引言

近年來機(jī)器人技術(shù)得到飛速發(fā)展。人們希望未來移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)器人具有良好的操控性和地面通過能力。

本設(shè)計(jì)采用了運(yùn)動(dòng)靈活、環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)的六足仿生機(jī)器人為運(yùn)動(dòng)載體,利用VR眼鏡全景觀察工作環(huán)境,通過遙控手柄實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。該機(jī)器人適用于工作環(huán)境狹小、危險(xiǎn)、不便于人員出入的場(chǎng)所。工作人員能夠操作該機(jī)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(cè)等任務(wù)。

1沉浸式仿生機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

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

2基于Solidworks的仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)體制作

so1idworks是一款三維設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)器人:利用模擬仿真功能,制作六足機(jī)器人仿真動(dòng)畫。雙擊桌面上的圖標(biāo),在彈出的"新建so1idworks"文件對(duì)話框中選擇按鈕,單擊“確定"按鈕,進(jìn)入so1idworks零件造型界面。通過“草圖"“拉伸凸臺(tái)/基體"“拉伸切除"“圓角"等命令,完成六足機(jī)器人的各零件繪制。主要零件建模如圖2所示。

新建六足機(jī)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(duì)各零部件進(jìn)行裝配。六足機(jī)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(jī)制作零件實(shí)體,并將各零件與舵機(jī)、雙目攝像頭、Arduino控制板、樹莓派等組裝成六足仿生機(jī)器人,實(shí)體如圖5所示。

3仿生步態(tài)設(shè)計(jì)

該機(jī)器人每條腿都由3個(gè)舵機(jī)控制。l號(hào)舵機(jī)將機(jī)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的擺腿動(dòng)作:2號(hào)舵機(jī)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(jī)器人上肢抬起及放下動(dòng)作:3號(hào)舵機(jī)用來連接上下肢,類似于膝關(guān)節(jié),用于控制機(jī)器人下肢運(yùn)動(dòng),模仿昆蟲運(yùn)動(dòng)時(shí)的踢腿動(dòng)作。

舵機(jī)編號(hào)如圖6所示。

工作時(shí),機(jī)器人模仿六足昆蟲的三角步態(tài)運(yùn)動(dòng),足1、足4、足5為一組同時(shí)運(yùn)動(dòng):足2、足3、足6為一組同時(shí)運(yùn)動(dòng),六足編號(hào)如圖7所示。

在運(yùn)動(dòng)中,無(wú)論何時(shí)機(jī)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(yàn)設(shè)計(jì)

4.1雙目攝像頭成像原理

雙目立體視覺是利用雙目相機(jī)從不同角度獲取被測(cè)物體的兩幅圖像,并利用視差原理計(jì)算圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的位置偏差,建立被測(cè)物體三維幾何信息的方法,如圖8所示。本設(shè)計(jì)是基于開源的openCV視覺函數(shù)庫(kù),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(shí)時(shí)VR成像實(shí)現(xiàn)方法

在安卓平臺(tái)上安裝JuicessH軟件,在樹莓派終端輸入sudoifconfig查看IP地址,在JuicessH中點(diǎn)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(tái)上顯示樹莓派終端,通過此終端輸入sudoraspi-config進(jìn)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(jìn)行配置,如圖9所示。配置完成后,會(huì)出現(xiàn)攝像頭顯像畫面,如圖10所示。

雙目攝像頭采集實(shí)時(shí)環(huán)境圖像并對(duì)畫面實(shí)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_(tái),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(dòng)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(yàn)。

5結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人模擬了六足昆蟲的運(yùn)動(dòng)形態(tài),將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與機(jī)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(yàn)和多樣化功能。

嵌入式開發(fā)板可用于實(shí)時(shí)處理雙目攝像頭采集的圖像信息,并通過wi-Fi無(wú)線傳輸?shù)绞謾C(jī):通過使用手機(jī)VR盒子,為使用者提供良好的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn),讓用戶完全沉浸在環(huán)境中操作機(jī)器人,通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),用戶可以更好地掌握環(huán)境變化情況:機(jī)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(xiǎn)工作。