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++软件X 11(2020)100426原始软件出版物将CoppeliaSim机器人模拟器连接到虚拟现实BorisBogaerts,Seppe Sels,Steve Vanlanduit,Rudi Penne安特卫普大学应用工程学院,比利时ar t i cl e i nf o文章历史记录:收到2019年收到修订版2020年1月8日接受2020年保留字:虚拟现实机器人仿真人机交互原型接口a b st ra ctCoppeliaSim VR模拟器提供了一套工具,用于在虚拟现实中体验CoppeliaSim机器人仿真软件,并返回用户交互。它的主要重点是创建一个平台,使机器人系统的快速原型和验证此外,工具箱的通用性该软件旨在为中等复杂的用例提供较低的入门门槛,但可以扩展为更有经验的用户执行非常复杂的可视化©2020作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)中找到。代码元数据当前代码版本v2.2用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2019_247法律代码许可BSD-3条款使用git的代码版本控制系统使用C、vtk、eigen、openvr、CoppeliaSim的软件代码语言、工具和服务编译要求,操作环境依赖性VS2015,VTK 8.2,eigen,openvr,CoppeliaSim远程API如果可用开发人员文档/手册链接问题支持电子邮件boris. uantwerpen.be软件元数据当前软件版本2.2此版本可执行文件的永久链接https://github.com/BorisBogaerts/CoppeliaSim-VR-Toolbox/releases合法软件许可BSD-3条款计算平台/操作系统Windows安装要求依赖V-REP、Steam如果可用,请链接到用户手册-如果正式出版,请在参考列表https://github.com/BorisBogaerts/CoppeliaSim-VR-Toolbox问题支持电子邮件boris. uantwerpen.be1. 动机和意义CoppeliaSim是一个机器人仿真环境,用于机器人系统和算法的原型设计,开发和验证。机器人系统可以是复杂的机电系统,其构造和使用是不平凡的。机器人的运动的离线编程还可能是麻烦的,*通讯作者。电子邮件地址:boris. uantwerpen.be(B. Bogaerts)。https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.100426这需要大量的时间和专业知识[1]。在这项工作中,我们开发了一个虚拟现实界面CoppeliaSim。虽然虚拟现实在虚拟原型和验证中的重要性早已被理解[2开发的CoppeliaSim VR机器人旨在比其他软件解决方案更容易获得机器人社区的成员。在发展过程中,我们重点关注了以下几个方面:降低新的准入门槛,2352-7110/©2020作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章,使用CC BY许可证(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页:www.elsevier.com/locate/softx++2B. Bogaerts,S.塞尔斯,S.Vanlanduit等人粤公网安备44010802000026号图1.一、 用户在VR(左上)中看到V-REP场景(右)。用户可以与机器人交互以教导路径。用户,简化软件设置,并最大限度地减少开发和测试用户交互的时间。该软件有了这个软件,可以轻松快速地创建新的设计场景,用于测试人类在更广泛问题中的表现。VR工具箱通过允许实现高级体绘制来证明其可扩展性,性能1VR机器人使用了一种常用的机器人模拟器,CoppeliaSim。该模拟器通常用于模拟实验场景,并定义场景控制逻辑。 虚拟现实浏览器包含一个应用程序,可以在openVR兼容设备中可视化该场景,并返回用户交互。这些可以在机器人模拟器中用于修改场景逻辑。工具箱还包含一组标准的交互器,预先编程了一组共同的交互。这些交互器可以直接使用,也可以作为更高级交互器的构建模块,或者可以作为特定自定义交互开发的示例(见图1)。①的人。我 们 的 VR 工 具 将 CoppeliaSim [8] 链 接 到 可 视 化 工 具 包(VTK)[9,10]。VTK提供了一个广泛的最先进的科学可视化库,还提供了与openVR兼容的虚拟现实设备的链接。另一种方法是将机器人操作系统(ROS)与Unity相结合[5]。然而,这种解决方案不太容易被机器人社区所接受,因为Unity的设置更具挑战性,并且与CoppeliaSim相比,机器人专家使用起来不那么直观[11]。此外,ROS中的场景逻辑和Unity中的场景建模之间的分离增加了开发特定案例的时间在我们的软件解决方案中,特意避免了场景逻辑和建模环境之间的这种一个不容低估的缺点是,这种额外的复杂性使用户研究更具挑战性。2. 软件描述和功能CoppeliaSim VR工具箱围绕一个核心模块构建,该模块可将CoppeliaSim场景数据转换为VTK演员,1 一段展示使用VR界面进行体绘制的视频可在线获取:https://youtu.be/Dsh8oyN4sD0。在VTK中可视化。此模块用于两个单独的应用程序。第一个应用程序在openVR兼容硬件中渲染任何CoppeliaSim我们将此应用称为VR接口。第二个应用程序从CoppeliaSim场景渲染全向立体图像。这些都可以用来创建引人注目的可视化研究,是与VR界面进行。2我们明确地为VR渲染创建了一个单独的应用程序,而不是将这些应用程序集成到模拟器中,以确保VR可视化的一致和快速帧率,即使模拟器的模拟速度不一致。这在用户研究中对于受试者的舒适度很重要,并且为了不偏倚结果,这是必要的。这套工具(即模块和应用程序)是由CoppeliaSim模型完成的,该模型对标准交互(我们称之为交互器)进行编程。这些交互器完全在CoppeliaSim中以其原生格式(即LUA)编程,也可以作为示例。2.1. 软件构架工具箱中最重要的组件是翻译模块(图中软件架构的示意图)。 2)的情况。该模块在VTK actor中转换CoppeliaSim数据为此,模块通过调用脚本函数与CoppeliaSim接口。这些脚本文件位于CoppeliaSim模型中,必须由用户添加到场景中。在对象加载之后,在渲染之间,基于CoppeliaSim中的场景逻辑这个翻译模块用于构建一个VTK应用程序(在c中),它可以用自定义可视化来增强。默认情况下,VR渲染器具有两个这样的应用程序,一个在VR中执行可视化,另一个渲染全向立体图像。然而,用户可以根据这些示例自由地添加自定义可视化.最简单和最常见的使用VR交互器的方法是使用或编程交互器。这些交互器是CoppeliaSim子脚本,其基于来自VR设备的交互来修改场景逻辑。交互器的编程完全类似于CoppeliaSim中的传统逻辑编程,甚至是一般的机器人模拟器。CoppeliaSim的图形用户界面旨在快速有效地开发和调试此类脚本。2 一个VR360视频示例可以在这里找到:https://youtu.be/pFAptrCYhaQ。B. Bogaerts,S.塞尔斯,S.Vanlanduit等人 粤公 网 安 备 44010802000011号图二.软件架构的高级示意图概述。图3.第三章。 让用户使用虚拟现实控制器控制机器人末端执行器的示例代码。2.2. 示例代码段分析图3.在CoppeliaSim(LUA)中以子脚本编程交互器。该脚本允许用户使用虚拟现实控制器控制右控制器的触发按钮的状态存储在整数信号R_trigger_press中。如果按下此按钮,则机器人目标(IK对象的尖端-目标组合的目标)变为子对象的控制器。这种父子链接将确保正确的控制器和机器人目标之间的相对变换保持固定。CoppeliaSim中的IK计算模块将确保机器人尖端与机器人目标匹配。因此,目标将跟随控制器的移动如果用户释放右控制器的触发器按钮,则父-子链接将断开。此代码片段显示了在CoppeliaSim场景逻辑中集成虚拟现实交互是多么容易。(see 图4).3. 说明性实例3.1. 机器人检测规划我们使用VR-Interface来调查没有经验的用户是否能够生成高质量的机器人检测路径[7]。用户可以通过移动VR控制器来移动机器人的末端执行器为了帮助他们记录检测路径,我们可视化了需要检测的几何体的检测质量。这是通过在VTK中编程自定义顶点颜色来实现的。使用VR中也可用的全向渲染工具生成360VR视频工具箱来解释实验过程。3该路径自然可以用于对真实机器人进行检查43.2. 摄像机网络设计最近,我们使用开发的VR摄像头来研究与自动算法相比,用户可以如何设计摄像头网络5[6]。为此,我们在VTK中实现了交互式体积可视化这个交互式体积向用户展示了场景的哪些部分是相机系统不可见的,作为一个交互式的红色云。用户可以通过VR控制器的拖动运动来移动相机系统的相机。这在图5中示出。在摄像机移动时,交互体积基于新的摄像机位置而改变。通过这种可视化,摄像机网络设计对应于放置摄像机,使得环境中没有红色区域。有了这个软件,我们证明了用户性能和自动算法性能之间的差距是有限的。该软件的灵活性使我们能够在各种不同的(动态)环境中对此进行研究。4. 影响和结论CoppeliaSim VR模拟器提供了一套工具,可将VR支持添加到功能强大的机器人系统原型环境中。CoppeliaSim本身以其灵活性和对每个机器人系统进行原型设计的能力而闻名[8]。交互器可以很容易地以相同的方式编程,并具有相同的灵活性。3 该视频可在线获取:https://youtu.be/pFAptrCYhaQ。4 请访问www.example.com,观看基于使用VR界面生成的路径的真实检测视频http://www.youtube.com/watch? v=A7E7H54v9ec& t=31m28s。5 一个解释性的视频可以在网上找到:https://youtu.be/Dsh8oyN4sD0。4B号文件。Bogaerts,S.塞尔斯,S.Vanlanduit等人粤公网安备44010802000026号见图4。 用户可以通过移动VR控制器来控制机器人的末端执行器,并获得有关附加测量系统的检查质量的反馈。这种可视化允许用户生成高质量的检测路径[7]。图五. 用户可以移动虚拟相机,并查看场景的哪些区域是可见的,在这里显示为绿色云。这种可视化使用户能够有效地设计摄像机网络。(For对本图图例中所指颜色的解释,读者可参考本文的网络版扩展CoppeliaSim VR的复杂性是分层的。最常见的扩展是创建新的交互器,可以使用标准工具执行,这些工具具有较低的入口阈值。然而,更有经验的用户可以构建自己的应用程序,在其中他们可以释放VTK提供的所有可视化功能,以帮助用户执行任务。 这种可扩展性已经通过高级体积渲染显示出来[6]。该软件解决方案比其他软件解决方案更容易和更快地设置。这一点很重要,因为在人机交互中进行试点研究以指导设计过程并消除实验误差是很常见的设置和安装所有所需软件的复杂性最小化,从而减少了设置用户研究的工作量。此外,构成测试场景的所有必要数据都存储在单个文件中。这进一步减少了建立用户研究的工作。竞合利益作者声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,可能会影响本文报告的工作致谢B.B由Fonds Wetenschappelijk Onderzoek(FWO,研究基金会佛 兰德 斯) , 比利 时 博士 ( 博士 )资 助 战略 基础 研究 ( SB )1S26216N。引用[1]Campeau-Lecours A , Litté-Allard U , Vu D , Routhier F , Gosselin B ,Gosselin C.直观的自适应方向控制增强人机交互。IEEE Trans Robot 2019;35(2):509-20. http://dx.doi.org/10.1109/TRO的网站。2018.2885464。[2]吉布森I科布S伊斯特盖特R虚拟现实和快速原型:冲突还是互补?参加:1993年国际固体自由成形制造研讨会,1993。[3]扎 赫 曼 · 德 萨 虚 拟 现 实 作 为 装 配 和 维 护 过 程 验 证 的 工 具 。 ComputGraph1999;23(3):389-403.[4]张文,张文.虚拟现实技术在制造过程仿真中的应用.北京:机械工业出版社,2000,24(1):100 -101. J Mater Process Technol2004;155:1834-8.[5]Krupke D,Starke S,Einig L,Steinicke F,Zhang J.沉浸式HRI场景的原型制作。在:国际会议上攀登和行走机器人和移动机器的支持技术。世界科学;2017年,p. 537-44[6]Bogaerts B,Sels S,Vanlanduit S,Penne R.使用虚拟现实界面的交互式摄像机网络设计。传感器2019;19(5):1003.[7]Bogaerts B,Sels S,Vanlanduit S,Penne R.使人类能够使用虚拟现实界面规划检查路径。2019年,arXiv预印本arXiv:1909.06077。[8]放大图片作者:John E,John S. V-REP:一个通用的、可扩展的机器人仿真框架。2013年IEEE/RSJ智能机器人与系统国际会议。IEEE; 2013,p.1321-6。[9]Hanwell MD , Martin KM , Chaudhary A , Avila LS. 可 视 化 工 具 包(VTK):为现代图形卡重写渲染代码。SoftwareX2015;1:9-12.[10]放大图片作者:John W,Martin K.可视化工 具 包 - 面 向 对 象 的 三 维 图 形 方法 。第四版Kitware,Inc.;2006年。[11]诺盖拉湖凉亭与v-rep机器人模拟器之比较分析。In Seminario interno decognicao artificial,2014,2014,p.五、[12]利瓦蒂诺,科菲尔虚拟现实评估研究手册。2007年IEEE虚拟环境、人机界面和测量系统研讨会。IEEE; 2007,p.1比6
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