一种可远程操作的开挖机器人的3D仿真系统的制作方法

本发明涉及一种3d仿真系统，属于工程机械领域，具体是涉及一种可远程操作的开挖机器人的3d仿真系统。

背景技术

传统的挖掘机需要操作人员在司机室通过眼睛来观察机器的工作状态，这种工作方式存在的问题有：在工作空间有限或隧道等危险环境中需要对开挖机器人进行远程操作时，若仅靠肉眼来观察开挖机器人工作状态，就很有可能进行误操作，给工作带来困难。

技术实现要素：

本发明主要是解决现有技术所存在的上述的技术问题，提供了一种可远程操作的开挖机器人的3d仿真系统。本发明可实时远程模拟机器人的工作状态，对开挖机器人的机臂、机身和履带的动作进行完全的仿真，使操作人员在远程操作时也可清楚的在显示屏上得到机器人真实的工作状态，防止误操作。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种可远程操作的开挖机器人的3d仿真系统，包括：

数据变量库，用于建立程序中需要的数据变量，所述数据变量包括来自plc中机臂油缸的伸缩长度、机身的旋转角度，以及编程过程中各种逻辑处理的中间结果；

通讯模块，用于使变量库中的变量与plc之间经过计算机的各种通信接口进行通信连接和数据交换；

仿真模块，用于在操作台对开挖机器人操作时使3d模型进行动画仿真，呈现出机器的工作状态。

在本发明的至少一个实施例中，所述通讯模块通过机臂油缸上的传感器，采集油缸长度的变化，通过无线网络传送至操作台的路由器，将传感器的数据作为3d仿真运动的初始数据，通过编程把初始变化转化为一些中间变量给到每个零件的运动轨迹中。

在本发明的至少一个实施例中，所述通讯模块通过以太网访问plc中接收传感器数据存放的地址，实时更新每个油缸长度的变化来达到实时监控机器人工作状况的目的。

在本发明的至少一个实施例中，所述仿真模块中，基于c#高级语言进行编程，分别模拟机械臂在随油缸的变化而变化、机械臂和机身的三维旋转的效果以及机器人走行的效果。

在本发明的至少一个实施例中，当开挖机器人为旋转工况时，将车身也作为一个整体接收和机械臂相同的旋转指令，根据得到的机臂旋转角度做出相对应的旋转。

在本发明的至少一个实施例中，所述仿真模块以机臂固定端为原点建立xy轴坐标系，分计算分别计算各油缸伸缩时的角度变化，并叠加，以此得到最后机臂的位置。

在本发明的至少一个实施例中，当第一油缸运动时，第一机臂的固定旋转点为o点，第一油缸的固定点为b点，第一油缸的伸缩杆端点连接于第一机臂上的a点，则oa与ob长度固定，ab长度由第一油缸伸缩长度决定，当ab变化时，计算出∠aob和∠abo的度数，让机臂od绕o点旋转，若为正数则顺时针旋转，为负数则为逆时针旋转。

在本发明的至少一个实施例中，当第二油缸运动时，第二油缸固定于第一机臂上的点为e点，其固定于第二机臂上的点为f点，第二机臂与第一机壁铰接的点为d点，则臂fd和de长度是固定不变的，当油缸2变化时根据三角函数关系算出∠fde和∠def的大小，则油缸2绕点e的旋转角度为∠fed的角度变化量，机械臂其他部分绕点d旋转角度为∠fde的变化量。

在本发明的至少一个实施例中，第二机臂与第三机臂铰接于i点，第三油缸铰接于第二臂上的g点以及第三臂上的h点，当第三油缸伸缩时，根据hg变化计算出∠hig和∠igh的大小，并且第三油缸绕点g点的旋转角度为∠igh的变化量,机械臂其他部分绕点i旋转角度为∠hig的变化量。

在本发明的至少一个实施例中，第四油缸的一端铰接于第三机臂上的l点，另一端铰接于一转动臂上的k点，所述转动臂的一端铰接于第三臂上的j点，第四机臂与所述转动臂相连；当第四油缸伸缩时，机臂kj和lj长度固定不变，当第四油缸伸缩时，根据lk变化算出∠klj和∠kjl的大小，第四油缸绕点l的旋转角度为∠klj的变化量,机械臂其他部分绕点j旋转角度为∠kjl的变化量。

因此，本发明具有如下优点：(1)开挖机器人的3d仿真系统在保证操作人员原理危险操作环境的情况下，弥补了摄像头成像不佳的情况，可以完全实时的呈现出开挖机器人的工作状况，实现了安全的最大化。

(2)在远程操作机器人时，即使有摄像头，也可能无法获取机器人机臂的工作状态，3d仿真系统将传感器得到的数据的在屏幕上呈现出机臂的真实状态，防止在不知道机臂状态的情况下进行误操作，实现了操作便利的最大化。

附图说明

附图1是本发明的机器人工作原理示意图；

附图2是本发明的3d仿真流程；

附图3-11是本发明的机臂旋转原理示意图；

附图12-13是本发明的机身转动示意图；

附图14是三种工作模式示意图；

附图15是工具头的选择示意图。

附图16是仿真系统流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

整个仿真主要系统分成两个部分，一个是机器人工况的3d仿真系统；一个是激光扫描把机器人周围环境模拟出来的系统。再把两个系统结合起来，并多视角展示，这样让操作人员能完全清晰的了解机器人的工作情况以及周围环境。下面分别进行介绍。

一、机器人工况的3d仿真系统

挖机器人的3d仿真系统主要包括数据变量库、通讯、编程和人机界面四个部分：

数据变量库是建立程序中需要的数据变量，它管理的变量有来自plc中机臂油缸的伸缩长度、机身的旋转角度等变量，以及编程过程中各种逻辑处理的中间结果。通过四个油缸上的传感器，可以采集油缸长度的变化，通过无线网络传送出来并通过操作台的路由器接收数据，这四个传感器的数据就是3d仿真运动的初始数据，通过编程把初始变化转化为一些中间变量给到每个零件的运动轨迹中。

通讯是使数据库中的变量与plc之间经过计算机的各种通信接口进行通信连接，进行数据交换。在开挖机器人上通过plc采集传感器数据并发送出来，操作台的plc接收数据，数据库通过以太网访问plc中接收传感器数据存放的地址，实时的来更新每个油缸长度的变化来达到实时监控机器人工作状况的目的。

编程就是通过编写算法把采集的数据与3d模型相联系，当操作台对开挖机器人操作时，可使3d模型进行动画仿真，呈现出机器的工作状态。编程采用了c#高级语言。为了让仿真效果更加逼真，尽可能多的模拟出开挖机器人的工作状况，编程思想分为三种：机械臂在随油缸的变化而变化、机械臂和机身的三维旋转的效果以及机器人走行的效果，其3d仿真流程如下图2所示。

人机界面就是将3d模型与程序相结合起来呈现出动画结果。结果如图12-14所示，使效果更加直观。

下面分别介绍机械臂在不同轴平面上变化时的轨迹仿真步骤。

当机械臂是在xy轴平面上变化时

程序中的算法会对机械臂模型中所有的零件都会对其运动轨迹进行编程。

机械臂如图3所示，机械臂的动作由图中第一油缸1、第二油缸2、第三第三油缸3、第四第四油缸4共四个油缸组合动作而成，当某个油缸或者几个油缸一起动作时，整个机臂的位置就会随之运动(o点和b点的位置是固定不变的)。本运动算法就是根据每个油缸的的变化计算出其他机臂部分的准确位置，达到模拟开挖机器人机械臂在工作时的情况。以图中的o点作为原点，建立xy轴坐标系。除油缸长度是变化外，机械臂其他部分的长度是不变的。第一油缸1如图4所示。

图中，o点为原点，b为第一油缸1末端，所以△obc是固定的，ab是第一油缸1的长度，是变化的，oa和ob是已知的，所以可以算出∠aob和∠abo的角度变化公式。当ab变化时，可根据得出的角度公式，计算出∠aob和∠abo的度数，让机臂od绕o点旋转(∠aob-初始∠aob)，若为正数则顺时针旋转，为负数则为逆时针旋转(以下旋转方法以此相同)，第一油缸1绕点b的旋转角度为(∠abo-初始∠abo)。整个机械臂其他部分绕点o旋转(∠aob-初始∠aob)，结果示意图如图5所示。

第二油缸2如图6所示，臂fd和de长度是固定不变的，当第二油缸2即图中fe变化时根据三角函数关系可算出∠fde和∠def的大小，则第二油缸2绕点e的旋转角度为(∠fed-初始∠fed),机械臂其他部分绕点d旋转角度为(∠fde-初始∠fde)，第一油缸1和臂od不动。结果示意图如图7所示。

当第一油缸1和第二油缸2都动作时，分别计算第一油缸1和第二油缸2伸缩时的角度变化并叠加，以此得到最后的效果。

当第三油缸3如图8所示，臂hi和ig长度是固定不变的，当第三油缸3即图中hg变化时根据三角函数关系可算出∠hig和∠igh的大小，则第三油缸3绕点g的旋转角度为(∠igh-初始∠igh),机械臂其他部分绕点i旋转角度为(∠hig-初始∠hig)，第一油缸1和2及其臂不动。结果示意图如图9所示。

当第一油缸1、2和3都动作时，分别计算第一油缸1、第二油缸2和第三油缸3伸缩时的角度变化，并叠加，以此得到最后的效果。

当第四油缸4如图10所示，臂kj和lj长度是固定不变的，当第四第四油缸4即图中lk变化时根据三角函数关系可算出∠klj和∠kjl的大小，则第三油缸3绕点l的旋转角度为(∠klj-初始∠klj),机械臂其他部分绕点j旋转角度为(∠kjl-初始∠kjl)，第一油缸1和2及其臂不动。结果示意图如图11所示。

当所有油缸都动作时，分别计算第一油缸1、第二油缸2、第三油缸3和第四油缸4伸缩时的角度变化，并叠加，以此得到最后的效果。

机械臂和机身的三维旋转的效果

当开挖机器人为旋转工况时，把机械臂作为一个整体而不是单个的零件来给接收旋转指令，车身也作为一个整体接收和机械臂相同的旋转指令，以此来达到同步性，3d仿真模型根据得到的旋转角度做出相对应的旋转，如图12所示为左旋转90°时的效果。

机器人走行的效果

机器人走行时四个支腿立起并且履带展现出走行的效果。当机器为走行命令时，给四个支脚给定旋转角度，并且让履带呈周期性旋转的效果。如图13所示。

工作模式的选择

此开挖机器人有挖、凿、铣三种工作模式，就会有三种工具头的切换，如图14所示。工具头的切换通过屏幕上图15按钮的选择，来选择工作模式。

通过以上描述可知，本实施例具有以下优点：

(1)开挖机器人的3d仿真系统在保证操作人员原理危险操作环境的情况下，弥补了摄像头成像不佳的情况，可以完全实时的呈现出开挖机器人的工作状况，实现了安全的最大化。

(2)在远程操作机器人时，即使有摄像头，也可能无法获取机器人机臂的工作状态，3d仿真系统将传感器得到的数据的在屏幕上呈现出机臂的真实状态，防止在不知道机臂状态的情况下进行误操作，实现了操作便利的最大化。

程序中的算法会对机械臂模型中所有的零件都会对其运动轨迹进行编程。

二、激光扫描点云系统

三维激光扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，那么则可以求得每一个扫描点的三维坐标。

三维建模的步骤如下：

三维激光扫描系统采集的数据为点云数据，点云数据处理一般包含下面几个步骤：噪声去除、多视对齐、数据精简、曲面重构。

噪声去除指除去点云数据中扫描对象之外的数据。在扫描过程中，由于某些环境因素的影响，如开挖机器人在隧道等作业场所施工时会有大量的粉尘等，会影响扫描仪采集的效果，这些数据在后处理就要删除。

多视对齐其指由于被测件过大或形状复杂，扫描时往往不能一次测出所有数据，而需要从不同位置、多视角进行多次扫描，这些点云就需要对齐、拼接称为多视对齐。点云对齐、拼接可以通过在物体表面布设同名控制点来实现。开挖机器人多工作在地形复杂、环境危险的地方，且随着挖掘的进行，扫描需要实时更新，这样才能保证对环境的实时掌握。

点云的数据精简指的是由于点云数据是海量数据，在不影响曲面重构和保持一定精度的情况下需要对数据进行精简。可按原点云中每n个点保留1个来精简。

为了真实地还原扫描日标的本来面目，需要将扫描数据用准确的曲面表示出来，这个过程叫曲面重构。

经过曲面重构后，就可以进行三维建模，还原扫描日标的本来面日。点云数据处理步骤基本完成，可以应用点云数据来解决问题。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。