹莓派終端輸入sudoifconfig查看IP地址,在JuicessH中點擊connections,并輸入樹莓派IP地址遠(yuǎn)程控制樹莓派。連接成功后將在平臺上顯示樹莓派終端,通過此終端輸入sudoraspi-config進入配置界面,開啟VNC服務(wù)并在樹莓派終端中輸入sudoapt-getinstallguvcview安裝錄像軟件,輸入sudoguvcview開啟軟件進行配置,如圖9所示。配置完成后,會出現(xiàn)攝像頭顯像畫面,如圖10所示。

雙目攝像頭采集實時環(huán)境圖像并對畫面實施立體化處理,處理后的圖像通過樹莓派將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨沧科脚_,用戶使用VR眼鏡看到的操作環(huán)境是多源信息融合、交互式3D動態(tài)視圖和物理行為的系統(tǒng)模擬,使用戶具有身臨其境的沉浸式體驗。

5結(jié)語

本文設(shè)計的仿生機器人模擬了六足昆蟲的運動形態(tài),將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與機械臂相結(jié)合,具有優(yōu)越的道路通過能力、良好的操縱體驗和多樣化功能。

嵌入式開發(fā)板可用于實時處理雙目攝像頭采集的圖像信息,并通過wi-Fi無線傳輸?shù)绞謾C:通過使用手機VR盒子,為使用者提供良好的虛擬現(xiàn)實體驗,讓用戶完全沉浸在環(huán)境中操作機器人,通過虛擬現(xiàn)實技術(shù),用戶可以更好地掌握環(huán)境變化情況:機械臂作為操作者身體的延伸,可以代替操作者完成某些危險工作。