。

这种技术可以应用于多个领域#xff0c;包括远程操作、培训、危险环境中的工作等。

双臂人形机器人是一种模拟人体上半身结构#xff0c;包括头部…

VR遥操作机械臂是一种将虚拟现实技术与机械臂控制相结合的系统使用户可以通过虚拟现实设备操控和交互实际的机械臂。

这种技术可以应用于多个领域包括远程操作、培训、危险环境中的工作等。

双臂人形机器人是一种模拟人体上半身结构包括头部、躯干和双臂的机器人。

这种机器人设计的目标是模仿人类的上半身动作和功能以执行各种任务从而在虚拟现实VR领域中有广泛的应用。

合虚拟现实和人型机器人可以为许多领域带来创新和改进提高用户体验扩展应用领域促进技术的发展。

这种结合使得虚拟和现实之间的交界更加模糊为未来创造了令人兴奋的可能性。

硬件介绍

精心研发。

17个自由度DOF使其具有极高的灵活性和适应性。

工作电压为24V配备了一个9英寸的量子点触控屏既现代又高效。

Mercury

X1最大工作半径为450毫米最大负载能力为1公斤净重8公斤非常适合轻量级的操作任务。

它的重复定位精度高达±0.05毫米意味着它在进行精密作业时非常可靠。

机器人的寿命预计为5000小时表明了其出色的耐用性。

主控制单元采用了Jetson

Xavier辅助控制则由ESP32*1负责这样的配置保证了其强大的数据处理能力和稳定的控制性能。

还包含了碳纤维外壳材料使得机器臂不仅坚固耐用同时也轻便。

它装备了Orbbec

Deeyea

3D摄像头和一个具有4个麦克风的线性阵列声音模块能够进行高效的视觉和声音处理。

通信方面支持WIFI、E***rnet、蓝牙、USB端口和RS485兼容ROS1/ROS2这意味着它能够轻松集成到各种智能制造和研究环境中。

Oculus

2有开发者模式它允许开发者直接在设备上安装和测试自己开发的应用。

主要是由游戏引擎unity和unreal

VR控制机器人项目

VR遥操作首先要解决的问题就是操作者和机器人的通信问题在这方面我选择的是基于HTTP协议的通信服务器选择Flask。

虽然选择Python可能会对性能产生不利影响但是因为Mercury机器人提供的Python

SDK——pymycobot是Python的库,因此Python作为开发语言是最方便与机器人集成的选择非常适合验证项目的可行性。

VR端我们选择了Unity3D,丰富的社区资源使得这个项目成为可能。

服务模型为经典的C/S结构VR端通过访问特定的URL向机器人发送不同的命令再通过服务器转发到pymycobot执行实际的动作。

另一方面是交互方面的设计我们采用相对移动的方式用户按下手柄的A键标志着移动开始松开标志着移动结束。

实时视频流

在克服VR遥操作技术难题的过程中确保获取低延迟的视频流一直是关键挑战之一。

我们采用了一项创新性的解决方案通过利用NVIDIA

Jetson

GStreamer插件成功实现了GPU加速的视频编解码旨在在保障实时性的同时最大程度地优化带宽利用率。

Jetson

GStreamer插件是一种强大的工具通过充分利用GPU的计算能力对视频数据进行加速处理。

这一创新性的技术手段不仅提高了视频编解码的效率同时在大幅度减少延迟的同时优化了网络带宽的利用效率。

Accelerated

GStreamer是NVIDIA为其Jetson平台提供的一组GStreamer插件旨在通过使用GPU图形处理单元加速多媒体处理任务提高性能并降低延迟。

这一套插件专为Jetson平台设计充分利用了其强大的GPU资源适用于视频编解码、图像处理、深度学习推理等多媒体应用。

Accelerated

server源代码https://github.com/GStreamer/gst-rtsp-server/blob/1.14.5/examples/test-launch.c

bash

pt96可以在同局域网下的另一台主机上通过RTSP协议访问当前主机来测试结果VLC播放器可以接入RTSP协议流直接进行播放。

最后将test-launch.c内绑定的URL重新命名为left和right。

并将开启和关闭写入脚本方便执行。

bash

VR遥操作系统面临的主要挑战在于要协调处理网络的不稳定性与对机械臂等硬件需要稳定输入的矛盾。

这两者之间的平衡是确保远程遥操作系统有效运行的关键因素之一。

首先网络的不稳定性可能导致延迟、数据包丢失或者不确定性的带宽情况。

这种情况会直接影响到远程用户与机械臂之间的实时交互。

在VR遥操作系统中用户需要感受到虚拟环境中的实时变化并对机械臂的运动进行即时响应。

网络延迟可能导致用户的指令与机械臂的实际动作之间存在明显的滞后降低了操作的准确性和流畅性。

另一方面机械臂等硬件设备对输入的稳定性要求较高。

由于遥操作系统需要实时传输用户输入到机械臂输入信号的不稳定性可能导致机械臂的运动异常或失控。

这对于需要高精度和可靠性的任务如手术操作、工业维护等可能带来严重的问题。

为了帮助你理解这个问题首先要了解机械臂的运动方式。

在传统机械臂运动中发给机械臂一个点位机械臂会自动规划到达目的地的加速与减速以达到流畅顺滑的移动但是由于机械臂会自动进行加速减速的规划如果用这个方法去做遥操作就会遇到机械臂在每两个采样点上频繁加速减速的过程导致机械臂无法连续运动。

而在遥操作情况下加速减速应该由操作者的手运动来控制因此理论上如果想要实现顺畅的遥操作则需要机械臂有一个可以放弃自动规划完全使用采样点来进行插值运动的接口。

我们将这个接口命名为“速度融合接口”。

但是机械臂的底层插值运动接口通常对信号的稳定性有着极高的要求必须要有毫秒级的稳定性才能保证机械臂稳定运行这种完全采用采样点的插值底层运动接口在Mercury机器人上的VR控制方式为在给定时间内向指定目标点移动举个例子你输入了一个坐标还有一个时间50ms那么机械臂就会在这50ms内向着你发的坐标移动如果到了就会停止这也带来一个问题后面会细说如果机械臂没到目标位置但是时间到了的话也会停止。

理想状态下如果你持续且稳定地用速度融合直接给机械臂输入移动点位的命令且你发送的间隔刚好和你给定的运动时间片是完全匹配的那么理论上机械臂此时在速度不超过限速的情况下能够完全跟随人手。

但是此时如果下一条指令没有及时到来可能因为网络带来的延迟波动机械臂此时就会立刻急停但是又因为没有减速的过程此时机械臂就会因为急停而产生抖动。

一个合理的改进方案是加入缓存缓存会平滑网络延迟带来的误差给机械臂一个相对稳定的指令流但是随之而来的问题就是实时性的降低。

因为如果缓存发挥作用那么实际下发的速度融合参数内给定的时间片就必须要小于实际的发送间隔因为只有消费的指令比生产的指令更慢才能保证缓存区内始终有一定量的指令可以下发避免产生没有指令导致急停的尴尬。

但是这样就会导致在网络稳定地情况下缓冲区一直是满的给整个控制系统加上了一个固定的时间片x缓冲区大小的延迟。

机械臂需要稳定地控制信号因为它的运动本质上由电机驱动。

在常规的点位移动中机械臂会通过内部自动规划加速和减速从而实现相对较为稳定的运动。

然而在遥操作领域实时性是至关重要的因此通常需要设计速度融合接口将由VR端采样得到的点位直接下发给机械臂。

这样的设计是为了确保实时性但同时也带来了延迟和稳定性难以兼得的问题。

如果我们追求实时性从网络传来一个点位就立刻发送由于我们无法完全预测下一个控制信号何时到来则提供的时间参数可能就会和实际产生偏移如果给的太少就会造成机械臂速度连不起来无法运动给的太多就会造成机械臂还没运动完下一个指令就发来了造成指令堆积降低实时性。

如果追求稳定性那就需要增加缓冲队列用缓冲队列来平滑通信方式带来的延迟波动。

但是同样的这样就会增加控制延迟。

这也就是遥操作系统的困局延迟和稳定性不可兼得

VR端实现

选择Unity3D主要是因为其简单性可以快速上手且能支持多种VR平台。

如果采用虚幻引擎可能需要花费大量时间在此工程之外的问题上。

XR

Interactive

Toolkit是Unity3D的官方VR框架使用这套系统而不是Oculus插件能够使项目方便的移植到其他VR设备上。

开发环境方面除了使用Unity3D自带的Editor以外C#编辑器使用Visual

Studio

最开始的时候我是打算采用绝对坐标一比一的转发手柄的动作但是我发现这样操作很不方便。

首先Mercury机器人的臂展大概只相当于十几岁的小孩如果使用完全绝对坐标11控制很容易导致机械臂撞到关节限位。

而且手柄的初始位置也是个问题。

因此最后我决定采用相对的控制方式只有在按住特定按键的时候才允许机械臂移动这样做的好处就是在没有按下按钮的时候你可以随意调整姿势而在你开始运动的时候机械臂永远是以你当前点为基准点进行相对运动这样控制起来就容易得多了。

图传方面最开始的做法是用服务器转发MJPG图片到VR端然后以texture的方式渲染到屏幕上这种方式的好处就是实现简单。

缺点就太多了首先就是延迟和CPU负载的问题如果直接使用服务器转发图片不但要至少多一次拷贝还很难调用Nvidia自带的编解码器。

而且在VR端也需要时间进行解码拷贝整体延迟和CPU负载都很高。

后来我想到了使用GStreamerNV加速插件的方案也就是上面说到的利用了NV硬件加速以后延迟和负载都得到了大幅度的改善。

3作为遥操作平台有了更深的了解。

首先在Unity3D中几乎所有的运算都是和帧对齐的虽然你可以开线程但是游戏引擎给你提供的资源几乎都是按帧进行刷新的。

比如我能获取到的手柄坐标我能获取到的最大刷新率就是等于游戏帧率。

因此在这个平台上不考虑插值等操作遥操作控制频率采样的上限其实就是帧率,这个数字通常是70-90hz每秒。

因此我没有采用多线程来发送信息而是使用了Unity3D中最普遍的做法协程。

使用协程能够保证你的操作和帧是对齐的能够避免很多因为不同步导致的奇怪问题。

One

gameObject.transform.position;pos

origin_pos;pos

gameObject.transform.rotation.eulerAngles;if

(isZero(pos)

$[{pos.x:F2},{pos.y:F2},{pos.z:F2},{rotation.x:F2},{rotation.y:F2},{rotation.z:F2},{System.DateTime.UtcNow.Ticks

TimeSpan.TicksPerMillisecond}];Debug.Log(content);using

(UnityWebRequest

UnityWebRequest.Post(updateURL,

content,

www.SendWebRequest();Debug.Log(www.result);if

(www.result

UnityWebRequest.Result.Success){Debug.Log(www.error);}}

}//

服务器方面我使用的是简单可靠的Flask作为框架因为我需要的仅仅只是作为RPC用途的控制框架。

精简的Flask就能可以很好的完成这个任务。

在控制系统方面Unity3D和机械臂平台的对齐也是一大难点即如何将VR世界的坐标翻译为机械臂能听懂的坐标。

因为Mercury机器人的手臂本质上是由两个Mercury单臂组成的在单臂自己的视角下它的坐标实际上是以它自己的底座也就是胳膊大臂关节的位置为原点的而不是以我们期望的——腰部为原点。

因此需要设计一套坐标转换工具来实现从VR世界到Mercury的基坐标系再到单臂的坐标的转换。

这个过程使用到了大量的线性代数工具和机器人学理论。

python

cvt_euler_angle_to_rotation_matrix(rotation)T

position.reshape(3,

cvt_rotation_matrix_to_euler_angle(rotation_matrix)return

np.hstack((position,

rotation))一个有趣的问题就是左右臂互为镜像的问题我和负责机器人算法的工程师不得不分别给两条臂使用不同的固件以兼容使用同一套转换算法。

前文提到机械臂期望稳定且固定间隔的控制信号而实现固定间隔就需要缓存系统和高精度的计时的下发系统。

首先是缓存问题缓存主要考虑的一个问题就是线程安全。

因为服务器本身是多线程运行的两个网络包可能会同时到达或者网络包到达时刚好碰上下发因此设计一个线程安全的双端队列作为缓存区是首要任务。

其次就是缓冲区的大小下发时间的间隔以及时间片参数的问题这些参数也是下发系统延迟表现和稳定表现的均衡器这些参数需要大量的实验来调试以达到最佳表现。

其中尤为难以平衡的是下发时间的间隔和时间片因为网络延迟是不确定的机器处理运算也需要时间因此实际需要的时间是要比单纯下发的间隔要长的具体长多少也是不固定的。

因为这一层原因实际上参数的设置需要更加保守才能保证系统运行稳定。

Python标准库中自带的time精度并不理想。

因此单纯靠sleep来实现计时肯定是不可行的。

我目前的做法是单独开一个线程以大量占用CPU为代价高速轮询来实现低延迟下发。

实测证明这种方式的延迟是要比直接给一个完整的sleep要低的。

class

time.time_ns()time.sleep(0.00001)

在基本框架完成以后还可以对下发点位进行简单的滤波以进一步去除抖动。

人手在使用VR的时候不可能确保完美的停在一个点在做直线运动的时候也不可能保证是完美的直线。

我们可以单独对每个分量进行控制过滤掉较低的分量以实现更稳定地运动轨迹。

not

另一个可能的优化是对轨迹进行平均化操作这样可以使得轨迹更加平滑但是可能的trade

off是要进一步增加延迟。

以下是一个基于双端队列的滑动窗口的实现。

class

range(maxlen):self.store.append(1)self.maxsize

maxlendef

self.lock:self.store.append(obj)def

mean(self):with

self.lock:self.store.clear()def

size(self):with

动作捕捉佩戴VR设备如头盔和手套进行实际动作。

这些设备通过内置传感器捕捉用户的动作数据如头部方向、手部位置和手势并将这些数据实时传输到控制系统。

虚拟现实界面用户在VR环境中可以看到虚拟的机械臂模型并通过VR设备进行操作。

用户的动作被映射到虚拟模型上实时转化为机械臂的运动指令。

数据处理和传输捕捉到的动作数据需要通过软件处理转化为机械臂可以理解的指令。

这些指令通常涉及关节角度、速度或位置信息的计算。

然后这些指令通过网络发送给机械臂控制器。

机械臂执行机械臂接收到指令后通过其内部控制系统执行相应的动作。

这可能包括移动到特定的位置、按照特定的路径移动或执行复杂的手部动作。

反馈机制为了提高操作的精确性和用户体验系统可能包括反馈机制如触觉反馈或视觉反馈将机械臂的状态实时反映到VR环境中以便用户调整其操作。

案例展示

VR技术的进步正在打破物理空间的限制使人们能够在虚拟环境中实现复杂的操作和互动这对于远程控制、教育、医疗等领域具有重大意义。

未来随着VR技术的持续发展我们可以预见更多创新的应用出现。

例如VR在模拟复杂手术、远程教育、灾难响应训练等领域的应用将更加广泛。

X1呢

大象机器人今天正式发布Mercury系列机器人目前水星系列机器人共有三款产品Mercury-A1七轴协作机械臂,Mercury-B1

半人形双臂机器人,Mercury-X1通用轮式人形机器人。

三款产品的工业设计皆由瑞典团队精心设计而成集成七大机器人核心算法多种使用与开发方式。