[发明专利]一种虚实结合和人机交互的水下遥控机器人机械手作业系统及方法

说明书

本发明提供一种虚实结合和人机交互的水下遥控机器人机械手作业系统及方法。本系统包括母船、计算机、显示器、三维体感相机、水下机器人及机械手和脐带缆，构造与水下实体机械手完全相同的虚拟机械手，并显示在屏幕上，利用三维体感相机捕捉到操作者手臂、手抓的肢体动作，将动作意图反映到屏幕上的虚拟机械手上，引起虚拟机械手前后伸缩、左右移动、手抓抓握动作，并引起虚拟机械手关节角度改变。作业过程中不断重复第二步～第四步，直至完成作业任务。本发明水下遥控机器人机械手作业方法降低了操作人员的操作难度，提高了作业效率和作业精度，具有比原有方法明显的优势。

技术领域

本发明涉及的是一种水下机器人机械手的控制方法，具体地说，是一种虚实结合和人机交互的水下遥控机器人机械手作业系统及方法，应用于深海作业的水下遥控机器人(Remotely Operated Vehicle，简称ROV)机械手的一种控制作业。

背景技术

近些年，随着对海洋资源的开发力度逐渐加大，水下机器人被广泛应用于水下工程、海洋油气资源开发、深海生物及矿物调查、深海打捞等水下作业中。水下机器人种类很多，但作业型水下机器人绝大多数都是ROV(Remotely Operated Vehicle)，其机器人本体舱体上搭载机械手作为通用作业工具。目前，ROV机械手的操控作业方式由位于母船上的操作人员根据脐带缆传输上来的视频图像进行遥控操作，操控作业方式有开关式和主从式两种。目前广泛采用的是主从式，它由主手和从手组成，主手是母船上操作人员手中的运动控制器，从手是水中的作业机械手。一般主手是从手的缩小比例模型，其上每个关节与从手一一对应，以方便对从手相应关节的操作。这种主从遥控作业方式只注重控制功能的实现，存在操作时需要操作员特别集中精力，通常让操作员感觉疲劳紧张，作业效率和作业精度降低等问题。

发明内容

针对目前水下遥控机器人(ROV)机械手作业方法存在的不足，本发明的目的在于提供一种虚实结合和人机交互的水下遥控机器人机械手作业系统及方法。本发明的水下遥控机器人机械手操作方法采用虚实结合和人机交互的思想，降低了操作人员的操作难度，提高了作业效率和作业精度。

为了实现上述目的，本发明的作业方法构思是：

(1)计算机中构造一个与水下实体机械手完全相同的虚拟机械手，并显示在屏幕上，供操作者作业时观看；水下实体机械手将其关节实际角度数据通过脐带缆发送给计算机，计算机接收到实体机械手关节角度数据后，将屏幕上显示的虚拟机械手关节角度改变为与实体机械手关节完全一致的状态。

(2)操作者看着屏幕上的虚拟机械手，利用其手臂、手抓，对虚拟机械手发出前后伸缩、左右移动、手抓抓握的动作指令，计算机利用三维体感相机捕捉到操作者手臂、手抓的肢体动作，将其动作意图反映到屏幕上的虚拟机械手上，引起虚拟机械手的前后伸缩、左右移动、手抓抓握动作，并引起虚拟机械手关节角度的改变。同时，计算机通过脐带缆将虚拟机械手的关节角度数据发给水下实体机械手，使得水下实体机械手关节转动，实现水下机械手的前后伸缩、左右移动、抓手抓握动作。考虑到水下实际环境有可能限制实体机械手的运动，水下实体机械手将其实际关节转动角度数据通过脐带缆反馈给计算机，计算机接收到实体机械手关节状态数据后，将虚拟机械手关节角度修正为与实体机械手关节一致的状态。

(3)操作者看着屏幕上的虚拟机械手，根据作业任务需要，继续对屏幕上虚拟机械手发出肢体交互指令，水下实体机械手继续将关节实际转角数据发给计算机，计算机继续对虚拟机械手关节状态进行修正。

(4)上述过程重复进行，直到完成机械手作业任务。

根据上述构思，本发明采用下述技术方案：