專利名稱：托克馬克腔內(nèi)的機(jī)械臂定位與避障系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于機(jī)械控制技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)，特別是一種基于深度傳感器信息的托克馬克腔內(nèi)的機(jī)械臂定位與避障系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
因托卡馬克裝置內(nèi)外表面積和體積較大原因，內(nèi)壁一般采用分塊制造再裝配工藝設(shè)計(jì)方法。以EAST為例，其大小一般為0. 25m2(50cmX50cm)左右，重達(dá)數(shù)十公斤。為防止輻射和發(fā)生泄漏事故，要求的焊接和裝配精度為±2mm或更高。ITER運(yùn)轉(zhuǎn)起來之后，內(nèi)壁溫度高達(dá)120-200°C，熱能密度啟動時(shí)可達(dá)5MW/m2，關(guān)機(jī)時(shí)亦可達(dá)0. 5MW/m2，真空度為10_6， 磁場強(qiáng)度可達(dá)6. 2T，Y輻射最高達(dá)10Gy/h。這種高溫、高真空、高磁場和高輻射的工況極端惡劣危險(xiǎn)。即使因維護(hù)等作業(yè)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，內(nèi)壁位置處仍殘存較大的高能輻射和電磁輻射以及約3. 5T的較強(qiáng)磁場，人類無法直接進(jìn)入其中進(jìn)行作業(yè)。
因此，面向托卡馬克腔維護(hù)的操作如檢查、裝配、拆卸、焊接、搬運(yùn)等作業(yè)必須采用機(jī)械臂完成。維護(hù)機(jī)械臂的操作精度高、工作空間大、冗余自由度、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜惡劣，機(jī)械、控制、傳感和遙操作等各方面很多關(guān)鍵技術(shù)亟須攻克。
現(xiàn)有的機(jī)械臂姿態(tài)檢測、碰撞檢測一般要求在每個(gè)關(guān)節(jié)安裝位置傳感器，得到機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的空間坐標(biāo)，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算后判斷各關(guān)節(jié)以及關(guān)節(jié)與托卡馬克腔體是否發(fā)生碰撞。對計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和多傳感器信息集成技術(shù)要求高，而且在處理高度冗余自由度的機(jī)械臂定位和避障問題上有一定難度。
微軟kinect 3D體感攝像頭的推出和廣泛應(yīng)用為我們在基于視覺的機(jī)械臂定位和避障領(lǐng)域提供了新的思路。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于深度傳感器信息的托克馬克腔內(nèi)的機(jī)械臂定位與避障系統(tǒng)。通過在托克馬克環(huán)形腔內(nèi)4個(gè)域?qū)ΨQ安裝深度信息傳感器，實(shí)時(shí)檢測腔體和機(jī)械臂的空間位置。一方面將圖像實(shí)時(shí)傳輸給操作人員，提供直觀的視覺信息；另一方面檢測目標(biāo)的空間距離，當(dāng)關(guān)節(jié)-關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)-腔體之間距離小于碰撞預(yù)警閾值時(shí)，控制系統(tǒng)啟動避障策略。另外利用骨架化程序，得到機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的坐標(biāo)后計(jì)算各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角，傳給3D仿真模塊，控制仿真環(huán)境下的機(jī)械臂實(shí)時(shí)更新位姿。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括四個(gè)模塊傳感器信號采集模塊、 傳感器信號處理模塊、機(jī)械臂控制系統(tǒng)模塊、VR實(shí)時(shí)顯示模塊。傳感器信號采集模塊負(fù)責(zé)采集安裝在托克馬克腔各處的深度傳感器信號，采集到的信號輸入到傳感器信號處理模塊; 傳感信號處理模塊對傳感器信號采集模塊送來的信號作預(yù)處理，計(jì)算出機(jī)械臂和腔體的空間位置、機(jī)械臂骨架化后各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)，計(jì)算的結(jié)果作為傳感器信號處理模塊的輸出， 送到機(jī)械臂控制系統(tǒng)模塊和VR實(shí)時(shí)顯示模塊；機(jī)械臂控制系統(tǒng)模塊根據(jù)傳感器信號處理模塊送來的數(shù)據(jù)，判斷是否小于碰撞預(yù)警閾值，如果小于閾值，啟動避障策略；VR實(shí)時(shí)顯示模塊根據(jù)傳感信號處理模塊送來的數(shù)據(jù)，在仿真環(huán)境中實(shí)時(shí)顯示機(jī)械臂和腔體的位姿，并為人機(jī)交互提供一個(gè)接口。
所述的傳感器信號采集模塊負(fù)責(zé)采集安裝在托克馬克環(huán)形腔4個(gè)域的深度傳感器信號。
所述的傳感器信號處理模塊對傳感器采集模塊采集到的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，這些數(shù)據(jù)預(yù)處理包括機(jī)械臂的空間位置、機(jī)械臂和環(huán)境的相對位置、機(jī)械臂骨架化后各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理的結(jié)果作為傳感器信號處理模塊的輸出送到機(jī)械臂控制系統(tǒng)模塊和VR實(shí)時(shí)顯示模塊進(jìn)行處理。
所述的機(jī)械臂控制系統(tǒng)模塊根據(jù)傳感器信號處理模塊送來的數(shù)據(jù)判斷機(jī)械臂與托克馬克腔體以及機(jī)械臂各關(guān)節(jié)之間的目標(biāo)點(diǎn)距離是否小于碰撞預(yù)警閾值，如果小于閾值，啟動避障策略。
所述的VR實(shí)時(shí)顯示模塊根據(jù)傳感器信號處理模塊送來的數(shù)據(jù)，主要是機(jī)械臂各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，該模塊已經(jīng)建立了托克馬克腔和機(jī)械臂系統(tǒng)的3D模型，實(shí)時(shí)顯示機(jī)械臂當(dāng)前姿態(tài)。同時(shí)該模塊還要提供人機(jī)交互的接口界面，從而可以根據(jù)用戶的要求顯示某個(gè)時(shí)刻的機(jī)械臂姿態(tài)，給出相應(yīng)的調(diào)整指令。
本發(fā)明上述技術(shù)方案可以有效的實(shí)現(xiàn)托克馬克腔內(nèi)的機(jī)械臂定位和避障，不僅免去了計(jì)算處理多傳感器的信息的過程，而且可以提供直觀的視覺信息，更方便操作人員的監(jiān)控。


圖I本發(fā)明實(shí)施例系統(tǒng)框圖2本發(fā)明實(shí)施例深度傳感器在托克馬克腔內(nèi)的安裝示意圖。
具體實(shí)施方式
下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖I所示，本實(shí)施例提供一種基于深度傳感器信息的托克馬克腔內(nèi)的機(jī)械臂定位與避障系統(tǒng)，包括四個(gè)模塊傳感器信號采集模塊、傳感器信號處理模塊、機(jī)械臂控制系統(tǒng)模塊、VR實(shí)時(shí)顯示模塊。
傳感器信號采集模塊從安裝在托克馬克腔內(nèi)的4個(gè)深度傳感器采集信號(如圖2 中1-4所示)，輸出送給傳感器信號處理模塊處理。在實(shí)施例中，綜合考慮性價(jià)比等因素，并且暫不考慮復(fù)雜電磁環(huán)境對傳感器信號的干擾，深度傳感器型號選擇微軟的kinect攝像頭。
傳感器信號處理模塊對傳感器采集模塊送來的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)據(jù)預(yù)處理的結(jié)果作為傳感器信號處理模塊的輸出送給機(jī)械臂控制系統(tǒng)模塊和VR實(shí)時(shí)顯示模塊；這些數(shù)據(jù)預(yù)處理包括機(jī)械臂的空間位置、機(jī)械臂和環(huán)境的相對位置、機(jī)械臂骨架化后各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)。微軟kinect體感攝像頭對人體骨架化在游戲中的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，本實(shí)例中將此技術(shù)移植于機(jī)械臂，對托克馬克腔內(nèi)的串聯(lián)式機(jī)械臂骨架化，就可以由實(shí)時(shí)采集到的圖像信號計(jì)算得到機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角。
機(jī)械臂控制系統(tǒng)模塊根據(jù)傳感器信號處理模塊送來的數(shù)據(jù)，判斷機(jī)械臂與托克馬克腔體以及機(jī)械臂各關(guān)節(jié)之間的目標(biāo)點(diǎn)距離是否小于碰撞預(yù)警閾值，如果小于閾值，啟動避障策略。
傳感器信號處理模塊和機(jī)械臂控制系統(tǒng)模塊在現(xiàn)場的一臺工控機(jī)上實(shí)現(xiàn)。具體又包括了 I/o模塊、避障與定位決策模塊、運(yùn)動控制模塊等。工控機(jī)與VR實(shí)時(shí)顯示模塊通過以太網(wǎng)連接。
VR實(shí)時(shí)顯示模塊根據(jù)從傳感器信號處理模塊送來的數(shù)據(jù)，在仿真環(huán)境中實(shí)時(shí)顯示機(jī)械臂和腔體的當(dāng)前位姿，也可以根據(jù)用戶的要求顯示某個(gè)時(shí)刻的機(jī)械臂姿態(tài)，并結(jié)合操作人員自己的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，輸出調(diào)整指令。該模塊用VB技術(shù)實(shí)現(xiàn)，分為用戶界面和后臺運(yùn)行程序兩部分。用戶界面顯示機(jī)械臂的各種姿態(tài)、數(shù)據(jù)信息，并為用戶提供一個(gè)人機(jī)交互的接口 ；后臺運(yùn)行程序負(fù)責(zé)后臺運(yùn)行數(shù)據(jù)調(diào)用、處理、結(jié)果保存等工作。
本發(fā)明通過在托克馬克環(huán)形腔內(nèi)4個(gè)域?qū)ΨQ安裝深度信息傳感器，實(shí)時(shí)檢測腔體和機(jī)械臂的空間位置。一方面將圖像實(shí)時(shí)傳輸給操作人員，提供直觀的視覺信息；另一方面檢測目標(biāo)的空間距離，當(dāng)關(guān)節(jié)-關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)-腔體之間距離小于碰撞預(yù)警閾值時(shí)，控制系統(tǒng)啟動避障策略。另外利用骨架化程序，得到機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的坐標(biāo)后計(jì)算各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角，傳給 3D仿真模塊，控制仿真環(huán)境下的機(jī)械臂實(shí)時(shí)更新位姿。
盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種托克馬克腔內(nèi)的機(jī)械臂定位與避障系統(tǒng)，其特征在于，包括四個(gè)模塊傳感器信號采集模塊、傳感器信號處理模塊、機(jī)械臂控制系統(tǒng)模塊、VR實(shí)時(shí)顯示模塊，其中傳感器信號采集模塊負(fù)責(zé)采集安裝在托克馬克腔各處的深度傳感器信號，采集到的信號輸入到傳感器信號處理模塊；傳感信號處理模塊對傳感器信號采集模塊送來的信號作預(yù)處理，計(jì)算出機(jī)械臂和腔體的空間位置、機(jī)械臂骨架化后各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)，計(jì)算的結(jié)果作為傳感器信號處理模塊的輸出，送到機(jī)械臂控制系統(tǒng)模塊和VR實(shí)時(shí)顯不模塊；機(jī)械臂控制系統(tǒng)模塊根據(jù)傳感器信號處理模塊送來的數(shù)據(jù)，判斷是否小于碰撞預(yù)警閾值，如果小于閾值，啟動避障策略；VR實(shí)時(shí)顯示模塊根據(jù)傳感信號處理模塊送來的數(shù)據(jù)，在仿真環(huán)境中實(shí)時(shí)顯示機(jī)械臂和腔體的位姿，并為人機(jī)交互提供一個(gè)接口。
2.如權(quán)利要求I所述的托克馬克腔內(nèi)的機(jī)械臂定位與避障系統(tǒng)，其特征是，所述的傳感器信號采集模塊為帶深度信息的3D攝像頭，不僅能夠采集3D圖像信息，而且可以檢測空間距離，采集的數(shù)據(jù)傳給傳感器信號處理模塊。
3.如權(quán)利要求I或2所述的托克馬克腔內(nèi)的機(jī)械臂定位與避障系統(tǒng)，其特征是，所述的傳感器信號處理模塊對傳感器采集模塊采集到的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，這些數(shù)據(jù)預(yù)處理包括機(jī)械臂和腔體的空間位置、機(jī)械臂骨架化后計(jì)算得出各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)預(yù)處理的結(jié)果作為傳感器信號處理模塊的輸出送到機(jī)械臂控制系統(tǒng)模塊、VR實(shí)時(shí)顯示模塊進(jìn)行處理。
4.如權(quán)利要求I或2所述的托克馬克腔內(nèi)的機(jī)械臂定位與避障系統(tǒng)，其特征是，所述的VR實(shí)時(shí)顯示模塊根據(jù)傳感器信號處理模塊送來的數(shù)據(jù)，主要是機(jī)械臂各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)， 該模塊已經(jīng)建立了托克馬克腔和機(jī)械臂系統(tǒng)的3D模型，實(shí)時(shí)顯示機(jī)械臂當(dāng)前姿態(tài)，同時(shí)該模塊還要提供人機(jī)交互的接口界面，從而可根據(jù)用戶的要求顯示某個(gè)時(shí)刻的機(jī)械臂姿態(tài)， 給出相應(yīng)的調(diào)整指令。
5.如權(quán)利要求4所述的托克馬克腔內(nèi)的機(jī)械臂定位與避障系統(tǒng)，其特征是，所述的VR 實(shí)時(shí)顯示模塊用VB技術(shù)實(shí)現(xiàn)，分為用戶界面和后臺運(yùn)行程序兩部分，用戶界面顯示機(jī)械臂的各種姿態(tài)、數(shù)據(jù)信息，并為用戶提供一個(gè)人機(jī)交互的接口 ；后臺運(yùn)行程序負(fù)責(zé)后臺運(yùn)行數(shù)據(jù)調(diào)用、處理、結(jié)果保存工作。
全文摘要
本發(fā)明公開一種托克馬克腔內(nèi)的機(jī)械臂定位與避障系統(tǒng)，其中傳感器信號采集模塊負(fù)責(zé)采集安裝在托克馬克腔各處的深度傳感器信號，采集的信號輸入傳感器信號處理模塊，由其作預(yù)處理，計(jì)算出機(jī)械臂和腔體的空間位置、機(jī)械臂骨架化后各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)，計(jì)算的結(jié)果作為傳感器信號處理模塊的輸出，送到機(jī)械臂控制系統(tǒng)模塊和VR實(shí)時(shí)顯示模塊；機(jī)械臂控制系統(tǒng)模塊根據(jù)傳感器信號處理模塊送來的數(shù)據(jù)，判斷是否小于碰撞預(yù)警閾值，如果小于閾值，啟動避障策略；VR實(shí)時(shí)顯示模塊根據(jù)傳感信號處理模塊送來的數(shù)據(jù)，在仿真環(huán)境中實(shí)時(shí)顯示機(jī)械臂和腔體的位姿，并為人機(jī)交互提供一個(gè)接口。本發(fā)明可以有效的實(shí)現(xiàn)托克馬克腔內(nèi)的機(jī)械臂定位和避障。
文檔編號B25J13/08GK102528811SQ201110427718
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者何強(qiáng), 曹其新, 王鵬飛 申請人:上海交通大學(xué)