CN210616536U - 一种基于vr技术的机器人控制装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于VR技术的机器人控制装置，该装置包括：机器人终端和操控终端，机器人终端和操控终端通过无线通信模块电连接；机器人终端包括：摄像头、电动云台、电动舵机和上位机，摄像头、电动云台和电动舵机均与上位机电连接；其中，电动云台安装在机器人的头部和机器人的身体中间，及电动舵机安装在电动舵机的机械臂上；操控终端包括：VR眼镜、体感控制器、惯性传感器组和单片机，VR眼镜、体感控制器和惯性传感器组均与单片机电连接；其中，所述惯性传感器组包括：MEMS芯片和磁力计。本实用新型通过VR眼镜和惯性传感器组的设置，可以解决体感控制技术在机器人控制方面精度不高，且位置局限的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及机器人辅助设备领域，特别涉及一种基于VR技术的机器人控制装置。
背景技术
虚拟现实技术越来越成熟，并逐渐进入我们的生活。虚拟现实(VR)技术包括Augmented Reaity(AR)，即增强现实技术，该技术是将真实场景与虚拟场景叠加，从而使使用者达到超越现实的感官体验。而体感控制技术实现了人们通过肢体动作与周边的装置或环境互动，让人们身历其境地与内容做互动，但精度不够高，且位置局限。
实用新型内容
本实用新型实施例提供一种基于VR技术的机器人控制装置，可以解决现有技术中存在的问题。
本实用新型实施例提供一种基于VR技术的机器人控制装置，包括：机器人终端和操控终端，所述机器人终端和所述操控终端通过无线通信模块电连接；
所述机器人终端包括：摄像头、电动云台、电动舵机和上位机，所述摄像头、所述电动云台和所述电动舵机均与所述上位机电连接；其中，所述电动云台安装在机器人的头部和机器人的身体中间，及所述电动舵机安装在所述电动舵机的机械臂上；
所述操控终端包括：VR眼镜、体感控制器、惯性传感器组和单片机，所述VR眼镜、所述体感控制器和所述惯性传感器组均与所述单片机电连接；其中，所述惯性传感器组包括：MEMS芯片和磁力计。
进一步地，所述摄像头的数量为两个。
进一步地，所述电动舵机的数量为七个。
进一步地，所述无线通信模块采用WIFI无线通信模块。
进一步地，所述单片机采用STM32系列单片机。
进一步地，所述MEMS芯片集成了加速计和陀螺仪。
本实用新型实施例提供一种基于VR技术的机器人控制装置，与现有技术相比，其有益效果如下：
本实用新型将虚拟现实技术和惯性导航肢体结合，通过远端机器人上的双USB摄像头实时采集图像，通过WFI网络无线传送至头戴式虚以现实眼镜播放，从而形成双目3D视觉，操控者根据视觉反馈做出相应的动作姿态调整，惯性导航通过测量对象的加速度、运动角度、方位，通过积分运算获得对象的瞬时速度、瞬时位置数据的技术，即通过VR眼镜和惯性传感器组的设置，可以解决体感控制技术在机器人控制方面精度不高，且位置局限的问题。同时，穿戴者负重轻，肢体动作无阻碍，在使用方便程度上极大改善了用户体验。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的基于VR技术的机器人控制装置的原理框图；
图2为本实用新型实施例提供的单片机工作流程图；
图3为本实用新型实施例提供的机械臂运行示意图；
图4为本实用新型实施例提供的头部视频采集示意图；
图5为本实用新型实施例提供的上位机电连线示意图；
图6为本实用新型实施例提供的数据采集电连线示意图；
图7为本实用新型实施例提供的数据采集和数据传输流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解为本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。
参见图1～7，本实用新型实施例提供的一种基于VR技术的机器人控制装置，该装置包括：机器人终端和操控终端，机器人终端和操控终端通过无线通信模块电连接；机器人终端包括：摄像头、电动云台、电动舵机和上位机，摄像头、电动云台和电动舵机均与上位机电连接；其中，电动云台安装在机器人的头部和机器人的身体中间，及电动舵机安装在电动舵机的机械臂上；操控终端包括：VR眼镜、体感控制器、惯性传感器组和单片机，VR眼镜、体感控制器和惯性传感器组均与单片机电连接；其中，所述惯性传感器组包括：MEMS芯片和磁力计。
上述技术方案，通过VR眼镜和惯性传感器组的设置，可以解决体感控制技术在机器人控制方面精度不高，且位置局限的问题。
下面具体介绍上述技术方案的部分：
单片机部分
本实用新型选择STM32单片机作为主控，通过对STM32定时器的设置，可以输出标准舵机的PWM信号，改变各个PWM信号的占空比实现对舵机的精确控制。通过配置串口模块，并加入奇偶校验，保证了数据在高速传输下的准确性。单片机串口模块通过无线穿透串口模块与上位机通信，接收控制信号，从而实现远程控制。先初始化单片机，并在程序入口初始化串口模块、定时器模块。配置串口工作模式，编写串口接服务程序，实现串口通信。编程控制定时器产生多路脉宽调制(PWM)信号，通过对定时器的分频，可以输出标准舵机的PWM信号。由串口接收程序获得上位机的控制信号，并将其转换为相应的PWM信号驱动舵机，控制机器人各个部位按照控制信号协同工作，实现了机器人跟随人体运动。
机械臂制作设计部分
考虑到成本以及实用性，本实用新型使用多个舵机搭配多功能舵机架的灵活组合制作机械臂。通过每条机械臂安装七个舵机来实现具有七个自由度的机械臂，从而尽可能地模拟人手臂动作，为控制打好硬件基础。
头部视频采集部分
为了实现远程双目立体视觉，我们决定选用两个摄像头作为图像传感器。双摄像头模拟人双眼，基于视差原理来获取物体三维几何信息。由两个摄像头同时采集视频信息，经过上位机(PC机)处理后传送到VR眼镜并播放，使操控者获得机器人的立体视觉。若摄像头位置固定，操控者只能获得一个固定方向上的视野，这就极大地限制了观察范围。于是我们决定在机器人头部与主体相连接处加入云台，用来模拟人脖子的功能。云台根据体感控制器采集到的人头部的姿态数据调整自身姿态，使摄像头的朝向与人脸的朝向保持一致，达到跟随操控者视野的目的。
动作采集接收部分
动作捕捉系统的一般性结构主要分为3个部分：数据采集设备、数据传输设备、数据处理单元。惯性导航式动作捕捉系统即是将惯性传感器应用到数据采集设备，从而完成运动目标的姿态、角度的测量。要完成对人体肢体动作的捕捉，重要部位佩戴集成加速计、陀螺仪、磁力计等惯性传感器的数据采集设备，加速计是用来检测传感器受到的加速度的大小和方向，它通过测量传感器在某个轴向的加速度大小和方向，但是相对于地面的姿态则精度不高。加速计的不足由陀螺仪来弥补，陀螺仪是通过测量三维坐标体系内内部陀螺转子的垂直轴与传感器的夹角，并计算角速度，通过夹角和角速度来判断物体在三维空间的运动状态，因为内部陀螺转子的垂直轴永远垂直地面，也就能保证对地面的姿态精度，但是不能测量同东西南北4个方向的姿态。那么陀螺仪的不足由磁力计来弥补，磁力计就是个小型的电子罗盘，由它来测量传感器同南北磁极的角度并确定4个方向的姿态。数据传输设备是为了解决把采集到的动作数据传递给数据处理单元，同时也是上述数据采集设备的数据交汇点，这一特质决定了数据传输设备不可避免地要与数据采集设备就近部署。从使用舒适性、可穿戴性方面考虑，数据传输设备应采用无线通信技术回传数据给数据处理单元以减少线缆数量和穿戴者的负担。目前主流的无线通信技术有ZigBee，Bluetooth，RFID，WiFi等，根据数据吞吐量来决定系统的通信子系统的设计，1个数据采集设备集成加速计、陀螺仪、磁力计，其中现在主流MEMS芯片集成了加速计和陀螺仪，磁力计单独一颗芯片，芯片数据接口为I2C总线，I2C总线最大码流400kbps，那么数据量参考公式所述。传输数据吞吐量＝17×2×400kbps≈13.6Mbps根据公式所述的吞吐量要求，WiFi支持11～54Mbps，其余技术传输速率不及1Mbps，故此数据传输设备采用WiFi回传数据，在穿戴者身上部署数据传输设备(穿戴侧)，在数据处理单元侧对称部署数据传输设备(处理侧)，二者实现WiFi无线传输数据，数据传输设备(处理侧)与数据处理单元通过USB传输数据。数据处理单元采用图形工作站，工作站运行动作捕捉软件完成行动作捕捉。
需要说明的是，本实用新型采用惯导的优点：①依靠自身测量信息进行连续定位；②不需接收外部信息，不受外界干扰；③不向外部辐射能量，具有隐蔽性；④可同时确定载体位置、速度、姿态信息。
工作原理
本实用新型通过远端机器人上的双USB摄像头实时采集图像，通过WFI网络无线传送至头戴式虚以现实眼镜播放，从而形成双目3D视觉；操控者根据视觉反馈做出相应的动作姿态调整，云台根据体感控制器采集到的人头部的姿态数据调整自身姿态，使摄像头的朝向与人脸的朝向保持一致，达到跟随操控者视野的目的；惯性导航通过测量对象的加速度、运动角度、方位，通过积分运算获得对象的瞬时速度、瞬时位置数据的技术，即惯性导航用于矫正体感控制器产生的误差；同时，通过对STM32定时器的设置，可以输出标准舵机的PWM信号，从而控制机械臂运行。
实验结果
惯性导航提高精准度这种方法在Unity3D平台下的反复测试和优化后可取得一些可喜的指标，在定位精度、实时性上，位置跟踪精度达到5mm、最小角速度0°/s、最大角速度2000°/s、精度偏航为0.25°、俯仰和横滚分别为0.1°、角分辨率0.01°等。
以上公开的仅为本实用新型的具体实施例，但是，本实用新型实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于VR技术的机器人控制装置，其特征在于，包括：机器人终端和操控终端，所述机器人终端和所述操控终端通过无线通信模块电连接；
所述机器人终端包括：摄像头、电动云台、电动舵机和上位机，所述摄像头、所述电动云台和所述电动舵机均与所述上位机电连接；其中，所述电动云台安装在机器人的头部和机器人的身体中间，及所述电动舵机安装在所述电动舵机的机械臂上；
所述操控终端包括：VR眼镜、体感控制器、惯性传感器组和单片机，所述VR眼镜、所述体感控制器和所述惯性传感器组均与所述单片机电连接；其中，所述惯性传感器组包括：MEMS芯片和磁力计。
2.如权利要求1所述的基于VR技术的机器人控制装置，其特征在于，所述摄像头的数量为两个。
3.如权利要求1所述的基于VR技术的机器人控制装置，其特征在于，所述电动舵机的数量为七个。
4.如权利要求1所述的基于VR技术的机器人控制装置，其特征在于，所述无线通信模块采用WIFI无线通信模块。
5.如权利要求1所述的基于VR技术的机器人控制装置，其特征在于，所述单片机采用STM32系列单片机。
6.如权利要求1所述的基于VR技术的机器人控制装置，其特征在于，所述MEMS芯片集成了加速计和陀螺仪。
Priority Applications (1)
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| CN201921719714.2U CN210616536U (zh) | 2019-10-14 | 2019-10-14 | 一种基于vr技术的机器人控制装置 |
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| CN (1) | CN210616536U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022061495A1 (zh) * | 2020-09-22 | 2022-03-31 | 深圳市大疆创新科技有限公司 | 参数标定方法、装置及可移动平台 |
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2019
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| WO2022061495A1 (zh) * | 2020-09-22 | 2022-03-31 | 深圳市大疆创新科技有限公司 | 参数标定方法、装置及可移动平台 |
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