风管清扫机器人遥操作系统设计 摘 要
近年来随着中央空调的广泛应用，空调管道清洗越来越被人们所关注，风管
清扫机器人作为风管清洗的关键设备得到了人们的重视。针对目前国内外风管清
扫机器人自动化程度不高、工作效率较低，难以胜任复杂管道清洗任务的现状；
本文以提高机器人工作效率为出发点，致力于风管清扫机器人交互式遥操作系统
设计与实现，展开了以下研究工作：
首先，介绍了风管清扫机器人的工作任务、工作环境和工作原理。在此基础
上分析了风管清扫机器人遥操作系统功能需求、技术关键，给出了机器人本体控
制系统、运动执行机构以及传感器系统的硬件平台组建方案。
其次，对机器人本体遥操作系统各软件功能模块进行了设计与实现。采用
DirectShow视频方案搭建机器人本体视频监控服务器，基于单片机开发了传感器
数据采集模块，对运动控制卡动态链接库进行二次开发设计了机器人关节级运动
控制函数，结合机器人运动学分析展开了机器人任务级遥操作研究和设计，结合
套接字编程设计了通信功能模块，实现了机器人本体主控制器与传感器数据采集
单片机的通信、与控制台PC之间的无线通信。
再次，设计开发了机器人遥操作控制台。用DirectShow技术完成控制台视频
监控系统设计，用OpenGL技术仿真机器人虚拟现实运动，运用操纵杆及其
Windows系统下的接口驱动设计了机器人遥操作手柄。
最后，基于自行研制开发的风管清扫机器人实验样机和模拟中央空调风管环
境，对所设计的机器人遥操作系统进行了测试，验证了设计方案的有效性。
关键词：风管清扫机器人；遥操作；视频监控；虚拟现实；套接字通信
第1章绪论1
1．1研究背景与意义1
1．2风管清扫机器人研究现状一2
1．3机器人遥操作技术的研究现状4
1．4论文主要内容及结构安排5
第2章风管清扫机器人遥操作系统简介．．7
2．1风管清扫机器人的工作原理和工作环境一7
2．2风管清扫机器人遥操作功能需求分析．8
2．3机器人遥操作本体硬件平台介绍10
2．3．1机械结构．．1 1
2．3．2控制系统．．11
2．4本章小结．．15
第3章风管清扫机器人本体遥操作软件实现16
3．1传感器功能模块设计．16
3．1．1机器人本体视频服务器构建．16
3．1．2其他传感器功能单元20
3．2运动控制功能模块设计．．2 1
3．2．1关节级运动控制函数设计．21
3．2．2任务级运动控制函数设计．23
3．2．2．1机器人运动学分析．23
3．2．2．2基于运动学模型的组合运动控制函数设计．26
3．3通信功能模块设计．28
3．3．1主控器与传感器模块通信．28
3．3．2机器人本体与控制台通信．29
3．4本章小结32
第4章风管清扫机器人遥操作控制台设计．．33
4．1机器人监控视频接收和播放33
4．2基于OpenGL的虚拟现实仿真35
4．2．1 OpenGL程序框架搭建．35
4．2．2模型创建．．36
4．2．3虚拟现实仿真37
4．3遥操作运动控制模块设计．．39
4．3．1操纵杆设计．．39
4．3．2操纵杆运动控制编程实现．40
4．3遥操作界面集成42
4．4本章小结43
第5章实验测试．．44
5．1机器人实验样机．．44
5．2实验管道搭建．45
5．3遥操作功能测试46
5．3．1机器人与虚拟现实模型拟合度测试．46
5．3．2视频传输延迟测试．47
5．3．3机器人清扫组合运动测试．48
5．3实验小结49
总结与展望．．50
参考文献．．52
致j射．．55
附录A攻读学位期间所发表的学术成果目录56,3007