CN102528811B - 托克马克腔内的机械臂定位与避障系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种托克马克腔内的机械臂定位与避障系统，其中：传感器信号采集模块负责采集安装在托克马克腔各处的深度传感器信号，采集的信号输入传感器信号处理模块，由其作预处理，计算出机械臂和腔体的空间位置、机械臂骨架化后各关节转角等数据，计算的结果作为传感器信号处理模块的输出，送到机械臂控制系统模块和VR实时显示模块；机械臂控制系统模块根据传感器信号处理模块送来的数据，判断是否小于碰撞预警阈值，如果小于阈值，启动避障策略；VR实时显示模块根据传感信号处理模块送来的数据，在仿真环境中实时显示机械臂和腔体的位姿，并为人机交互提供一个接口。本发明可以有效的实现托克马克腔内的机械臂定位和避障。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于机械控制技术领域的系统，特别是一种基于深度传感器信息的托克马克腔内的机械臂定位与避障系统。
背景技术
因托卡马克装置内外表面积和体积较大原因，内壁一般采用分块制造再装配工艺设计方法。以EAST为例，其大小一般为0.25m2(50cm×50cm)左右，重达数十公斤。为防止辐射和发生泄漏事故，要求的焊接和装配精度为±2mm或更高。ITER运转起来之后，内壁温度高达120-200℃，热能密度启动时可达5MW/m2，关机时亦可达0.5MW/m2，真空度为10-6，磁场强度可达6.2T，γ辐射最高达10Gy/h。这种高温、高真空、高磁场和高辐射的工况极端恶劣危险。即使因维护等作业处于停机状态时，内壁位置处仍残存较大的高能辐射和电磁辐射以及约3.5T的较强磁场，人类无法直接进入其中进行作业。
因此，面向托卡马克腔维护的操作如检查、装配、拆卸、焊接、搬运等作业必须采用机械臂完成。维护机械臂的操作精度高、工作空间大、冗余自由度、作业环境复杂恶劣，机械、控制、传感和遥操作等各方面很多关键技术亟须攻克。
现有的机械臂姿态检测、碰撞检测一般要求在每个关节安装位置传感器，得到机械臂各关节的空间坐标，由计算机控制系统计算后判断各关节以及关节与托卡马克腔体是否发生碰撞。对计算机计算能力和多传感器信息集成技术要求高，而且在处理高度冗余自由度的机械臂定位和避障问题上有一定难度。
微软kinect 3D体感摄像头的推出和广泛应用为我们在基于视觉的机械臂定位和避障领域提供了新的思路。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于深度传感器信息的托克马克腔内的机械臂定位与避障系统。通过在托克马克环形腔内4个域对称安装深度信息传感器，实时检测腔体和机械臂的空间位置。一方面将图像实时传输给操作人员，提供直观的视觉信息；另一方面检测目标的空间距离，当关节-关节、关节-腔体之间距离小于碰撞预警阈值时，控制系统启动避障策略。另外利用骨架化程序，得到机械臂各关节的坐标后计算各关节的转角，传给3D仿真模块，控制仿真环境下的机械臂实时更新位姿。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括四个模块：传感器信号采集模块、传感器信号处理模块、机械臂控制系统模块、VR实时显示模块。传感器信号采集模块负责采集安装在托克马克腔各处的深度传感器信号，采集到的信号输入到传感器信号处理模块；传感信号处理模块对传感器信号采集模块送来的信号作预处理，计算出机械臂和腔体的空间位置、机械臂骨架化后各关节转角等数据，计算的结果作为传感器信号处理模块的输出，送到机械臂控制系统模块和VR实时显示模块；机械臂控制系统模块根据传感器信号处理模块送来的数据，判断是否小于碰撞预警阈值，如果小于阈值，启动避障策略；VR实时显示模块根据传感信号处理模块送来的数据，在仿真环境中实时显示机械臂和腔体的位姿，并为人机交互提供一个接口。
所述的传感器信号采集模块负责采集安装在托克马克环形腔4个域的深度传感器信号。
所述的传感器信号处理模块对传感器采集模块采集到的信号进行数据预处理，这些数据预处理包括：机械臂的空间位置、机械臂和环境的相对位置、机械臂骨架化后各关节转角等数据。数据预处理的结果作为传感器信号处理模块的输出送到机械臂控制系统模块和VR实时显示模块进行处理。
所述的机械臂控制系统模块根据传感器信号处理模块送来的数据判断机械臂与托克马克腔体以及机械臂各关节之间的目标点距离是否小于碰撞预警阈值，如果小于阈值，启动避障策略。
所述的VR实时显示模块根据传感器信号处理模块送来的数据，主要是机械臂各关节转角数据，该模块已经建立了托克马克腔和机械臂系统的3D模型，实时显示机械臂当前姿态。同时该模块还要提供人机交互的接口界面，从而可以根据用户的要求显示某个时刻的机械臂姿态，给出相应的调整指令。
本发明上述技术方案可以有效的实现托克马克腔内的机械臂定位和避障，不仅免去了计算处理多传感器的信息的过程，而且可以提供直观的视觉信息，更方便操作人员的监控。
附图说明
图1本发明实施例系统框图；
图2本发明实施例深度传感器在托克马克腔内的安装示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供一种基于深度传感器信息的托克马克腔内的机械臂定位与避障系统，包括四个模块：传感器信号采集模块、传感器信号处理模块、机械臂控制系统模块、VR实时显示模块。
传感器信号采集模块从安装在托克马克腔内的4个深度传感器采集信号(如图2中1-4所示)，输出送给传感器信号处理模块处理。在实施例中，综合考虑性价比等因素，并且暂不考虑复杂电磁环境对传感器信号的干扰，深度传感器型号选择微软的kinect摄像头。
传感器信号处理模块对传感器采集模块送来的信号进行数据预处理，数据预处理的结果作为传感器信号处理模块的输出送给机械臂控制系统模块和VR实时显示模块；这些数据预处理包括：机械臂的空间位置、机械臂和环境的相对位置、机械臂骨架化后各关节转角等数据。微软kinect体感摄像头对人体骨架化在游戏中的应用已经比较成熟，本实例中将此技术移植于机械臂，对托克马克腔内的串联式机械臂骨架化，就可以由实时采集到的图像信号计算得到机械臂各关节的转角。
机械臂控制系统模块根据传感器信号处理模块送来的数据，判断机械臂与托克马克腔体以及机械臂各关节之间的目标点距离是否小于碰撞预警阈值，如果小于阈值，启动避障策略。
传感器信号处理模块和机械臂控制系统模块在现场的一台工控机上实现。具体又包括了I/O模块、避障与定位决策模块、运动控制模块等。工控机与VR实时显示模块通过以太网连接。
VR实时显示模块根据从传感器信号处理模块送来的数据，在仿真环境中实时显示机械臂和腔体的当前位姿，也可以根据用户的要求显示某个时刻的机械臂姿态，并结合操作人员自己的实际经验，输出调整指令。该模块用VB技术实现，分为用户界面和后台运行程序两部分。用户界面显示机械臂的各种姿态、数据信息，并为用户提供一个人机交互的接口；后台运行程序负责后台运行数据调用、处理、结果保存等工作。
本发明通过在托克马克环形腔内4个域对称安装深度信息传感器，实时检测腔体和机械臂的空间位置。一方面将图像实时传输给操作人员，提供直观的视觉信息；另一方面检测目标的空间距离，当关节-关节、关节-腔体之间距离小于碰撞预警阈值时，控制系统启动避障策略。另外利用骨架化程序，得到机械臂各关节的坐标后计算各关节的转角，传给3D仿真模块，控制仿真环境下的机械臂实时更新位姿。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (5)
1.一种托克马克腔内的机械臂定位与避障装置，其特征在于，包括四个模块：传感器信号采集模块、传感器信号处理模块、机械臂控制系统模块、VR实时显示模块，其中：
传感器信号采集模块负责采集安装在托克马克腔各处的深度传感器信号，采集到的信号输入到传感器信号处理模块；
传感器信号处理模块对传感器信号采集模块送来的信号作预处理，计算出机械臂和腔体的空间位置、机械臂骨架化后各关节转角数据，计算的结果作为传感器信号处理模块的输出，送到机械臂控制系统模块和VR实时显示模块；
机械臂控制系统模块根据传感器信号处理模块送来的数据，判断是否小于碰撞预警阈值，如果小于阈值，启动避障策略；
VR实时显示模块根据传感器信号处理模块送来的数据，在仿真环境中实时显示机械臂和腔体的位姿，并为人机交互提供一个接口。
2.如权利要求1所述的托克马克腔内的机械臂定位与避障装置，其特征是，所述的传感器信号采集模块为带深度信息的3D摄像头，不仅能够采集3D图像信息，而且可以检测空间距离，采集的数据传给传感器信号处理模块。
3.如权利要求1或2所述的托克马克腔内的机械臂定位与避障装置，其特征是，所述的传感器信号处理模块对传感器信号采集模块采集到的信号进行数据预处理，这些数据预处理包括：机械臂和腔体的空间位置、机械臂骨架化后计算得出各关节转角数据，数据预处理的结果作为传感器信号处理模块的输出送到机械臂控制系统模块、VR实时显示模块进行处理。
4.如权利要求1或2所述的托克马克腔内的机械臂定位与避障装置，其特征是，所述的传感器信号处理模块送来的数据，主要是机械臂各关节转角数据，所述VR实时显示模块已经建立了托克马克腔和机械臂系统的3D模型，实时显示机械臂当前姿态，同时该模块还要提供人机交互的接口界面，从而可根据用户的要求显示某个时刻的机械臂姿态，给出相应的调整指令。
5.如权利要求4所述的托克马克腔内的机械臂定位与避障装置，其特征是，所述的VR实时显示模块用VB技术实现，分为用户界面和后台运行程序两部分，用户界面显示机械臂的各种姿态、数据信息，并为用户提供一个人机交互的接口；后台运行程序负责后台运行数据调用、处理、结果保存工作。
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