一种应用人形机器人的空间站维修与维护方法技术

本发明专利技术提供了一种应用人形机器人的空间站维修与维护方法,其使用的空间站维修装置包括虚拟现实显示系统、体感采集系统和仿人机器人系统，所述的虚拟现实显示系统由头戴式显示器、Wifi模块、3D显示程序及光迹追踪模块组成；体感采集系统由Kinect体感器、计算机、Wifi模块和体感软件组成，仿人机器人系统由机械结构及舵机、驱动器、视觉模块、姿态传感器模块、机器人控制器、电源及损管模块和无线透传模块组成。本发明专利技术在进行空间站维修及维护时，应用虚拟现实显示系统使人体完全沉浸于空间站环境，通过实时分析操作员动作，将人体动作无失真还原，使其具备动作控制精准、遂行多种精准控制任务的能力。

A method of maintenance and maintenance of space station with humanoid robot

【技术实现步骤摘要】
一种应用人形机器人的空间站维修与维护方法
本专利技术涉及航天空间站的维修与维护
,具体是一种应用人形机器人的空间站维修与维护方法。
技术介绍
随着“神舟七号”的发射成功以及我国三期航天工程工作的深入开展，将有大量的空间探测、在轨装配、在轨维护和在轨更换等任务，这些任务不可能仅仅依靠宇航员完成，对空间机器人的需求越来越迫切，目前，国际上成熟的空间机器人主要是空间机械臂，主要有美国航天飞机上使用的机械臂CANADARM，国际空间站上的机械臂CANADARM2,“暴风雪”号航天飞机上的机械臂，欧洲机械臂ERA，日本实验舱上的机械臂JEMRMS，以及欧洲舱内服务机器人ROTEX。上述机器装置均以空间站维修和维护为目的，这些机器装置的都需要人进行远程控制，其实际控制带来两个问题:1.需要在任务开始之前进行精确编程及控制，缺乏自我学习能力，宇航员操作难度较大，没办法实现精准控制的任务。2.不具有人体骨骼结构与长度、关节比例、转角幅度、速度等形态，无法完全模拟宇航员对未知的太空领域探索。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术的问题，提供了一种应用人形机器人的空间站维修与维护方法，在进行空间站维修及维护时，应用虚拟现实显示系统使人体完全沉浸于空间站环境，通过实时分析操作员动作，将人体动作无失真还原，使其具备动作控制精准、遂行多种精准控制任务的能力。本专利技术提供的空间站维修机器人，包括虚拟现实显示系统、体感采集系统和仿人机器人系统，所述的虚拟现实显示系统由头戴式显示器、Wifi模块、3D显示程序及光迹追踪模块组成；体感采集系统由Kinect体感器、计算机、Wifi模块和体感软件组成，仿人机器人系统由机械结构及舵机、驱动器、视觉模块、姿态传感器模块、机器人控制器、电源及损管模块和无线透传模块组成。进一步改进，虚拟现实系统为头戴式显示器，由计算机算出左右两眼的影像，将之显示于显示器内的液晶屏幕上，可有效排除外界干扰，使人完全沉浸于仿人机器人所处空间站环境。进一步改进，所述的体感采集系统基于Kinect体感技术，将骨骼追踪算法应用于人体姿态识别，并控制人形机器人实时模仿人体动作，从而完美实现人与仿人机器人的灵魂绑定。本专利技术提供的一种应用人形机器人的空间站维修与维护方法，包括以下步骤:宇航员通过头戴式虚拟现实显示器，显示器应用Wifi模块连接人形机器人路由器，并打开头戴式虚拟现实显示器的3D显示程序，使其完全沉浸于人形机器人所处空间站环境。通过应用体感技术传感器与OpenNI骨骼识别算法库获取人体的深度图像，利用深度图像识别出人体关节点并提取空间坐标，通过滤波、空间向量计算、腿部姿势识别，并应用Wifi模块向人形机器人控制器提供控制数据。人形机器人系统通过无线路由器向显示器无线模块传输的视觉信号，并接受体感系统传输的人体参数，机器人控制器通过各种算法解析出舵机驱动器所需要的控制命令，实现对人形机器人维修与维护空间站的精准控制。本专利技术有益效果在于:1、本专利技术虚拟现实显示系统，提供了一个适合人类与人形机器人沟通且具有多重感知能力的接口，透过这个接口，强化了人类感受客观物理世界多维信息的能力。２、本专利技术体感采集系统应用体感技术传感器，获取Kinect体感器返回的原始数据搭建三维空间数据，通过对三维空间数据的计算得到角度、深度、数值等值独立出点，构建出面，构建出点到面的距离，计算出机器人运动最大最小范围即最佳运动弧度，轨迹等参数，应用这些参数实现对人形机器人运动的精准控制。３、本专利技术人形机器人系统，结合机器学习算法，借助姿态传感器返回的姿态数据及压力传感器返回的重心位置数据等大量数据的分析得到相对最稳定的步态方法，克服在动态运动中带来的舵机误差及压力惯性带来的种种不定因素带来的影响自平衡的问题，从而完美还原人体本身动感与灵性。附图说明图1为本专利技术实施例的虚拟现实系统图。图2为本专利技术实施例的人形机器人系统图。图3为本专利技术实施例的体感采集系统图。图4为本专利技术实施例的骨骼识别流程图。图5为本专利技术实施例的Kinect空间坐标系。图6为本专利技术实施例的仿人机器人系统。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。本专利技术虚拟现实显示系统如图1所示，包括头戴式显示器、无线wifi模块、3D显示程序及光迹追踪模块等构成，虚拟现实显示系统通过无线wifi模块连接仿人机器人无线路由器获取机器人视频信号，并应用3D显示程序通过3D计算机绘图、3D音效与光迹追踪模块创造出一个空间站模拟环境，且人体通过光迹追踪模块实时地与虚拟的环境互动。虚拟现实显示系统可以随时感知、侦测使用者在虚拟环境中的活动，而实时作出适当的反应与回馈；虚拟场景依新的信息显像在头戴式显示器的屏幕上，而其它如音响、触觉、力回馈等效果也同样反应到使用者的虚拟现实输出设备上，如此重复完成一个模拟周期，让人体完美融入到空间站的模拟环境之中。本专利技术体感采集系统如图1所示，包括Kinect体感器、无线wifi模块、计算机和体感软件组成，起动计算机上体感软件驱动Kinect体感器捕获人体深度图像，使用OpenNI从中识别人体关节并提取空间坐标，建立机器人空间控制的三维矢量坐标系，得到关节间角度矢量，积分减法得到深度矢量，通过滤波、空间向量运算、腿部姿态检测，计算机器人舵机转角，并通过计算机的无线wifi模块与仿人机器人无线路由器相连发送给机器人控制器，满足仿人机器人实时性控制需求。本实施例的图2为本专利技术系统骨骼识别流程图：步骤Ａ，对于深度图像，通过OpenNI提供的DepthGenerator.GetMetaData(depthMD)函数进行获取，获取的深度图像存储在SceneMetaData类型的矩阵中，采用的是OpenNI提供的骨骼算法库予以完成，其识别算法依赖于所采集到的深度图像，具体的函数调用为UserGenerator.GetUserPixels(0,sceneMD)。OpenNI骨骼识别算法库内部实现原理为根据获取到的深度图像，分离前景与背景，并利用模版匹配的方式，定位人体不同的关节。步骤Ｂ，对人体关节角度的计算如图３所示Kinect空间坐标系，使用空间向量法完成关节角度的计算。Kinect所使用的空间坐标系不同于常见的空间坐标系，其x轴与y轴的零点与传统空间坐标系相同，但其z轴坐标零点为Kinect传感器，正方向为Kinect指向的正前方。由向量的可平移性质及方向性，可以推导出Kinect坐标系中任意两个不重合的坐标点A(x1,y1,z1)，B(x2,y2,z2)经过变换，可转化到传统空间坐标系中，对其组成的向量AB，可以认为是从坐标轴零点引出。转化公式为：AB=(x2-x1,y2-y1,z1-z2)据上式将人体关节角度计算简化为对空间向量夹角的计算。步骤C，实际人体左臂动作的计算过程，据人体动作，左臂提取出的关节点在Kinect空间坐标系中的向量，经过变换后转化为普通坐标系中的向量。步骤D，对于肘关节角度的计算，可以直接使用空间向量ES和EH的夹角得出，计算过程如下：对于大臂的上下摆动角度，可以将向量ES投影到xOy平面上，并求其与y坐标轴的夹角得出，计算过程及公式类似于肘关节角度的计算过程。为了求取空间平面夹角，需要首先求取两平面的法向量，再根据法向量计算出两平面夹角。计算过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术提供的空间站维修机器人，包括虚拟现实显示系统、体感采集系统和仿人机器人系统，所述的虚拟现实显示系统由头戴式显示器、Wifi模块、3D显示程序及光迹追踪模块组成；体感采集系统由Kinect体感器、计算机、Wifi模块和体感软件组成，仿人机器人系统由机械结构及舵机、驱动器、视觉模块、姿态传感器模块、机器人控制器、电源及损管模块和无线透传模块组成。

【技术特征摘要】
1.本发明提供的空间站维修机器人，包括虚拟现实显示系统、体感采集系统和仿人机器人系统，所述的虚拟现实显示系统由头戴式显示器、Wifi模块、3D显示程序及光迹追踪模块组成；体感采集系统由Kinect体感器、计算机、Wifi模块和体感软件组成，仿人机器人系统由机械结构及舵机、驱动器、视觉模块、姿态传感器模块、机器人控制器、电源及损管模块和无线透传模块组成。2.进一步改进，虚拟现实系统为头戴式显示器，由计算机算出左右两眼的影像，将之显示于显示器内的液晶屏幕上，可有效排除外界干扰，使人完全沉浸于仿人机器人所处空间站环境。3.进一步改进，所述的体感采集系统基于Kinect体感技术，将骨骼追踪算法应用于人体姿态识别，并控制人形机器人实时模仿人体动作，从而完美实现...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄根勇，
申请(专利权)人：江西制造职业技术学院，
类型：发明
国别省市：江西,36