農(nóng)業(yè)機(jī)器人操作VR技術(shù)思考

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【摘要】農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研發(fā)與設(shè)計(jì)，解決了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的許多操作性難題。將vr技術(shù)運(yùn)用在農(nóng)業(yè)機(jī)器人操作中，也是近年來科研領(lǐng)域中重點(diǎn)突破的技術(shù)性問題。本文以此為背景，重點(diǎn)論述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的功能特征，并結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)器人的仿真平臺，構(gòu)建探討VR技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人操作中的運(yùn)用形式，幫助提升農(nóng)業(yè)機(jī)器人仿真操作的穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】VR技術(shù)；農(nóng)業(yè)機(jī)器人；仿真

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有多感知性、存在感、交互性和自主性等重要特征，主要包括感知、自然技能、仿真模型及傳感技術(shù)等，能夠依據(jù)計(jì)算機(jī)和圖像技術(shù)，虛擬出如同真實(shí)環(huán)境的模式世界。下面將針對VR技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人操作中的應(yīng)用進(jìn)行全面研究，重點(diǎn)探討VR技術(shù)的運(yùn)用原理以及功能方向。

1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為控制核心，結(jié)合圖像仿真系統(tǒng)人機(jī)交換系統(tǒng)以及運(yùn)動識別系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)。通過一系列的模糊數(shù)據(jù)處理后，將特定的信息轉(zhuǎn)變?yōu)槟M的真實(shí)環(huán)境。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的操作，能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互，使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺。在模擬出的三維世界中能夠設(shè)置不同場景，從而達(dá)到VR虛擬技術(shù)的不同使用效果，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)置過程中實(shí)現(xiàn)的模型如下，見圖1。近年來，隨著農(nóng)業(yè)科研力度不斷加大，VR技術(shù)運(yùn)用于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的操作中解決了許多操作難題，也使得農(nóng)業(yè)機(jī)器人更具有實(shí)用性?；赩R技術(shù)所構(gòu)建的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，在操作與控制中仿真效果更理想，能夠在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中替代人工采摘作業(yè)。

2農(nóng)業(yè)機(jī)器人手遙操作軟硬件設(shè)計(jì)

2.1硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括兩部分，分別為人機(jī)接口系統(tǒng)部分和手控系統(tǒng)部分，其中人機(jī)接口系統(tǒng)由VR環(huán)境、顯示模塊、操控按鈕三部分構(gòu)成。VR環(huán)境主要指農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)環(huán)境的模擬，實(shí)景模擬后直接顯示到終端設(shè)備上，對于操作者來說，能夠有目的、有方向進(jìn)行操作。控制界面、操控按鈕的應(yīng)用主體是操作人員，操作人員通過獲取數(shù)據(jù)信息完成操控任務(wù)。手控系統(tǒng)細(xì)分圖像處理、手控設(shè)備、上位機(jī)等內(nèi)容，系統(tǒng)運(yùn)行流程為：借助攝像機(jī)獲取并處理圖像信息，之后將信息傳回到主控器，在人機(jī)接口系統(tǒng)輔助下進(jìn)行信息操控；上位機(jī)針對運(yùn)動信息搜集，并傳遞信息于主控器，最后信息輸送至人機(jī)接口系統(tǒng)。

2.2軟件設(shè)計(jì)

在模塊化編程思想引導(dǎo)下，將主程序細(xì)分呈多個(gè)子程序（圖像處理、信息分析、手動驅(qū)動、上位機(jī)），經(jīng)子程序初始化操作進(jìn)行功能顯現(xiàn)，具體步驟為：開始→初始化→啟動操作界面→關(guān)閉→結(jié)束，或者開始→初始化→啟動操作界面→掃描輸出數(shù)據(jù)→輸入信號→對應(yīng)編號→掃描輸出數(shù)據(jù)、執(zhí)行相應(yīng)程序。

3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人操作中的運(yùn)用

3.1農(nóng)業(yè)機(jī)器人仿真平臺結(jié)構(gòu)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上，對農(nóng)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行操作設(shè)計(jì)，首先需要對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的仿真平臺進(jìn)行構(gòu)建。包括農(nóng)業(yè)機(jī)器人使用過程中的功能，根據(jù)主要功能需要對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。對機(jī)器人的各組成部分最大程度仿真，提升后續(xù)使用過程中的合理性。對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的仿真平臺進(jìn)行構(gòu)建中，分別針對視覺、力覺與聽覺三個(gè)部分進(jìn)行，針對農(nóng)業(yè)機(jī)器人在不同使用功能中所需要的信息仿真功能，分別針對上述功能模塊進(jìn)行獨(dú)立分析，基于最終的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行輸入控制。通過仿真平臺結(jié)構(gòu)，為后續(xù)功能實(shí)現(xiàn)提供良好的基礎(chǔ)條件。在農(nóng)業(yè)機(jī)器人仿真平臺構(gòu)建過程中，模擬真實(shí)的使用環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將VR技術(shù)引入其中，對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的使用環(huán)境進(jìn)行模擬。這樣在仿真平臺構(gòu)建中更能夠符合真實(shí)的操作環(huán)境，對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的使用達(dá)到更好的操作調(diào)試效果。農(nóng)業(yè)機(jī)器人仿真平臺構(gòu)建后，對接下來的VR操作環(huán)境進(jìn)行演示，分析農(nóng)業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)中存在的功能性問題，針對所表現(xiàn)出的問題進(jìn)一步優(yōu)化，提升農(nóng)業(yè)機(jī)器人在操作環(huán)境中的適應(yīng)力。具體來說，基于計(jì)算機(jī)軟件仿真模擬，從幾何環(huán)境、運(yùn)動學(xué)這兩方面構(gòu)建數(shù)學(xué)分析模型來準(zhǔn)確操作農(nóng)業(yè)機(jī)器人。正常來說，三維仿真軟件3DMAX在空間坐標(biāo)、景物大小、景物顏色等方面自由定義，充分利用數(shù)據(jù)庫、集成開發(fā)平臺完成構(gòu)件特性調(diào)整目標(biāo)，讓農(nóng)業(yè)機(jī)器人基關(guān)節(jié)點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)的一一對應(yīng)，為接下來靈巧操作做準(zhǔn)備。接下來構(gòu)建運(yùn)動學(xué)數(shù)學(xué)模型，該模型用來指導(dǎo)遙操作，大大提高遙控有效性，使農(nóng)業(yè)機(jī)器人自由調(diào)整、靈活移動。

3.2農(nóng)業(yè)機(jī)器人虛擬操作

基于VR技術(shù)對農(nóng)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行虛擬操作，通過觀察運(yùn)動映射點(diǎn)以及農(nóng)業(yè)機(jī)器人機(jī)械手臂在虛擬空間中的運(yùn)動情況，對農(nóng)業(yè)機(jī)器人操作中的力學(xué)優(yōu)化提供參數(shù)。同時(shí)，利用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，模擬農(nóng)業(yè)機(jī)器人使用的不同場景，包括在使用過程中可能會遇到的突發(fā)情況，以及環(huán)境中對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的不利因素。考慮在不同場景環(huán)境中，農(nóng)業(yè)機(jī)器人使用存在的問題，通過模擬操作的方法，了解農(nóng)業(yè)機(jī)器人的使用性能，并作出更深入的優(yōu)化。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的使用環(huán)境比較特殊，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)中，雖然各力學(xué)參數(shù)都能達(dá)到最佳效果，但其中仍然可能會存在不合理部分。對此運(yùn)用VR技術(shù)，能夠在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，模擬出更真實(shí)的操作環(huán)境，同時(shí)對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的使用性能做出判斷，并針對后期使用中，可能會涉及到的問題進(jìn)一步強(qiáng)化。設(shè)置農(nóng)業(yè)機(jī)器人操作試驗(yàn)，將硬件、軟件系統(tǒng)有機(jī)連接，經(jīng)條件變換得知目標(biāo)參數(shù)。設(shè)置條件總結(jié)為：攝像工具、智能接口適當(dāng)調(diào)試；圖像識別、數(shù)據(jù)信息傳遞、監(jiān)控等程序合理編制；視頻信息與虛擬現(xiàn)實(shí)操作有機(jī)協(xié)調(diào)，保證虛擬現(xiàn)實(shí)作業(yè)連貫性。試驗(yàn)過程中，全過程監(jiān)控農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動、定位、拿取、歸位等系列化操作，針對數(shù)據(jù)信息有效獲取、細(xì)致分析，得知機(jī)器人動作執(zhí)行效果。最后對比實(shí)際執(zhí)行效果與設(shè)計(jì)目標(biāo)，證實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人操作中的可行性。

4結(jié)語

VR技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人操作中的研究與應(yīng)用，未來將不斷完善，當(dāng)前技（上接第10頁）術(shù)研究中，已經(jīng)能夠針對農(nóng)業(yè)機(jī)器人使用中遇到的環(huán)境問題充分解決，大幅度提升了農(nóng)業(yè)機(jī)器人使用中存在的功能弊端問題。未來技術(shù)研發(fā)中，將重點(diǎn)體現(xiàn)出VR技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人操作中的仿生特征，不斷優(yōu)化現(xiàn)存問題，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)中功能的優(yōu)化與完善，從而解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的難題。

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作者：劉茹敏 張洪強(qiáng) 單位：滄州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系