基于HTCvive的數(shù)字孿生場景建模及標(biāo)定方法研究

摘 要：數(shù)字孿生技術(shù)的前提是虛擬場景可以跟真實(shí)場景進(jìn)行映射，準(zhǔn)確地得到真實(shí)的物體之間的相對關(guān)系，因此數(shù)字孿生場景的建模與標(biāo)定方法一直是研究熱點(diǎn)。針對搭建數(shù)字孿生場景標(biāo)定相對關(guān)系困難的問題，現(xiàn)提出一種基于HTCvive，利用定位器實(shí)時(shí)獲取跟蹤器位置，配合點(diǎn)激光傳感器的方式，進(jìn)行點(diǎn)云生成和不同的算法處理，可以得到真實(shí)設(shè)備的定位信息和工件的位置及姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生場景快速標(biāo)定。

關(guān)鍵詞：HTCvive；數(shù)字孿生；標(biāo)定

中圖分類號(hào)：TP274" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）06-0079-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.06.021

0" " 引言

隨著新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的融合與落地應(yīng)用，制造業(yè)正加速向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級。真實(shí)物理世界與信息數(shù)字世界的交互與融合是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)智能制造的理念和目標(biāo)，兩者之間相互促進(jìn)，共同發(fā)展[1]。在這一背景下，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。不過，當(dāng)前數(shù)字孿生技術(shù)的運(yùn)用大多處于初級階段，底層一般只做到虛實(shí)模擬，增加視覺效果；頂層一般采集大量數(shù)據(jù)，制成更具時(shí)效的圖表，輔助決策。數(shù)字孿生智能化車間需要足夠的可用精度，而不只滿足于仿真效果的提升。由此可得，單純依靠設(shè)計(jì)規(guī)劃無法滿足實(shí)際需求，容易造成實(shí)際建設(shè)的智能化車間與花費(fèi)了巨大精力做的數(shù)字孿生車間并不相同。

數(shù)字孿生場景搭建最困難的就是標(biāo)定各設(shè)備間或設(shè)備與工件間的相對關(guān)系，針對不同的情況，所要求的精度也不一樣[2]。因此，本文提出一種數(shù)字孿生場景建模和標(biāo)定方法，針對搭建數(shù)字孿生場景標(biāo)定相對關(guān)系困難的問題，利用定位器實(shí)時(shí)獲取跟蹤器位置加點(diǎn)激光距離傳感器的方式，進(jìn)行簡單點(diǎn)云生成，然后進(jìn)行特定算法處理，得到設(shè)備的定位信息。同樣地，根據(jù)工件的特殊性編寫特定的算法，即可獲取該工件的形狀特征及具體位置，由此搭建整個(gè)數(shù)字孿生場景。

1" " 系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的標(biāo)定系統(tǒng)包含點(diǎn)激光傳感器、跟蹤器、定位器、計(jì)算機(jī)、待定位的設(shè)備、待定位工件和輔助標(biāo)定工具。其中的跟蹤器和定位器，考慮到采購方便以及產(chǎn)品成熟便于應(yīng)用開發(fā)，本文采用HTCvive設(shè)備代替[3]。如圖1所示，以標(biāo)定自動(dòng)化上下料工作站為例，點(diǎn)激光傳感器與跟蹤器進(jìn)行固定連接，標(biāo)定時(shí)只要保證跟蹤器在定位器的檢測視野范圍內(nèi)，可以進(jìn)行任意移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。通過手持點(diǎn)激光傳感器對要標(biāo)定物體的關(guān)鍵位置進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)是點(diǎn)激光距離以及當(dāng)前跟蹤器的位置及姿態(tài)[4]。

2" " 標(biāo)定方法

本文設(shè)計(jì)的標(biāo)定系統(tǒng)方案其標(biāo)定方法如下：先根據(jù)智能車間的大小，合理選擇定位器的數(shù)量位置和點(diǎn)激光傳感器的參數(shù)；再根據(jù)設(shè)備或工件采用不同的標(biāo)定方法，設(shè)備類需要采集關(guān)鍵位置點(diǎn)，工件類需要通過安裝輔助標(biāo)定工具尖進(jìn)行變換位置采集數(shù)據(jù)；最后利用系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算得出各設(shè)備或工件相對于定位器基準(zhǔn)面的相對位置，從而標(biāo)定整個(gè)智能車間的相對關(guān)系。標(biāo)定方法流程圖如圖2所示。

具體標(biāo)定步驟如下：

1）根據(jù)智能工廠的大小，合理分配定位器的數(shù)量和位置，要確保視野范圍內(nèi)能夠?qū)崟r(shí)得到追蹤器的位置，如圖3所示。

2）固定定位器并連接通信線到計(jì)算系統(tǒng)上。

3）進(jìn)行數(shù)字孿生場景的世界坐標(biāo)系標(biāo)定，主要是使用兩個(gè)跟蹤器相距一定距離平放在地面上，兩跟蹤器距離建議大于1 m，進(jìn)行地面標(biāo)定和跟蹤器移動(dòng)范圍設(shè)定。

4）點(diǎn)激光傳感器上安裝追蹤器，計(jì)算系統(tǒng)連接點(diǎn)激光傳感器的通信電纜，對點(diǎn)激光相對跟蹤器的位姿進(jìn)行標(biāo)定。如圖4所示，標(biāo)定方法如下：

（1）固定好一個(gè)標(biāo)定尖。

（2）使用點(diǎn)激光瞄準(zhǔn)標(biāo)定尖，一定要對準(zhǔn)球心，記錄對準(zhǔn)時(shí)跟蹤器的位姿值和點(diǎn)激光距離值。

（3）在不共面的不同位置上瞄準(zhǔn)標(biāo)定尖進(jìn)行多次測量，最少需要6組數(shù)據(jù)（圖4只繪制了4組），一般使用9組數(shù)據(jù)進(jìn)行求解。

（4）使用采集的數(shù)據(jù)在計(jì)算系統(tǒng)中進(jìn)行計(jì)算，求出點(diǎn)激光傳感器基于跟蹤儀的位姿關(guān)系，算法原理類似于相機(jī)的手眼標(biāo)定。

5）針對工業(yè)機(jī)器人類設(shè)備，還需要在機(jī)器人末端固定連接安裝輔助標(biāo)定工具尖，并對該工具球心位置進(jìn)行機(jī)器人工具坐標(biāo)系標(biāo)定。

6）采集工業(yè)機(jī)器人的原點(diǎn)位置，需對點(diǎn)激光瞄準(zhǔn)輔助標(biāo)定工具尖的球面進(jìn)行點(diǎn)云采集，點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以是外球面，也可以是內(nèi)球面，但不允許同時(shí)采集兩個(gè)球面。對采集到的球面點(diǎn)云進(jìn)行球面擬合，求出該標(biāo)定尖的球心位置，如圖5所示。同時(shí)，把當(dāng)前機(jī)器人的各關(guān)節(jié)值傳輸?shù)接?jì)算系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)，以備后續(xù)計(jì)算。

7）移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人，改變輔助標(biāo)定工具尖的位置及姿態(tài)，重復(fù)步驟6），再得到球心位置和該位置下機(jī)器人各關(guān)節(jié)值。再次重復(fù)步驟6），最少需要獲取3組數(shù)據(jù)，利用三球交會(huì)定位原理和機(jī)器人的安裝方式，計(jì)算出該工業(yè)機(jī)器人的原點(diǎn)位置，如圖6所示，得到機(jī)器人在數(shù)字孿生場景中的相對位置。

8）采集設(shè)備的定位關(guān)鍵點(diǎn)，使用點(diǎn)激光實(shí)時(shí)獲取距離的特性，在設(shè)備的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上進(jìn)行距離采集，獲得關(guān)鍵點(diǎn)附近的點(diǎn)云，對該點(diǎn)云進(jìn)行特征識(shí)別，得到關(guān)鍵點(diǎn)的位置信息，如圖7所示。

（1）在軟件中選中該設(shè)備的關(guān)鍵特征點(diǎn)。

（2）使用點(diǎn)激光傳感器瞄準(zhǔn)該關(guān)鍵特征點(diǎn)附近的區(qū)域，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。

（3）軟件根據(jù)該關(guān)鍵特征點(diǎn)類型對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，得出該關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵特征類型即裝配關(guān)系中的特征元素，如點(diǎn)、線、面，其中面還區(qū)分有平面、球面、圓柱面和圓錐面等。

9）多次重復(fù)步驟8），直到獲取一個(gè)設(shè)備的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，一般需要一個(gè)原點(diǎn)再加兩個(gè)方向即可，不同配合方式，獲取的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)量以及方式不同。根據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到該設(shè)備在數(shù)字孿生場景中的相對位置。

10）根據(jù)設(shè)備類型選擇5）～7）或8）～9）的標(biāo)定步驟，對智能車間內(nèi)的所有設(shè)備和工件進(jìn)行相對位置的標(biāo)定，得到一個(gè)與真實(shí)物理世界一致、滿足使用精度要求的數(shù)字孿生場景。

3" " 標(biāo)定原理

3.1" " 手眼標(biāo)定

步驟4）中的標(biāo)定原理：如圖8所示，設(shè)定世界坐標(biāo)系為B，跟蹤器的坐標(biāo)系為E，點(diǎn)激光傳感器坐標(biāo)系為C，標(biāo)定球心的坐標(biāo)系為P，標(biāo)定就是求C基于E的旋轉(zhuǎn)矩陣E C M。由圖可知：

只需在式（7）中代入3組數(shù)據(jù)，聯(lián)立求解即可得到兩個(gè)解，再根據(jù)當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人的安裝方式，可以輕易判斷出正確的解。

3.3" " 關(guān)鍵點(diǎn)識(shí)別原理

步驟8）中的關(guān)鍵點(diǎn)特征識(shí)別原理：基于把點(diǎn)云擬合成面，再根據(jù)面面相交原理求出線，再根據(jù)線線相交求出點(diǎn)。舉例說明：如圖7所示，⑥中采集到的點(diǎn)云可以直接擬合出一個(gè)面，⑤同理。而②是識(shí)別線，所以同樣是對采集的數(shù)據(jù)先進(jìn)行面分割，然后再擬合出兩個(gè)面，再求交算出線。③是通過正面和地面求交得到的。而④這條線，顯然是不可以通過面面相交的方式得到，但是可以由點(diǎn)云距離突變的位置確定一條線。而①要算出的點(diǎn)，正是通過求正面、側(cè)面和地面來進(jìn)行求交得出的。

識(shí)別關(guān)鍵特征是確定設(shè)備位置的第一步。確定設(shè)備位置的方法其實(shí)就是把每一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)特征作為物理世界設(shè)備與數(shù)字孿生設(shè)備的約束條件，只要滿足固定自由度的方式，就可以得到物理世界中設(shè)備的位置。例如，可以通過先識(shí)別①得到定位點(diǎn)，然后通過識(shí)別②和③的線作為設(shè)備的方向，從而得到設(shè)備的絕對位置。同理，通過識(shí)別⑤、⑥和地面也可以確定設(shè)備的位置。

3.4" " 整體標(biāo)定原理

本文的標(biāo)定方法其原理是基于B P M=B E M·E C M·C P M，因?yàn)楦櫰鞯奈蛔耸菍?shí)時(shí)獲取的，而通過標(biāo)定已知E C M，再加上點(diǎn)激光傳感器反饋的實(shí)時(shí)距離，即可得到在數(shù)字孿生世界坐標(biāo)系下，點(diǎn)激光遇到遮擋的該點(diǎn)的位置。移動(dòng)點(diǎn)激光，就可以得到無數(shù)的點(diǎn)云。由此，利用點(diǎn)激光的特性，標(biāo)定范圍可以比跟蹤器的移動(dòng)范圍還大。

4" " 結(jié)束語

本文提出的數(shù)字孿生場景標(biāo)定方法，只需要搭建一次定位器，就可以對整個(gè)100 m2內(nèi)的智能車間進(jìn)行虛實(shí)標(biāo)定。本方案適應(yīng)性廣，可以根據(jù)場景精度要求選擇不同的硬件。此外，標(biāo)定方法簡單，使用門檻低，容易推廣。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 劉氫.基于Unity3D和htcvive的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通訊世界，2017（3）：43-44.

[2] 李穎，高嵐，朱志松.面向智能制造場景的機(jī)器人數(shù)字孿生建模與控制[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2023：1-10.（2023-07-19）[2023-11-15].https：//kns.cnki.net/kcms2/article/abstract？v=w1Je9LIFm5C2mR5x3HhTOFrYqd3QP1iKBK8bU-0h8LjJy4ovg8bCWnjLNmbGDFZg0f3M8t23hnq75-BkoctQ8h-Ig1elh8AG59zbTXMIAug0QWzV3c8-8cpKknMAs68_qm2vp0a-YXhbos=amp;uniplatform=NZKPTamp;language=CHS.

[3] 劉俊，楊振國，董文杰，等.基于Unity 3D amp; HTCvive的工業(yè)機(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)編程教學(xué)仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].輕工科技，2018，34（8）：93-95.

[4] 劉俊，蔡鋈，侯文峰，等.一種數(shù)字孿生場景建模及標(biāo)定方法：CN116563491A[P].2023-08-08.

收稿日期：2023-11-20

作者簡介：劉俊（1989—），女，河南信陽人，碩士研究生，講師，研究方向：機(jī)械制造及自動(dòng)化。

研究課題：校級科研項(xiàng)目“面向工業(yè)機(jī)器人焊接單元的數(shù)字孿生技術(shù)研究”（2022KJ12）

研究項(xiàng)目：2023年度廣州市高等教育教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程“課堂革命”典型案例項(xiàng)目：“崗課賽證”重構(gòu)內(nèi)容、“集成聯(lián)調(diào)”升級技能—汽車輪轂智能倉儲(chǔ)單元的集成調(diào)試（2023KTAL009）