一种基于语音控制的机械臂3D虚拟操作实验平台制造技术

本发明专利技术涉及一种基于语音控制的机械臂3D虚拟操作实验平台，包括依次连接的语音模块、控制中心和3D虚拟实验场景模块，其中，所述3D虚拟实验场景模块包括：3D模型构建单元，用于构建机械臂3D模型和工作场景3D模型；运动姿态动态显示单元，用于根据运动姿态参数实现所述机械臂3D模型在所述工作场景3D模型中运动的显示，所述运动姿态参数由所述控制中心基于语音模块的输出解算获得；所述语音模块、控制中心和3D虚拟实验场景模块均基于图形化编程语言实现。与现有技术相比，本发明专利技术具有能有效地减少工业机械臂相关实验对实验设备的依赖性，降低实验成本并增加实验项目的灵活性和多样性等优点。

A 3D based virtual manipulator experimental platform for robot arm based on speech control

The invention relates to a 3D virtual manipulation experimental platform for a manipulator based on speech control, which comprises a sequentially connected voice module, a control center and a 3D virtual experimental scene module. The 3D virtual experimental scene module comprises a 3D model building unit for constructing a 3D model of the manipulator and a 3D model of the working scene, and a motion posture. A state dynamic display unit is used to display the motion of the 3D model of the manipulator in the 3D model of the working scene according to the motion attitude parameters obtained by the output calculation of the control center based on the voice module; the voice module, the control center and the 3D virtual experimental scene module are all based on graphics. Realize programming language. Compared with the prior art, the invention has the advantages of effectively reducing the dependence of the related experiments of the industrial manipulator on the experimental equipment, reducing the experimental cost and increasing the flexibility and diversity of the experimental items.

【技术实现步骤摘要】
一种基于语音控制的机械臂3D虚拟操作实验平台
本专利技术属于自动化领域和计算机应用领域，尤其是涉及一种基于语音控制的机械臂3D虚拟操作实验平台。
技术介绍
机械臂是近代自动控制领域中出现的一项新型技术装备，是工业机器人系统中传统的任务执行机构。在专业综合实验教学中机械臂实验可以多方面、多层次培养学生的工程实践能力和创新能力。在实践过程中，一方面由于机械臂本体的购买和维护成本较高，开发难度大；另一方面，直接进行计算机仿真时，比较常见的是使用VisualC++、Matlab、Java、VRML等文本编程语言进行计算，再结合OpenGL图形库、SolidWorks或者其他3D引擎，完成可视化三维运动状态仿真显示。实验开发和编程需要掌握的知识点多，对编程人员要求很高，开发难度同样很大，不适合初学者。与此同时，随着计算机技术的发展，引入人机交互技术后的机械臂仿真控制操作开发也成为实验教学和实际应用的热点。有研究表明，在机械臂遥控操作控制中，语音控制方式可以明显提高操作速度，提升控制绩效与体验，吸引学生去研究和探索学习。但常规文本编程的语音识别实现方法也有其工作繁琐的缺陷，不利于快速设计与开发。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于语音控制的机械臂3D虚拟操作实验平台，适合用于示例教学和课后实验，为学生开展设计性和创新性实验提供了一个快速开发与实现的平台。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于语音控制的机械臂3D虚拟操作实验平台，包括依次连接的语音模块、控制中心和3D虚拟实验场景模块，其中，所述3D虚拟实验场景模块包括：3D模型构建单元，用于构建机械臂3D模型和工作场景3D模型；运动姿态动态显示单元，用于根据运动姿态参数实现所述机械臂3D模型在所述工作场景3D模型中运动的显示，所述运动姿态参数由所述控制中心基于语音模块的输出解算获得；所述语音模块、控制中心和3D虚拟实验场景模块均基于图形化编程语言实现。进一步地，所述语音模块包括：语音接收单元，用于接收用户输入的语音信息，并转换为语音音频电信号；语音识别单元，用于对所述语音音频电信号进行识别，获得指令字符串。进一步地，所述语音接收单元包括麦克风。进一步地，所述控制中心包括：指令分类处理单元，用于对语音模块的输出进行分类，输出分类语音指令；运动姿态解算单元，用于根据所述机械臂3D模型在所述工作场景3D模型中的当前姿态和所述分类语音指令，解算获得机械臂3D模型的运动姿态参数，并输出。进一步地，所述运动姿态解算单元通过端点解算或位姿解算获得机械臂3D模型的运动姿态参数。进一步地，所述图形化编程语言为LabVIEW。进一步地，所述运动姿态动态显示单元中，采用循环刷新方式显示所述机械臂3D模型在所述工作场景3D模型中的运动。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术结合可视化及语音识别的人机交互技术，设计与实现语音控制下多自由度机械臂运动3D虚拟操作实验平台，能有效地减少工业机械臂相关实验对实验设备的依赖性，降低实验成本并增加实验项目的灵活性和多样性，有利于调动学生学习的积极性，提高实践教学效果。2、本专利技术使用图形化编程语言进行快速开发，有效降低了三维运动状态仿真显示实验时使用文本编程语言进行开发的难度，有利于克服初学者和学生的畏难情绪，实验项目和实验内容易于扩展。3、本专利技术使用语音控制，将实验用户的语音信息转换为特定的控制指令字符串，并传输给控制中心程序进行处理，从而可允许实验用户的双手在此同时做其它操作，提高实验效率和提升直观体验效果。4、本专利技术是多自由度机械臂实物系统的有益补充和扩展，可避免实物系统操控时由于编程失误等原因导致机械臂运动失控或误动作导致安全事故发生。附图说明图1为本专利技术平台的架构示意图；图2为本专利技术3D虚拟实验场景示意图；图3为本专利技术3D模型零件单元关系示意图，其中，(a)为层次关系，(b)为并列关系；图4为本专利技术语音模块示意图；图5为本专利技术工作程序流程示意图。图中，1、语音模块，2、控制中心，3、3D虚拟实验场景模块，4、第二横板，5、第一横板，6、柱顶，7、立柱，8、滑动副，9、第一转轴，10、底座，11、第一杆，12、第二转轴，13、第二杆，14、末端执行器，15、物块，16、工作台，17、背板，18、第三横板。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本专利技术提供一种基于语音控制的机械臂3D虚拟操作实验平台，包括依次连接的语音模块1、控制中心2和3D虚拟实验场景模块3，语音模块1、控制中心2和3D虚拟实验场景模块3均基于图形化编程语言实现。3D虚拟实验场景模块3建立3D虚拟实验场景，语音模块1采集和识别用户的语音信息，控制中心2结合机械臂当前运动姿态，解算得到机械臂3D模型相应的运动参数，3D虚拟实验场景模块C以3D图形方式动态显示机械臂运动过程。3D虚拟实验场景模块3包括3D模型构建单元和运动姿态动态显示单元，3D模型构建单元用于构建机械臂3D模型和工作场景3D模型，运动姿态动态显示单元用于根据运动姿态参数实现所述机械臂3D模型在所述工作场景3D模型中运动的显示，所述运动姿态参数由所述控制中心基于语音模块的输出解算获得。语音模块1包括语音接收单元和语音识别单元，语音接收单元用于接收用户输入的语音信息，并转换为语音音频电信号；语音识别单元用于对所述语音音频电信号进行识别，获得指令字符串。语音识别单元可以集成于计算机中。控制中心2包括指令分类处理单元和运动姿态解算单元，指令分类处理单元用于对语音模块的输出进行分类，输出分类语音指令；运动姿态解算单元用于根据所述机械臂3D模型在所述工作场景3D模型中的当前姿态和所述分类语音指令，解算获得机械臂3D模型的运动姿态参数，并输出。如图5所示，上述基于语音控制的机械臂3D虚拟操作实验平台的工作过程为：1)初始化；2)语音模块接收语音信号并识别获得指令字符串；3)指令分类处理单元根据所述指令字符串执行相应操作；4)运动姿态解算单元根据操作指令内容和当前运动姿态，解算机械臂的运动位姿参数；5)3D虚拟实验场景模块实现机械臂3D模型在工作场景3D模型中的三维运动姿态动态显示。上述工作过程的程序结构采用“循环内嵌事件”，保证实时响应语音识别模块所识别得到的字符串指令，及时高效的解算运动状态参数，在指定窗口中显示机械臂的工作状态。本专利技术结合可视化及语音识别的人机交互技术，设计与实现语音控制下多自由度机械臂运动3D虚拟操作实验平台，能有效地减少工业机械臂相关实验对实验设备的依赖性，降低实验成本并增加实验项目的灵活性和多样性，提高实践教学效果。实施例1本实施例中多自由度机械臂运动3D虚拟实验场景模拟的是工业生产中机械臂的典型应用：机械臂接受外部指令，精确地定位到三维空间上的某一点进行作业，抓取工件后放到指定位置，如图2所示。本实施例中，图形化编程语言为LabVIEW。LabVIEW环境下的3D建模遵循“先创建对象，后添加对象”的函数调用规则，同时对图形对象的尺寸、颜色、位置等熟悉进行设置。一个复杂的3D模型往往由多个零件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于语音控制的机械臂3D虚拟操作实验平台，其特征在于，包括依次连接的语音模块、控制中心和3D虚拟实验场景模块，其中，所述3D虚拟实验场景模块包括：3D模型构建单元，用于构建机械臂3D模型和工作场景3D模型；运动姿态动态显示单元，用于根据运动姿态参数实现所述机械臂3D模型在所述工作场景3D模型中运动的显示，所述运动姿态参数由所述控制中心基于语音模块的输出解算获得；所述语音模块、控制中心和3D虚拟实验场景模块均基于图形化编程语言实现。

【技术特征摘要】
1.一种基于语音控制的机械臂3D虚拟操作实验平台，其特征在于，包括依次连接的语音模块、控制中心和3D虚拟实验场景模块，其中，所述3D虚拟实验场景模块包括：3D模型构建单元，用于构建机械臂3D模型和工作场景3D模型；运动姿态动态显示单元，用于根据运动姿态参数实现所述机械臂3D模型在所述工作场景3D模型中运动的显示，所述运动姿态参数由所述控制中心基于语音模块的输出解算获得；所述语音模块、控制中心和3D虚拟实验场景模块均基于图形化编程语言实现。2.根据权利要求1所述的基于语音控制的机械臂3D虚拟操作实验平台，其特征在于，所述语音模块包括：语音接收单元，用于接收用户输入的语音信息，并转换为语音音频电信号；语音识别单元，用于对所述语音音频电信号进行识别，获得指令字符串。3.根据权利要求2所述的基于语音控制的机械臂3D虚拟操作实验平台，其特征在于，所述语音接收单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志明，马睿，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31