基于VR和增强现实的机器人遥操作技术研究

作     者：姜启帆 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐开亮

授予年度：2024年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：工业机器人 遥操作 双目视觉 VR 增强现实 

摘      要：在许多恶劣的工作环境中,如高温、高湿、高噪音和有害气体等,长期在这些环境下工作对身体健康造成明显的危害。用机器人替代人工操作是我国工业自动化发展的重要方向。工业机器人的工作路径实现通过示教或编程规划,难以在工作中快速改变。因此,工业机器人很难应用于小批量生产和产品型号工艺快速变化的生产场景。这一缺陷导致许多生产企业无法在恶劣的生产环境中使用机器人代替人工。利用机器视觉替代人眼来感知环境和任务状态,利用机器决策算法代替人脑,利用机器人代替手臂,从而实现机器人替代人类工作,是重要的研究方向。然而,人工智能技术仍然存在着显著的学习训练效率瓶颈,难以在非结构化场景中实现完全自主控制以取代人类。 VR/AR设备和技术的快速发展提供了另一种解决思路。利用VR/AR技术,使机器人在恶劣环境中执行任务,并由工人进行决策,从而实现机器人与操作者的融合,解决单纯依靠人工智能技术难以自主决策的问题。操作者佩戴VR设备,直接控制机器人运动,机器人位于生产加工环境中,通过安装在末端工具执行运动任务。在场景中安装双目相机,实时拍摄任务加工图像,经图像增强算法增强后,通过VR眼镜显示。双目相机具有和人眼相似的瞳距和视野,在VR眼镜中形成双目视差,从而使操作者产生立体视觉。操作者根据视觉反馈,由大脑做出决策,控制手臂运动,利用VR手柄检测到手部位姿,实时控制机器人手臂运动。 论文首先探讨了遥操作机器人系统的设计方案,包括软硬件的选择、设备的连接以及环境配置。其次,对串联机器人进行了运动学分析,并详细介绍了机器人运动学中的空间描述和变换。紧接着,完成了双目相机和VR设备之间的信息交互,针对机器人系统中不同的坐标系,进行了相应的坐标系变换,结合坐标系变换,实现了VR手柄位姿和虚拟射线显示,以提高操作者完成人机交互任务的效率。最后,在实验环境下完成了手眼标定,并设计了机器人与上位机之间的交互程序,进行了机器人的仿真以及实际运动测试,模拟完成喷枪操作。综上所述,本论文为传统工业机器人的转型提供了一种新思路。