託克馬克腔內的機械臂定位與避障系統的製作方法
2023-07-01 05:51:36
專利名稱：託克馬克腔內的機械臂定位與避障系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於機械控制技術領域的系統，特別是一種基於深度傳感器信息的託克馬克腔內的機械臂定位與避障系統。
背景技術：
因託卡馬克裝置內外表面積和體積較大原因，內壁一般採用分塊製造再裝配工藝設計方法。以EAST為例，其大小一般為0. 25m2(50cmX50cm)左右，重達數十公斤。為防止輻射和發生洩漏事故，要求的焊接和裝配精度為±2mm或更高。ITER運轉起來之後，內壁溫度高達120-200°C，熱能密度啟動時可達5MW/m2，關機時亦可達0. 5MW/m2，真空度為10_6， 磁場強度可達6. 2T，Y輻射最高達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。即使因維護等作業處於停機狀態時，內壁位置處仍殘存較大的高能輻射和電磁輻射以及約3. 5T的較強磁場，人類無法直接進入其中進行作業。
因此，面向託卡馬克腔維護的操作如檢查、裝配、拆卸、焊接、搬運等作業必須採用機械臂完成。維護機械臂的操作精度高、工作空間大、冗餘自由度、作業環境複雜惡劣，機械、控制、傳感和遙操作等各方面很多關鍵技術亟須攻克。
現有的機械臂姿態檢測、碰撞檢測一般要求在每個關節安裝位置傳感器，得到機械臂各關節的空間坐標，由計算機控制系統計算後判斷各關節以及關節與託卡馬克腔體是否發生碰撞。對計算機計算能力和多傳感器信息集成技術要求高，而且在處理高度冗餘自由度的機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用為我們在基於視覺的機械臂定位和避障領域提供了新的思路。發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種基於深度傳感器信息的託克馬克腔內的機械臂定位與避障系統。通過在託克馬克環形腔內4個域對稱安裝深度信息傳感器，實時檢測腔體和機械臂的空間位置。一方面將圖像實時傳輸給操作人員，提供直觀的視覺信息；另一方面檢測目標的空間距離，當關節-關節、關節-腔體之間距離小於碰撞預警閾值時，控制系統啟動避障策略。另外利用骨架化程序，得到機械臂各關節的坐標後計算各關節的轉角，傳給3D仿真模塊，控制仿真環境下的機械臂實時更新位姿。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括四個模塊傳感器信號採集模塊、 傳感器信號處理模塊、機械臂控制系統模塊、VR實時顯示模塊。傳感器信號採集模塊負責採集安裝在託克馬克腔各處的深度傳感器信號，採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採集模塊送來的信號作預處理，計算出機械臂和腔體的空間位置、機械臂骨架化後各關節轉角等數據，計算的結果作為傳感器信號處理模塊的輸出， 送到機械臂控制系統模塊和VR實時顯示模塊；機械臂控制系統模塊根據傳感器信號處理模塊送來的數據，判斷是否小於碰撞預警閾值，如果小於閾值，啟動避障策略；VR實時顯示模塊根據傳感信號處理模塊送來的數據，在仿真環境中實時顯示機械臂和腔體的位姿，並為人機互動提供一個接口。
所述的傳感器信號採集模塊負責採集安裝在託克馬克環形腔4個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採集模塊採集到的信號進行數據預處理，這些數據預處理包括機械臂的空間位置、機械臂和環境的相對位置、機械臂骨架化後各關節轉角等數據。數據預處理的結果作為傳感器信號處理模塊的輸出送到機械臂控制系統模塊和VR實時顯示模塊進行處理。
所述的機械臂控制系統模塊根據傳感器信號處理模塊送來的數據判斷機械臂與託克馬克腔體以及機械臂各關節之間的目標點距離是否小於碰撞預警閾值，如果小於閾值，啟動避障策略。
所述的VR實時顯示模塊根據傳感器信號處理模塊送來的數據，主要是機械臂各關節轉角數據，該模塊已經建立了託克馬克腔和機械臂系統的3D模型，實時顯示機械臂當前姿態。同時該模塊還要提供人機互動的接口界面，從而可以根據用戶的要求顯示某個時刻的機械臂姿態，給出相應的調整指令。
本發明上述技術方案可以有效的實現託克馬克腔內的機械臂定位和避障，不僅免去了計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控。
圖I本發明實施例系統框圖2本發明實施例深度傳感器在託克馬克腔內的安裝示意圖。
具體實施方式
下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例以本發明技術方案為前提，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
如圖I所示，本實施例提供一種基於深度傳感器信息的託克馬克腔內的機械臂定位與避障系統，包括四個模塊傳感器信號採集模塊、傳感器信號處理模塊、機械臂控制系統模塊、VR實時顯示模塊。
傳感器信號採集模塊從安裝在託克馬克腔內的4個深度傳感器採集信號(如圖2 中1-4所示)，輸出送給傳感器信號處理模塊處理。在實施例中，綜合考慮性價比等因素，並且暫不考慮複雜電磁環境對傳感器信號的幹擾，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採集模塊送來的信號進行數據預處理，數據預處理的結果作為傳感器信號處理模塊的輸出送給機械臂控制系統模塊和VR實時顯示模塊；這些數據預處理包括機械臂的空間位置、機械臂和環境的相對位置、機械臂骨架化後各關節轉角等數據。微軟kinect體感攝像頭對人體骨架化在遊戲中的應用已經比較成熟，本實例中將此技術移植於機械臂，對託克馬克腔內的串聯式機械臂骨架化，就可以由實時採集到的圖像信號計算得到機械臂各關節的轉角。
機械臂控制系統模塊根據傳感器信號處理模塊送來的數據，判斷機械臂與託克馬克腔體以及機械臂各關節之間的目標點距離是否小於碰撞預警閾值，如果小於閾值，啟動避障策略。
傳感器信號處理模塊和機械臂控制系統模塊在現場的一臺工控機上實現。具體又包括了 I/o模塊、避障與定位決策模塊、運動控制模塊等。工控機與VR實時顯示模塊通過乙太網連接。
VR實時顯示模塊根據從傳感器信號處理模塊送來的數據，在仿真環境中實時顯示機械臂和腔體的當前位姿，也可以根據用戶的要求顯示某個時刻的機械臂姿態，並結合操作人員自己的實際經驗，輸出調整指令。該模塊用VB技術實現，分為用戶界面和後臺運行程序兩部分。用戶界面顯示機械臂的各種姿態、數據信息，並為用戶提供一個人機互動的接口 ；後臺運行程序負責後臺運行數據調用、處理、結果保存等工作。
本發明通過在託克馬克環形腔內4個域對稱安裝深度信息傳感器，實時檢測腔體和機械臂的空間位置。一方面將圖像實時傳輸給操作人員，提供直觀的視覺信息；另一方面檢測目標的空間距離，當關節-關節、關節-腔體之間距離小於碰撞預警閾值時，控制系統啟動避障策略。另外利用骨架化程序，得到機械臂各關節的坐標後計算各關節的轉角，傳給 3D仿真模塊，控制仿真環境下的機械臂實時更新位姿。
儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。
權利要求
1.一種託克馬克腔內的機械臂定位與避障系統，其特徵在於，包括四個模塊傳感器信號採集模塊、傳感器信號處理模塊、機械臂控制系統模塊、VR實時顯示模塊，其中傳感器信號採集模塊負責採集安裝在託克馬克腔各處的深度傳感器信號，採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採集模塊送來的信號作預處理，計算出機械臂和腔體的空間位置、機械臂骨架化後各關節轉角等數據，計算的結果作為傳感器信號處理模塊的輸出，送到機械臂控制系統模塊和VR實時顯不模塊；機械臂控制系統模塊根據傳感器信號處理模塊送來的數據，判斷是否小於碰撞預警閾值，如果小於閾值，啟動避障策略；VR實時顯示模塊根據傳感信號處理模塊送來的數據，在仿真環境中實時顯示機械臂和腔體的位姿，並為人機互動提供一個接口。
2.如權利要求I所述的託克馬克腔內的機械臂定位與避障系統，其特徵是，所述的傳感器信號採集模塊為帶深度信息的3D攝像頭，不僅能夠採集3D圖像信息，而且可以檢測空間距離，採集的數據傳給傳感器信號處理模塊。
3.如權利要求I或2所述的託克馬克腔內的機械臂定位與避障系統，其特徵是，所述的傳感器信號處理模塊對傳感器採集模塊採集到的信號進行數據預處理，這些數據預處理包括機械臂和腔體的空間位置、機械臂骨架化後計算得出各關節轉角數據，數據預處理的結果作為傳感器信號處理模塊的輸出送到機械臂控制系統模塊、VR實時顯示模塊進行處理。
4.如權利要求I或2所述的託克馬克腔內的機械臂定位與避障系統，其特徵是，所述的VR實時顯示模塊根據傳感器信號處理模塊送來的數據，主要是機械臂各關節轉角數據， 該模塊已經建立了託克馬克腔和機械臂系統的3D模型，實時顯示機械臂當前姿態，同時該模塊還要提供人機互動的接口界面，從而可根據用戶的要求顯示某個時刻的機械臂姿態， 給出相應的調整指令。
5.如權利要求4所述的託克馬克腔內的機械臂定位與避障系統，其特徵是，所述的VR 實時顯示模塊用VB技術實現，分為用戶界面和後臺運行程序兩部分，用戶界面顯示機械臂的各種姿態、數據信息，並為用戶提供一個人機互動的接口 ；後臺運行程序負責後臺運行數據調用、處理、結果保存工作。
全文摘要
本發明公開一種託克馬克腔內的機械臂定位與避障系統，其中傳感器信號採集模塊負責採集安裝在託克馬克腔各處的深度傳感器信號，採集的信號輸入傳感器信號處理模塊，由其作預處理，計算出機械臂和腔體的空間位置、機械臂骨架化後各關節轉角等數據，計算的結果作為傳感器信號處理模塊的輸出，送到機械臂控制系統模塊和VR實時顯示模塊；機械臂控制系統模塊根據傳感器信號處理模塊送來的數據，判斷是否小於碰撞預警閾值，如果小於閾值，啟動避障策略；VR實時顯示模塊根據傳感信號處理模塊送來的數據，在仿真環境中實時顯示機械臂和腔體的位姿，並為人機互動提供一個接口。本發明可以有效的實現託克馬克腔內的機械臂定位和避障。
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 優先權日2011年12月19日
發明者何強, 曹其新, 王鵬飛 申請人:上海交通大學