CN110047148B - 一种虚拟机器人工作站的仿真互动可视化系统及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种虚拟机器人工作站的仿真互动可视化系统及实现方法，包括增强现实主设备、通过广域网与增强现实主设备连接的云端服务器以及分别通过局域网与增强现实主设备连接的机器人和显示设备；云端服务器包括用于构建虚拟场景的虚拟机器人工作站数据库；增强现实主设备用于获取机器人的真实场景数据，并将机器人的真实场景数据和来自云端服务器的虚拟场景数据结合显示以及识别用户的互动操作信号；机器人用于供用户进行模拟操作训练；显示设备用于向观看者展示增强现实主设备的三维显示内容。本发明通增强现实主设备实现虚拟机器人工作站和真实机器人的互动操作，并通过显示设备向观察者展示操作者所观察到的场景，实现虚拟机器人工作站的可视化。
Description
技术领域
本发明涉及机器人工作站技术领域，具体涉及一种虚拟机器人工作站的仿真互动可视化系统及实现方法。
背景技术
增强现实技术是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并在摄像机影像上加上相应图像的技术。这种技术的目标是实现真实世界信息和虚拟世界信息的无缝结合。目前没有以增强现实技术为基础的系统来实现真实机器人和虚拟机器人工作站之间的互动操作。在工业机器人应用领域，增强现实技术具有的优势在于，可以较为容易地实现真实机器人和虚拟工作站之间的互动。我们可以预测在不久的将来，工业机器人可以在虚拟工作站中进行机器学习。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种虚拟机器人工作站的仿真互动可视化系统，用于解决真实机器人与虚拟机器人工作站之间的互动操作及可视化的问题
本发明的内容如下：
一种虚拟机器人工作站的仿真互动可视化系统，包括增强现实主设备、通过广域网与所述增强现实主设备连接的云端服务器以及分别通过局域网与所述增强现实主设备连接的机器人和显示设备；
所述云端服务器包括用于构建虚拟场景的虚拟机器人工作站数据库；
所述增强现实主设备用于获取机器人的真实场景数据，并将机器人的真实场景数据和来自所述云端服务器的虚拟场景数据叠加显示以及识别用户的互动操作信号；
所述机器人用于配合虚拟机器人工作站进行仿真运作；
所述显示设备用于获取增强现实主设备的显示内容，并向观看者展示。
优选的，所述增强现实主设备包括中央处理单元以及分别与中央处理单元连接的图像处理单元、全息处理单元、摄像头和命令识别单元，所述命令识别单元包括用于识别手势信号的深度传感器和/或用于识别语音信号的麦克风。
优选的，还包括至少一台增强现实副设备，增强现实副设备通过局域网与所述增强现实主设备连接。
优选的，所述机器人工作站数据库包括工业产品的数字模型库、工具和设备的数字模型库、机器人的数字模型库以及虚拟机器人工作站的管理模块
本发明的目的之二在于提供一种虚拟机器人工作站仿真互动可视化的实现方法，用于解决真实机器人与虚拟机器人工作站之间的互动操作及可视化的问题。
一种虚拟机器人工作站仿真互动可视化的实现方法，包括以下步骤：
在云端服务器建立虚拟机器人工作站的虚拟场景，并将虚拟场景导入增强现实主设备；
增强现实主设备启动后扫描真实空间，并保存空间信息数据；
增强现实主设备创建全局锚点，并将全局锚点发送给增强现实副设备；
增强现实主设备和增强现实副设备分别将虚拟机器人工作站全息显示在真实空间；
显示设备获取并展示增强现实主设备中的显示内容；
增强现实主设备获取用户的操作命令，实现用户与真实机器人的交互。
优选的，在云端服务器建立虚拟机器人工作站的虚拟场景，并将虚拟场景导入增强现实主设备，具体步骤为：
S11.根据真实的机器人工作站在云端服务器中按照一定比例建立模型数据；
S12.采用三维模型优化方法对虚拟机器人工作站进行优化；
S13.将三维模型导入Unity 3D中搭建机器人工作站的虚拟场景；
S14.将虚拟场景导入增强现实主设备。
优选的，所述三维模型优化方法包括几何特征优化方法与纹理优化方法。
优选的，所述虚拟机器人工作站的模型数据包括工业产品的模型数据、工具和设备的模型数据、机器人的模型数据以及工作站的管理模型数据。
优选的，通过增强现实主设备创建全局锚点，并将全局锚点发送给增强现实副设备，具体步骤为：
S21.增强现实主设备对真实空间进行扫描并生成空间映射数据；
S22.根据空间映射数据调整虚拟机器人工作站的坐标和方向；
S23.增强现实主设备将调整后的虚拟机器人工作站的坐标和方向保存为全局锚点数据；
S24.向增强现实副设备发送全局锚点数据。
优选的，增强现实主设备获取用户的操作命令，实现用户与真实机器人的交互，具体步骤为：
S51.预设至少一条机器人的基本运动轨迹，并在基本运动轨迹上设置若干参数可变的关键点；
S52.增强现实主设备识别用户的手势命令，判断所述关键点的参数是否更新，若是，执行步骤S53，否则重复步骤S52；
S53.记录所述关键点的新参数，并发送给所述云端服务器；
S54.所述云端服务器根据更新后关键点的参数生成机器人的运动轨迹，并将运动轨迹数据发送给增强现实主设备；
S55.通过增强现实主设备控制真实机器人运动，并实时更新虚拟机器人工作站的场景。
本发明的有益效果为：
本发明通增强现实主设备实现虚拟机器人工作站和真实机器人的互动操作，并通过显示设备向观察者展示操作者所观察到的场景，实现虚拟机器人工作站的可视化，本发明还设置至少一台增强现实副设备，可以让观察者获得更佳的视觉沉浸感，有利于降低机器人工作站的开发成本；
本发明提供的虚拟机器人工作站仿真互动可视化的实现方法可以将机器人工作站的虚拟场景可视化和互动操作，使观察更加直观，便于机器人工作站的研究、设计、安装、调试以及机器人工作站全生命周期的运行和管理，通过显示设备可供多人同时观察。
附图说明
图1所示为本发明实施例的互动可视化系统的原理框图；
图2所示为本发明实施例的增强现实主设备的原理框图；
图3所示为本发明实施例的互动可视化的实现方法流程示意图；
图4所示为本发明实施例的虚拟机器人工作站的示意图。
具体实施方式
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
请参照图1，本实施例公开了一种虚拟机器人工作站的仿真互动可视化系统，包括增强现实主设备1、通过广域网与增强现实主设备1连接的云端服务器3以及分别通过局域网与增强现实主设备1连接的机器人4和显示设备5，云端服务器3包括用于构建虚拟场景的虚拟机器人工作站数据库，虚拟机器人工作站是基于机器人工作站物理实体的属性，通过数字化手段来创建的一对一的数字模型，即机器人工作站的数字孪生体，并藉此来实现对机器人工作站物理实体的设计、仿真、分析和优化，乃至机器人工作站整个生命周期的运行和管理。机器人工作站数据库包括相互独立的工业产品的数字模型库、工具和设备的数字模型库、机器人4的数字模型库以及虚拟机器人工作站的管理模块；增强现实主设备1用于获取机器人 4的真实场景数据，并将机器人4的真实场景数据和来自云端服务器3的虚拟场景数据结合显示以及识别用户的互动操作信号；所述机器人4用于配合虚拟机器人工作站进行仿真运作；本实施例的显示设备5采用带显示器的电子计算机，显示设备5用于获取增强现实主设备1 的显示内容，并向观看者展示，为了让观看者获得更好的视觉沉浸感，本实施例的互动可视化系统还包括至少一台增强现实副设备2，增强现实副设备2的具体数量可根据实际需求设置，增强现实副设备2通过局域网与增强现实主设备1连接，增强现实副设备2用于获取机器人4的真实场景数据，并将机器人4的真实场景数据和来自云端服务器3的虚拟场景数据结合显示，同时支持多台增强现实副设备2与增强现实主设备1相互通讯，实现多人同时观察虚拟机器人工作站仿真运行。本实施例实现了虚拟机器人工作站和真实机器人4间的互动操作可视化，便于机器人工作站的开发，有利于降低机器人工作站的开发成本。
请参照图2，增强现实主设备1包括中央处理单元11以及分别与中央处理单元11连接的图像处理单元12、全息处理单元13、摄像头14和命令识别单元15。命令识别单元15包括用于识别手势信号的深度传感器和/或用于识别语音信号的麦克风。增强现实主设备1通过摄像头14获取现实中的机器人4的图像数据，并将图像数据传输给在中央处理单元11和图像处理单元12进行图像处理，增强现实主设备1通过全息处理单元13将来自云端服务器3的虚拟场景数据生成虚拟场景，并将虚拟场景和真实场景中的机器人4进行叠加显示，可以实现机器人4模拟操作的可视化，无需建造真实的机器人工作站，有利于降低机器人工作站开发的成本和机器人4操作的训练成本。
本实施例中，增强现实主设备1和增强现实副设备2均采用微软的HoloLens眼镜，HoloLens眼镜是一款独立的增强现实设备，本身具有性能优异的中央处理单元11和图像处理单元12，能够处理从摄像头14捕捉到的各种信息和数据，再依靠全息处理单元13，透过层叠的彩色镜片创建出虚拟对象，再借助类似Kinect的体感技术，让用户可以从一定角度和虚拟对象产生交互。
请参照图3，本实施例还公开的一种虚拟机器人工作站仿真互动可视化的实现方法，包括以下步骤：
在云端服务器建立虚拟机器人工作站的虚拟场景，并将虚拟场景导入增强现实主设备；
增强现实主设备启动后扫描真实空间，并保存空间信息数据；
增强现实主设备创建全局锚点，并将全局锚点发送给增强现实副设备；
增强现实主设备和增强现实副设备分别将虚拟机器人工作站全息显示在真实空间；
显示设备获取并展示增强现实主设备中的显示内容；
增强现实主设备获取用户的操作命令，实现用户与真实机器人的交互。
其中，在云端服务器建立虚拟机器人工作站的虚拟场景，并将虚拟场景导入增强现实主设备，具体步骤为：
S11.根据真实的虚拟机器人工作站在云端服务器中按照一定比例建立模型数据；
S12.采用三维模型优化方法对虚拟机器人工作站进行优化；
S13.将三维模型导入Unity 3D中搭建机器人工作站的虚拟场景；
S14.将虚拟场景导入增强现实主设备。
其中，三维模型优化方法包括几何特征优化方法与纹理优化方法：
几何特征优化方法包括从模型的点、线、面等特征方面进行优化。虚拟机器人工作站的模型数据包括工业产品的模型数据、工具和设备的模型数据、机器人的模型数据以及工作站的管理模型数据。根据虚拟机器人工作站场景下需展现模型的几何特征和精细程度需求，在保证模型精细程度需求的基础上尽量减少计算量。
纹理的使用可以有效的控制模型的边数，降低模型的复杂度，在提高屏幕的刷新频率的同时，减少文件量。利用纹理映射技术可以在减少模型表面特性计算、不增加多边形数目的情况下，对场景模型的表面特性进行描述，增强了场景的沉浸性、提高了渲染速度。材质和贴图是纹理映射技术常用的实现形式。利用材质可以为三维几何体设置透明、漫反射、自发光等表面特性贴图则可以使用图片代替三维几何体的表面纹理，使三维几何体在不增加模型复杂度的情况下增强其表面细微效果。要最大限度地压缩数据量，可以在整理纹理图像数据时使用一些重复贴图和子纹理技术等方法，提高建模的效率和系统资源的利用率。
空间锚点提供了一种能够将物体保留在特定位置和旋转状态上的方法。这保证了全息对象的稳定性，同时提供了后续在真实世界中保持全息对象位置的能力。简单地说，通过为全息对象添加空间锚点，这样就能在后续步骤中将全息对象准确恢复到它原来的位置。
步骤通过增强现实主设备创建全局锚点，并将全局锚点发送给增强现实副设备，具体步骤为：
S21.增强现实主设备对真实空间进行扫描并生成空间映射数据；
S22.根据空间映射数据调整虚拟机器人工作站的坐标和方向；
S23.增强现实主设备将调整后的虚拟机器人工作站的坐标和方向保存为全局锚点数据；
S24.向增强现实副设备发送全局锚点数据。
请参照图4，增强现实主设备获取用户的操作命令，实现用户与真实机器人的交互，具体步骤为：
S51.根据机器人的不同型号，采用供应商提供的机器人控制算法，预设至少一条机器人的基本运动轨迹(A-B-C-D-E-F)，并在基本运动轨迹上设置若干参数可变的关键点(A、B、C、 D、E、F)；
S52.增强现实主设备识别用户的手势命令，判断关键点的参数是否更新，若是，执行步骤S53，否则重复步骤S52；
S53.记录关键点的新参数，并发送给云端服务器；
S54.云端服务器根据更新后关键点的参数生成机器人的运动轨迹，并将运动轨迹数据发送给增强现实主设备；
S55.增强现实主设备控制真实机器人运动，并实时更新虚拟机器人工作站的场景。
本实施例实现了虚拟机器人工作站和真实机器人4之间的互动操作可视化，便于机器人工作站的研究，有利于降低机器人工作站的开发成本。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。
Claims (3)
1.一种虚拟机器人工作站仿真互动可视化的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
S11.根据真实的机器人工作站在云端服务器中按照一定比例建立模型数据；
S12.采用三维模型优化方法对虚拟机器人工作站进行优化；
S13.将三维模型导入Unity 3D中搭建机器人工作站的虚拟场景；
S14.将虚拟场景导入增强现实主设备；
增强现实主设备启动后扫描真实空间，并保存空间信息数据；
S21.增强现实主设备对真实空间进行扫描并生成空间映射数据；
S22.根据空间映射数据调整虚拟机器人工作站的坐标和方向；
S23.增强现实主设备将调整后的虚拟机器人工作站的坐标和方向保存为全局锚点数据；
S24.向增强现实副设备发送全局锚点数据；
增强现实主设备和增强现实副设备分别将虚拟机器人工作站全息显示在真实空间；
显示设备获取并展示增强现实主设备中的显示内容；
S51.预设至少一条机器人的基本运动轨迹，并在基本运动轨迹上设置若干参数可变的关键点；
S52.增强现实主设备识别用户的手势命令，判断所述关键点的参数是否更新，若是，执行步骤S53，否则重复步骤S52；
S53.记录所述关键点的新参数，并发送给所述云端服务器；
S54.所述云端服务器根据更新后关键点的参数生成机器人的运动轨迹，并将运动轨迹数据发送给增强现实主设备；
S55.通过增强现实主设备控制真实机器人运动，并实时更新虚拟机器人工作站的场景。
2.如权利要求1所述的虚拟机器人工作站仿真互动可视化的实现方法，其特征在于，所述三维模型优化方法包括几何特征优化方法与纹理优化方法。
3.如权利要求1所述的虚拟机器人工作站仿真互动可视化的实现方法，其特征在于：所述虚拟机器人工作站的模型数据包括工业产品的模型数据、工具和设备的模型数据、机器人的模型数据以及工作站的管理模型数据。
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| CN110047148A (zh) | 2019-07-23 |
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