一种激光增材修复人机协同遥操作系统的制作方法
本发明属于机器人遥操作，具体涉及一种激光增材修复人机协同遥操作系统。
背景技术：
1、在当前全球制造业面临环境压力与经济转型的双重挑战中，激光增材修复技术作为一种高效、绿色的再制造技术，为制造业的可持续发展提供了新的解决方案。未来制造业的发展重点是推动创新驱动、质量为本、绿色发展。激光增材修复技术正是围绕这些原则设计的，它通过高能激光直接作用于金属材料，实现废旧零部件的精准修复和功能恢复，极大地提升了材料的利用效率并降低了生产过程中的能耗和废料。
2、在激光增材修复过程中，使用的精细粉末或丝材料在激光束的作用下熔化，精确地沉积在需要修复的部件上，形成坚固的冶金结合。这种技术具备高度的自动化和精确控制能力，能够保证修复后零部件的几何尺寸与性能，甚至在某些情况下超过原始零件的性能。这种技术不仅适用于常规的金属零件修复，也在航空航天、船舶、汽车、重工业和医疗器械等领域显示出广泛的应用潜力。
3、然而，尽管激光增材修复技术在精确性和可靠性上具有诸多优势，但在实际操作中仍面临一些挑战。例如，修复作业往往需要在特定的、复杂的工业环境中进行，这些环境可能包含有害物质、极端温度或其他对操作人员有害的条件。此外，操作的复杂性和高技能要求也限制了这项技术的广泛应用。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本发明公开了一种激光增材修复人机协同遥操作系统，有效结合遥操作技术和机器人自动化，集成操作人员高适应性与机器人高精度的特点，在保护操作人员安全的情况下，增强作业灵活性。
2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
3、一种激光增材修复人机协同遥操作系统，包括混合现实交互主端系统、移动增材修复从端系统和通讯系统。
4、所述混合现实交互主端系统基于unity3d开发，支持跨平台多系统操作，主要负责遥控输入、虚拟仿真与人机交互，处理从端反馈信息，构建人在环路的控制链路。所述混合现实交互主端系统包括混合现实模块、增材修复控制模块、建图与定位模块和人机交互模块。
5、进一步地，混合现实模块开发了一个高度逼真的机械臂模拟器并实时镜像同步真实机械臂；并且动态重建未知物体的三维模型；同时整合实时摄像头图像流，将真实世界数据嵌入到模拟场景中，实现高度交互的混合现实环境。其中未知物体三维模型重建的主要步骤为：采用统计滤波sor去除离群噪点、采用移动最小二乘法mls平滑点云，最后使用icp算法对预处理的点云进行配准。
6、进一步地，增材修复控制模块包括机械臂控制与激光器控制。其中机械臂控制用于设定机械臂的运动参数、控制模式，以及实时反馈并展示机械臂的真实位姿；激光器控制用于设置激光器参数、选择激光修复路径及显示激光器状态。
7、进一步地，建图与定位模块提供建图定位功能和移动平台控制选项。其中采用gmapping算法进行定位和地图构建；使用键盘和摇杆控制移动平台的方向和速度，并实时显示在交互界面上。
8、进一步地，人机交互模块采用多种通道渠道与主端系统进行交互，包括手控器、手势识别、vr设备和语音输入。其中手控器提供精确的控制输入用于改变机械臂位姿和选择修复目标；手势识别和vr设备提供更自然的人机交互用于切换用户视角和调整控制参数，语音输入在用户需要保持手部自由或远距离操作时提供额外的有效控制。
9、所述移动增材修复从端系统基于ros开发，主要负责执行主端发送的控制指令，完成移动与修复任务，并将从端传感器所采集的信息反馈至主端。所述移动增材修复从端系统包括信息采集模块、增材修复执行模块和导航避障模块。
10、进一步地，信息采集模块包括两个双目相机和一个16线激光雷达。其中一个相机安装在机械臂的末端，紧邻激光焊枪，提供近距离的修复操作视图；另一个相机位于机械臂基座，用于捕捉更广角度的工作场景。激光雷达安装于移动平台前端，采集高精度3d点云，用于实现在复杂环境中的定位与障碍物检测。
11、进一步地，增材修复执行模块根据主端系统选择的修复路径与设定的激光参数，计算机械臂的目标路径并控制激光器的plc。其中采用rrt-connect算法规划机械臂路径，并使用三次样条插值法对笛卡尔空间轨迹进行平滑处理，同时使用五次多项式对关节空间轨迹进行插补。
12、进一步地，导航避障模块结合基座相机深度数据与激光雷达数据识别障碍物，并采用teb算法动态规划机器人移动路径。
13、所述通讯系统使用多种通讯链路实现主、从端数据共享，包括有线电缆、无线电台和5g网络。在近距离且环境较为固定和安全的场合，通讯系统使用有线电缆提供稳定高效的数据传输；在更广阔且复杂的操作环境下，通讯系统使用无线电台提供灵活的移动支持；在跨区域远距离的操作任务中，通讯系统使用5g网络提供低时延且高效的数据传输，以支持更广泛的操作范围。
14、本发明的工作原理是：
15、操作人员在主端系统根据重建的作业场景信息，通过交互设备选择激光修复目标与路径，在确认规划无误后经通讯链路将控制指令发送至从端系统，控制从端设备完成修复作业，同时从端系统将传感器采集的信息实时反馈至主端，以便操作人员监控和调整修复过程。
16、本发明地有益效果是：
17、1）本系统集成了遥控技术和机器人自动化，使操作人员可以通过高级的控制界面和实时反馈远距离操控机器执行复杂的修复任务，同时系统中的智能算法可以帮助优化操作路径和参数，在确保修复质量的同时，使操作人员可以远离有害气体、高温、辐射等恶劣环境；
18、2）在当前的工业生产中，许多任务因其非标准化和变化性而难以自动化，本系统根据实际情况，结合人的经验判断和机器的精确执行能力实时调整修复策略，可以有效应对生产中不确定性和复杂性。
技术特征：
1.一种激光增材修复人机协同遥操作系统，其特征在于，所述系统包括混合现实交互主端系统、移动增材修复从端系统和通讯系统；
2.根据权利要求1所述的一种激光增材修复人机协同遥操作系统，其特征在于，所述混合现实模块开发了一个高度逼真的机械臂模拟器并实时镜像同步真实机械臂；并且动态重建未知物体的三维模型；同时整合实时摄像头图像流，将真实世界数据嵌入到模拟场景中，实现高度交互的混合现实环境；其中未知物体三维模型重建的步骤为：采用统计滤波sor去除离群噪点、采用移动最小二乘法mls平滑点云，最后使用icp算法对预处理的点云进行配准。
3.根据权利要求1所述的一种激光增材修复人机协同遥操作系统，其特征在于，所述增材修复控制模块包括机械臂控制与激光器控制；其中机械臂控制用于设定机械臂的运动参数、控制模式，以及实时反馈并展示机械臂的真实位姿；激光器控制用于设置激光器参数、选择激光修复路径及显示激光器状态。
4.根据权利要求1所述的一种激光增材修复人机协同遥操作系统，其特征在于，所述建图与定位模块提供建图定位功能和移动平台控制选项；其中采用gmapping算法进行定位和地图构建；使用键盘和摇杆控制移动平台的方向和速度，并实时显示在交互界面上。
5.根据权利要求1所述的一种激光增材修复人机协同遥操作系统，其特征在于，所述人机交互模块采用多种通道渠道与主端系统进行交互，包括手控器、手势识别、vr设备和语音输入；其中手控器提供精确的控制输入用于改变机械臂位姿和选择修复目标；手势识别和vr设备提供更自然的人机交互用于切换用户视角和调整控制参数，语音输入在用户需要保持手部自由或远距离操作时提供额外的有效控制。
6.根据权利要求1所述的一种激光增材修复人机协同遥操作系统，其特征在于，所述信息采集模块包括两个双目相机和一个16线激光雷达。其中一个相机安装在机械臂的末端，紧邻激光焊枪，提供近距离的修复操作视图；另一个相机位于机械臂基座，用于捕捉更广角度的工作场景；激光雷达安装于移动平台前端，采集高精度3d点云，用于实现在复杂环境中的定位与障碍物检测。
7.根据权利要求1所述的一种激光增材修复人机协同遥操作系统，其特征在于，所述增材修复执行模块根据主端系统选择的修复路径与设定的激光参数，计算机械臂的目标路径并控制激光器的plc；其中采用rrt-connect算法规划机械臂路径，并使用三次样条插值法对笛卡尔空间轨迹进行平滑处理，同时使用五次多项式对关节空间轨迹进行插补。
8.根据权利要求1所述的一种激光增材修复人机协同遥操作系统，其特征在于，所述导航避障模块结合基座相机深度数据与激光雷达数据识别障碍物，并采用teb算法动态规划机器人移动路径。
9.根据权利要求1所述的一种激光增材修复人机协同遥操作系统，其特征在于，其工作原理是：
技术总结
本发明公开了一种激光增材修复人机协同遥操作系统，包括混合现实交互主端系统、移动增材修复从端系统和通讯系统。所述混合现实交互主端系统包括混合现实模块、增材修复控制模块、建图与定位模块和人机交互模块；所述移动增材修复从端系统包括信息采集模块、增材修复执行模块和导航避障模块；所述通讯系统通过多种通信链路实现主、从系统数据共享。本系统有效集成了遥控技术和机器人自动化，结合人的经验判断和机器的精确执行能力实时调整修复策略，可以有效应对作业场景中不确定性和复杂性，并使操作人员远离有害气体、高温、辐射等恶劣环境，在保护操作人员安全的情况下，增强作业灵活性。
技术研发人员：宋爱国,魏林琥,胡慧然,毛婧超
受保护的技术使用者：南京先端机器人技术研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23