摘  要： 針對遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中視頻傳輸數(shù)據(jù)量大，造成的時延嚴(yán)重影響操作者決策，使機(jī)器人現(xiàn)場作業(yè)透明度不高引起誤操作的問題，提出采用3DSMAX建立三維機(jī)器人仿真模型，在OPENGL編程環(huán)境下對其進(jìn)行繪制及仿真控制，采用H.263標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)壓縮算法把獲取視頻壓縮、傳輸、解壓、遠(yuǎn)端顯示與仿真模型融合。實驗證明，該方法不僅能實現(xiàn)控制命令準(zhǔn)確傳輸、機(jī)器人實時控制，而且視頻機(jī)器人跟蹤仿真模型軌跡作業(yè)避免了誤操作。
關(guān)鍵詞： 遙操作；機(jī)器人系統(tǒng)；視頻融合

    伴隨著科技發(fā)展、社會進(jìn)步，人類對未知領(lǐng)域的探索不斷深入，能夠代替人類進(jìn)行危險、惡劣環(huán)境作業(yè)的遙操作機(jī)器人技術(shù)越來越成為研究的熱點[1]。19世紀(jì)40年代，美國阿爾貢國立實驗室ANL(Argonne National Laboratory)制造的用于核環(huán)境的Model-M1型機(jī)械式主從操作手可作為遙操作機(jī)器人的發(fā)端。20世紀(jì)60年代早期，美國與法國的海軍開始在潛水艇上安裝遙操作手和攝像機(jī)進(jìn)行深水作業(yè)，將遙操作技術(shù)應(yīng)用于海洋；70年代以后，研制出登陸火星的遙操作機(jī)器人；80年代末90年代初，以加拿大SPAR公司建造的20 m長的遙操作臂RMS(Remote Manipulator System)為代表出現(xiàn)了幾種非常著名的空間遙操作系統(tǒng)。21世紀(jì)以來信息網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，促使研究者將網(wǎng)絡(luò)和遙操作機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，為遙操作機(jī)器人技術(shù)帶來了巨大變革[2-4]。當(dāng)代數(shù)字圖像信息作為最重要的信息之一被越來越廣泛地使用，人們獲取信息的70%來自視覺系統(tǒng)，也就是說在所有多媒體數(shù)據(jù)中，圖像提供的信息量最多，將機(jī)器人惡劣環(huán)境的作業(yè)情況以圖像的形式實時反饋給控制室，控制者通過圖像獲得更多的現(xiàn)場信息，這種遙操作機(jī)器人中的視頻監(jiān)控技術(shù)獲得廣泛的應(yīng)用和研究[5-6]。采用進(jìn)一步提高反饋視頻預(yù)測精度的H.263壓縮算法，目的就是以盡量少的bit數(shù)來表征圖像，同時保持復(fù)原圖像的質(zhì)量，使圖像在網(wǎng)絡(luò)上傳輸延時在允許范圍內(nèi)，避免操作者因延時產(chǎn)生的誤操作[7-9]。雖然選擇適當(dāng)?shù)膲嚎s算法，能夠滿足圖像傳輸要求，可以減輕圖像存儲和傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)，但是在工業(yè)生產(chǎn)中需要機(jī)器人的精確作業(yè)(如焊接機(jī)器人焊接時焊縫必須精準(zhǔn)無誤)[10-11]。因此，控制命令如何在網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)里實現(xiàn)快速傳輸、準(zhǔn)確抵達(dá)、實時處理，檢測機(jī)器人的作業(yè)精確度使機(jī)器人能對誤操作及時做出調(diào)整的技術(shù)問題成為遙操作機(jī)器人領(lǐng)域新的挑戰(zhàn)。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    針對以上情況，本文提出采用建立標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系使仿真機(jī)器人和反饋視頻在同一界面融合的方法，仿真模型預(yù)演作業(yè)任務(wù)而反饋視頻則跟蹤其軌跡進(jìn)行作業(yè)，通過兩者對比及時發(fā)現(xiàn)機(jī)器人作業(yè)情況，一旦越界違規(guī)立刻停止。操作者也能根據(jù)兩者的比較了解現(xiàn)場環(huán)境，如出現(xiàn)障礙物或機(jī)器人傷人事件時，立刻做出下一步命令以避免危險發(fā)生。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。具體工作流程：攝像頭采集真實機(jī)器人的視頻數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器端圖像采集卡的靜態(tài)內(nèi)存中對其進(jìn)行H.263壓縮，視頻數(shù)據(jù)壓縮后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸送到客戶機(jī)端。客戶機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓、還原、顯示、在仿真模型界面顯示視頻使兩者融合，同時客戶機(jī)實現(xiàn)操作界面程序編寫。操作界面包括視頻融合模塊、視頻處理模塊和控制模塊。視頻融合模塊對視頻進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)變換后使其同仿真機(jī)器人在一個界面上重合顯示。視頻處理模塊包括視頻放大、視頻縮小、視頻保存、打開視頻、視頻截圖、存位圖、存JPEG圖、打開位圖、打開JPEG圖等功能。仿真三維立體模型采用3DSMAX建立，在OPENGL編程環(huán)境下對其進(jìn)行相應(yīng)的繪制及控制。反饋視頻數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮、傳輸、解壓、相應(yīng)的坐標(biāo)變換及比例縮放后在客戶端顯示。服務(wù)器完成視頻采集、壓縮、存儲、傳輸。客戶機(jī)完成仿真模型控制、解壓、顯示視頻，以及對視頻進(jìn)行相應(yīng)的放大、縮小、截圖、保存。由于網(wǎng)絡(luò)傳輸存在延時，而且這種延時除了傳輸指定距離所需的固定延時及指令執(zhí)行延時外，還有一些隨機(jī)擾動延時，如果這種延時不能夠及時發(fā)現(xiàn)，操作者根據(jù)視頻反饋會做出錯誤判斷。根據(jù)這種情況在客戶端繪制接收數(shù)據(jù)字節(jié)曲線，可形象直觀地觀察到網(wǎng)絡(luò)狀況對視頻傳輸?shù)挠绊懀鐖D2所示。

    控制模塊如圖3所示，包括每個關(guān)節(jié)的啟動、停止按鈕、速度輸出及速度變量輸出顯示。

2 仿真模型建立及視頻融合實現(xiàn)
2.1 通信建立與視頻傳輸
    網(wǎng)絡(luò)通信分為同步方式和異步方式。同步方式是發(fā)送方不等接收方響應(yīng)，便接著發(fā)下一個數(shù)據(jù)包的通信方式；異步方式是發(fā)送方發(fā)出數(shù)據(jù)后，等收到接收方發(fā)回的響應(yīng)，才發(fā)下一個數(shù)據(jù)包的通信方式。本系統(tǒng)開發(fā)的是客戶端/服務(wù)器(C/S)結(jié)構(gòu)的軟件，該軟件是異步非阻塞模式。此模式的優(yōu)點是既可以同步執(zhí)行，也可以重疊執(zhí)行。圖像在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時，不可避免地要牽涉到傳輸協(xié)議的問題。TCP/IP是一組協(xié)議，其中底層的協(xié)議TCP和UDP對于圖像的傳輸起著至關(guān)重要的作用。TCP是面向連接的，即在端與端的通信中，TCP協(xié)議建立一條端與端之間的虛電路。UDP是一種面向無連接的，它取消了重傳校驗機(jī)制，能夠達(dá)到很高的通信效率，很適合于可靠性要求不高的數(shù)據(jù)傳輸。由于本機(jī)器人系統(tǒng)對視頻的丟幀情況要求不高，故采用客戶/服務(wù)器模式的UDP協(xié)議方式。視頻傳輸采用UDP傳輸，建立Socket類直接傳輸圖像數(shù)據(jù)，客戶端調(diào)用自寫show函數(shù)在OPENGL編程環(huán)境下繪制反饋視頻，實現(xiàn)視頻再現(xiàn)。系統(tǒng)中，使用MFC來開發(fā)通信程序及操作界面。這是因為MFC主要是基于窗口和文檔的應(yīng)用軟件編程，它集成了大量的數(shù)據(jù)和方法，將許多煩瑣的任務(wù)，如應(yīng)用程序初始化、文檔處理和磁盤I/O封裝起來，為使用者的編程帶來了巨大的方便。
2.2 仿真機(jī)器人模型繪制
    采用3DSMAX建立MOTOMAN機(jī)器人三維仿真機(jī)器人模型后，采用Deep Explortation轉(zhuǎn)換軟件轉(zhuǎn)換成VC代碼，在VC的工程設(shè)置中加入OPENGL的鏈接庫，建立工程并調(diào)用轉(zhuǎn)化的仿真機(jī)器人代碼。在創(chuàng)建、裝入、相乘模型變換和投影變換矩陣時都用到堆棧操作，一般來說，矩陣堆棧常用于構(gòu)造具有繼承性的模型，即由一些簡單目標(biāo)構(gòu)成的復(fù)雜模型。MOTOMAN機(jī)器人仿真模型中，復(fù)雜的機(jī)械手臂是由多個簡單的長方體依據(jù)繼承關(guān)系構(gòu)成的，而這種繼承關(guān)系由矩陣堆棧順序決定。機(jī)械手臂、關(guān)節(jié)、底座均按照實際機(jī)器人的比例進(jìn)行相應(yīng)縮放。規(guī)定好了底座的坐標(biāo)系后，其他關(guān)節(jié)、手臂則根據(jù)自身的立體尺寸就能計算出坐標(biāo)位置進(jìn)行繪制。本機(jī)器人模型由3層支撐底座、4個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、1個橫梁、1個豎柱、手爪及其他一些零部件構(gòu)成，仿真機(jī)器人模型如圖4(a)所示。它的繼承性表現(xiàn)在當(dāng)末端執(zhí)行器手爪運動時(如垂直上升)，首先是關(guān)節(jié)3向上啟動，然后關(guān)節(jié)2向手爪方向轉(zhuǎn)動，接著是關(guān)節(jié)1微轉(zhuǎn)，整個機(jī)器人垂直平移，如此進(jìn)行下去，整個機(jī)器人協(xié)調(diào)配合保持末端執(zhí)行器(手爪)垂直上升。三維模型在OPENGL中的顯示流程是：世界坐標(biāo)系中的三維物體經(jīng)三維幾何變換后投影并進(jìn)行三維裁剪及視口變換，最后在屏幕坐標(biāo)系中顯示圖形。

2.3 視頻融合及控制實現(xiàn)
    仿真機(jī)器人底座視點坐標(biāo)系確定后，視頻機(jī)器人根據(jù)仿真機(jī)器人的大小進(jìn)行縮放繪制，使底座同仿真機(jī)器人底座在一個坐標(biāo)位置。視頻中機(jī)器人的其他部分同底座一樣進(jìn)行相應(yīng)的映射，因此，初始時刻視頻和仿真模型的關(guān)節(jié)、視角位置是基本重合的。視頻融合界面通過VC控件SLIDER調(diào)節(jié)視頻透明度，操作者根據(jù)實際情況選擇清晰度，也可以將反饋視頻設(shè)置成完全透明(此時只能看到模型而看不到視頻)。本仿真機(jī)器人在OpenGL三維編程中實現(xiàn)3DSMAX數(shù)據(jù)模型的程序控制。3DSMAX是一種簡便快捷的建模軟件，比同類軟件進(jìn)一步完善了建模功能，更側(cè)重于復(fù)雜模型的建模，可以很容易地用C＋＋和OpenGL結(jié)合實現(xiàn)圖形學(xué)算法，再把本算法作為插件嵌入3DSMAX環(huán)境中，而不用考慮物體模型的生成和處理的復(fù)雜代碼，利用3DSMAX的渲染計時器可以方便地檢驗所編算法的效率和效果[12]。在仿真機(jī)器人制作時應(yīng)遵循一個原則：在能夠保證視覺效果的前提下，盡量采用比較簡單的模型，而且若能夠用參數(shù)化方法構(gòu)建的對象盡量用參數(shù)化方法構(gòu)建。同時，在模型創(chuàng)作過程中，對模型進(jìn)行分割、獨立建模，以利于進(jìn)行操作和考察。仿真機(jī)器人視頻融合前后對比如圖4所示。控制程序?qū)崿F(xiàn)仿真模型控制，控制過程是：按下相應(yīng)操作按鈕，2個線程同時運行，1個線程將控制指令傳送到仿真模型使虛擬機(jī)器人運動，另1個線程將控制命令通過網(wǎng)絡(luò)傳輸送到服務(wù)器控制真實MOTOMAN機(jī)器人完成一致作業(yè)。在仿真模型和視頻融合界面中，模型走過的軌跡在程序中用紅線標(biāo)定(為方便觀察者，紅色軌跡線采用10個像素的粗實線繪制)，反饋視頻隨后跟蹤此軌跡運行，操作者觀察視頻中機(jī)器人的運行情況并判斷運行是否達(dá)標(biāo)及決策下一步。
    該視頻融合方法應(yīng)用于遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中，能夠使控制者準(zhǔn)確判斷機(jī)器人作業(yè)精準(zhǔn)度，同時將傳統(tǒng)的遙操作機(jī)器人視頻監(jiān)控及仿真預(yù)測相結(jié)合，提出將視頻融合應(yīng)用于遙操作機(jī)器人技術(shù)中。實驗結(jié)果表明，這種方法對于精準(zhǔn)度要求高的機(jī)器人系統(tǒng)非常實用，將來可以將該視頻融合方法拓展在搶險救災(zāi)、災(zāi)情調(diào)查、工程運行、水利監(jiān)測、城市調(diào)查中，除了能對現(xiàn)場完成監(jiān)測錄像、圖像傳輸?shù)裙δ芡猓€可以比較預(yù)測與實際的差異。
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