變胞式碼垛機(jī)器人可視化虛擬仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)研究

何思民，董奕辰，陳輝慶，王汝貴

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人影響到生活的方方面面，是當(dāng)今社會(huì)不可缺少的一部分，為了設(shè)計(jì)出更好的工業(yè)機(jī)器人以及對(duì)設(shè)計(jì)出的機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)，虛擬仿真技術(shù)必不可少，在虛擬的環(huán)境中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行研究，可以節(jié)省大量的人力物力。傳統(tǒng)的可視化虛擬仿真存在的一個(gè)比較大的缺點(diǎn)是缺乏對(duì)所有種類(lèi)機(jī)器人的泛用性，MATLAB 機(jī)器人工具箱只適用于D-H 法建模的機(jī)器人，ROS 機(jī)器人系統(tǒng)提供了許多開(kāi)源的數(shù)據(jù)庫(kù)以及API 接口，但是其可視化虛擬仿真功能往往也是適用于D-H 法建模的機(jī)器人。造成可視化虛擬仿真軟件泛用性差的原因在于，可視化仿真展現(xiàn)機(jī)器人的三維模型是要確定機(jī)器人每一個(gè)桿件的位姿，通過(guò)D-H法建模的機(jī)器人可以很方便地逐級(jí)將各關(guān)節(jié)的兩端點(diǎn)位置以及該桿件相對(duì)于坐標(biāo)系原點(diǎn)的矢量求解得到，從而唯一地確定其機(jī)器人桿件位姿，此時(shí)可視化仿真軟件再通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，將機(jī)器人的外形展現(xiàn)出來(lái)。而不方便使用D-H 法建模的機(jī)器人，其確定各桿件位姿的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程則需要根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

而Solid Works 軟件擁有強(qiáng)大的配合功能，通過(guò)簡(jiǎn)單的幾個(gè)配合約束，可以唯一地確定機(jī)器人各桿件的位姿，其對(duì)于所有類(lèi)型的機(jī)器人，在運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方面都有良好的適應(yīng)性，但是Solid Works 的仿真功能較為薄弱，不少學(xué)者對(duì)其仿真功能進(jìn)行開(kāi)發(fā)[1，2]?；赩isual Studio 編譯環(huán)境，使用C#語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)窗體應(yīng)用程序，C#語(yǔ)言便于開(kāi)發(fā)各項(xiàng)功能，在窗體應(yīng)用程序中內(nèi)置這些功能，比如說(shuō)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和虛擬仿真等，然后對(duì)Solid Works 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)其豐富的API接口，將程序中的各項(xiàng)功能可視化地展現(xiàn)出來(lái)，搭建出可視化虛擬仿真平臺(tái)，方便以后進(jìn)一步深入研究機(jī)器人。

1 窗體應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

1.1 機(jī)器人模型模塊

實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研制出一種新型可控變胞式碼垛機(jī)器人，并制作出實(shí)物樣機(jī)[3，4]，以及分析其運(yùn)動(dòng)學(xué)[5]和控制程序[6]。該機(jī)器人的物理樣機(jī)和機(jī)構(gòu)如圖1 所示，其中電機(jī)一驅(qū)動(dòng)AB 桿運(yùn)動(dòng)，電機(jī)二驅(qū)動(dòng)ED 桿運(yùn)動(dòng)，ED 桿又對(duì)桿件DC 的運(yùn)動(dòng)造成影響，主動(dòng)桿AB桿與ED 桿共同影響CF 桿的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)CF 桿通過(guò)鉸鏈配合反過(guò)來(lái)對(duì)AB 桿和ED 桿造成約束。因此，該機(jī)器人使用D-H 法建模困難，難以使用各類(lèi)可視化虛擬仿真軟件進(jìn)行虛擬仿真。在此基礎(chǔ)上，對(duì)該機(jī)器人模型進(jìn)行進(jìn)一步的程序開(kāi)發(fā)。

圖1 機(jī)器人物理樣機(jī)和機(jī)構(gòu)

為了在計(jì)算機(jī)中建立該機(jī)器人的模型，在程序中聲明一個(gè)機(jī)器人類(lèi)，使用該機(jī)器人的實(shí)際物理尺寸對(duì)該類(lèi)進(jìn)行初始化設(shè)定。機(jī)器人各桿件的參數(shù)見(jiàn)表1。其中茲1 是主動(dòng)桿件AB的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，茲2 是主動(dòng)桿件ED的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，準(zhǔn)1是底部電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，準(zhǔn)2是機(jī)器人末端執(zhí)行器的回轉(zhuǎn)角度。然后為該機(jī)器人類(lèi)添加正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊，當(dāng)輸入一組主動(dòng)關(guān)節(jié)角角度或機(jī)器人末端位姿之后，可以唯一確定機(jī)器人的位姿。

表1 機(jī)械臂尺寸和主動(dòng)關(guān)節(jié)角取值范圍

1.2 預(yù)覽模塊

為了將計(jì)算機(jī)程序中的機(jī)器人模型及功能可視化，須開(kāi)發(fā)預(yù)覽模塊。該模塊由機(jī)器人模塊根據(jù)主動(dòng)關(guān)節(jié)角或末端執(zhí)行器位置能唯一地確定機(jī)器人各桿件的位姿，通過(guò)畫(huà)圖模塊依次將機(jī)器人各桿件和端點(diǎn)描繪出來(lái)。以及通過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊，將三維的機(jī)器人的模型在二維平面內(nèi)通過(guò)等軸測(cè)視圖展現(xiàn)出來(lái)。如圖2 所示是預(yù)覽模塊展現(xiàn)的機(jī)器人模型，預(yù)覽模塊對(duì)程序調(diào)試具有很大的意義，對(duì)正在開(kāi)發(fā)的功能有參考意義。更真實(shí)的模型則要對(duì)Solid Works 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)后獲得。

圖2 預(yù)覽界面

1.3 虛擬仿真模塊

為了對(duì)機(jī)器人進(jìn)行虛擬仿真和對(duì)模型模塊以及預(yù)覽模塊進(jìn)行檢驗(yàn)，開(kāi)發(fā)虛擬仿真模塊，在窗體程序界面中輸入各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，機(jī)器人末端執(zhí)行器依次通過(guò)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，且用動(dòng)畫(huà)的形式展現(xiàn)出來(lái)，并且在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中要實(shí)時(shí)展現(xiàn)機(jī)器人的關(guān)鍵信息，包括各主動(dòng)關(guān)節(jié)角的角度值和機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置。通過(guò)如下方法實(shí)現(xiàn)：根據(jù)機(jī)器人數(shù)學(xué)模型運(yùn)動(dòng)正解和逆解，對(duì)每一個(gè)時(shí)刻下的機(jī)器人的新位姿進(jìn)行求解，實(shí)時(shí)更新機(jī)器人位置。使用工具箱中的Timer控件，每隔若干時(shí)間計(jì)算一次，比如設(shè)定100 ms 求解一次機(jī)器人位姿，并更新預(yù)覽界面的圖形，便可以實(shí)現(xiàn)虛擬仿真的動(dòng)畫(huà)展現(xiàn)效果。

1.4 人機(jī)交互界面

為了實(shí)現(xiàn)上述各模塊，需要對(duì)大量函數(shù)進(jìn)行重復(fù)調(diào)用，為了減少代碼冗余度，將這些函數(shù)進(jìn)行封裝處理，封裝成一個(gè)個(gè)類(lèi)，在有需要時(shí)再進(jìn)行調(diào)用。按照模塊化的思想，將各項(xiàng)功能總結(jié)成若干的按鈕排布在人機(jī)交互界面上，每一個(gè)功能按鈕背后都是大量函數(shù)的相互調(diào)用。如圖3 所示，是開(kāi)發(fā)的窗體應(yīng)用程序的界面，日后根據(jù)實(shí)際需要，可以增減相對(duì)應(yīng)的功能，以方便對(duì)機(jī)器人的研究。

圖3 人機(jī)交互界面

2 對(duì)Solid Works 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)

按照機(jī)器人實(shí)際尺寸創(chuàng)建Solid Works 零件并裝配成裝配體，如圖4 所示。

圖4 Solid Works 機(jī)器人三維模型

基于Solid Works 強(qiáng)大的API 接口功能，可以很方便使用C#等語(yǔ)言對(duì)Solid Works 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。這里給出關(guān)鍵的幾個(gè)API 接口和偽代碼。

public SldWorks swApp = new SldWorks（）；//創(chuàng)建變量swApp，設(shè)swApp 為新的Solid Works 實(shí)體對(duì)象。

ModelDoc2 swDoc = null;//初始化活動(dòng)文檔對(duì)象類(lèi)API。

SketchSegment skSegment = null；//草 圖 管 理 類(lèi)API，創(chuàng)建一個(gè)變量對(duì)象以使用草圖類(lèi)下面的方法。

bool boolstatus = false;//用于選中某對(duì)象，比如：

boolstatus = swDoc.Extension.SelectByID2（“角度1”，“MATE”，0，0，0，false，0，null，0）；//選中主動(dòng)關(guān)節(jié)角-角 度1，boolstatus 是 選 中 狀 態(tài)，SelectByID2 是Solid Works 的API 庫(kù)中一種選擇對(duì)象方法。

swDisplayDimension//尺寸對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行操作可以將主動(dòng)關(guān)節(jié)角的值改變以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

基于上述的幾個(gè)API，Solid Works 配合功能中的機(jī)器人各個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)角的角度可以隨著窗體應(yīng)用程序的控制而改變，主動(dòng)關(guān)節(jié)角改變，則機(jī)器人的位姿發(fā)生改變，當(dāng)窗體應(yīng)用程序每間隔一段時(shí)間改變一次機(jī)器人的位姿，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)效果的可視化虛擬仿真，當(dāng)建立好坐標(biāo)系以后，基于SketchSegment API 可以將機(jī)器人末端執(zhí)行器的路徑展現(xiàn)出來(lái)。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)程序是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能，進(jìn)行可視化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。給定路徑上的幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（表2）。在窗體應(yīng)用程序中按下路徑規(guī)劃按鈕，預(yù)覽界面如圖5 所示。機(jī)器人依次沿著這幾個(gè)節(jié)點(diǎn)前進(jìn)，并畫(huà)出末端執(zhí)行器所行進(jìn)的路徑，整個(gè)過(guò)程以動(dòng)畫(huà)的形式表現(xiàn)。然后按下打開(kāi)Solid Works 按鈕，等到打開(kāi)三維界面，再按下三維仿真按鈕，根據(jù)虛擬仿真求得的路徑，通過(guò)API 接口控制機(jī)器人主動(dòng)關(guān)節(jié)角的角度值，讓機(jī)器人在三維中走出了對(duì)應(yīng)的路徑，并通過(guò)API 接口使用三維草圖功能繪畫(huà)出運(yùn)動(dòng)所走路徑，如圖6 所示。

圖5 虛擬仿真窗體程序的界面和虛擬仿真預(yù)覽

圖6 窗體程序控制下的可視化虛擬仿真

表2 虛擬仿真過(guò)程中關(guān)鍵點(diǎn)末端位置和主動(dòng)關(guān)節(jié)角度

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)可控變胞式碼垛機(jī)器人，基于Visual Studio編譯環(huán)境，使用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)窗體應(yīng)用程序，建立機(jī)器人模型，開(kāi)發(fā)虛擬仿真功能，開(kāi)發(fā)預(yù)覽功能，并對(duì)Solid Works 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將程序?qū)崿F(xiàn)的功能在Solid Works 中展現(xiàn)出來(lái)，從而達(dá)到了可視化仿真的效果。并進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了搭建的可視化虛擬仿真平臺(tái)能滿(mǎn)足機(jī)器人的可視化虛擬仿真需求，為以后繼續(xù)開(kāi)發(fā)研究變胞式碼垛機(jī)器人打下基礎(chǔ)。