基于Java3D和VRML技術的采摘機械手運動仿真研究

汪 應，羅元成

(重慶工程職業(yè)技術學院，重慶 402260)

基于Java3D和VRML技術的采摘機械手運動仿真研究

汪 應，羅元成

(重慶工程職業(yè)技術學院，重慶 402260)

為了實現(xiàn)采摘機器人機械手臂運動虛擬仿真過程的交互性，基于Java3D和VRML虛擬現(xiàn)實技術，提出了一種機械臂交互式三維場景生成及運動仿真系統(tǒng)。為了驗證系統(tǒng)的可行性，以采摘機器人機械臂為研究對象，設計了基于采摘機器人機械臂運動仿真系統(tǒng)，并基于網絡的特征，通過接口導入機械臂關節(jié)的造型文件，實現(xiàn)了采摘機器人機械臂仿真三維虛擬場景創(chuàng)建。對仿真系統(tǒng)進行了實驗，結果表明：開發(fā)的采摘機器人機械臂三維運動仿真系統(tǒng)可以對采摘路徑進行合理的規(guī)劃，得到和實驗基本吻合的軌跡，能夠實時地顯示關鍵力矩的變化，為關節(jié)結構的優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)參考。將仿真目標位置和預設位置進行對比發(fā)現(xiàn)，最大位置偏差不超過1mm，從而驗證了運動模型和算法的可靠性。

采摘機器人；機械手臂；虛擬現(xiàn)實；VRML技術；Java 3D

0 引言

虛擬運動仿真是虛擬產品開發(fā)的重要組成部分，在現(xiàn)代制造技術中發(fā)揮了巨大的作用。對于采摘機器人機械臂的設計制造，按照傳統(tǒng)的方法一般是將機械臂的各個零部件采用自底向上的方式，將零部件全部制造出來，然后將零部件進行裝配組合。這種設計制造方式設計出來的機械臂往往會發(fā)生零部件干涉，從而導致實際設計出來的產品和設計目標不吻合的缺陷。如果反復修改，會導致設計成本的大幅度上升，延長開發(fā)周期。虛擬運動仿真可以借助虛擬現(xiàn)實環(huán)境，在設計階段對產品的缺陷進行仿真，對產品結構進行優(yōu)化，設計制造出和目標需求相吻合的機械臂產品。

1 采摘機器人機械臂虛擬場景生成技術

采摘機器人機械臂作業(yè)三維場景的生成需要依托于虛擬現(xiàn)實技術，當前應用在虛擬系統(tǒng)開發(fā)的工具主要有4種，包括OpenGL、Direct3D、Java3D和VRM等。它們可以在網上實現(xiàn)三維可視化建模，且每個軟件都有各自的特點。

1)OpenGL圖形庫。OpenGL的圖形庫具有開放性，是一種屬于底層的三維圖形建模，其兼容性能很好，圖形編程接口應用廣泛，并且性能穩(wěn)定，運行效率較高。其建?？梢酝ㄟ^編程來實現(xiàn)，但編程語言較為復雜，因此開發(fā)周期較長。

2)Direct3D圖形編程。Direct3D是一種基于應用對象的三維圖形編程，利用Direct3D可以不通過圖形的顯示接口，有效地提高了軟件的運行效率，主要使用在游戲的建模和開發(fā)上，但其開發(fā)難度較大。

3)VRML建模語言。VRML是一種虛擬化的建模語言，可以利用瀏覽器對建模文件進行解釋，從而生成三維圖形，還可以通過網絡環(huán)境形成一個全球互聯(lián)的虛擬世界，一般和其他建模軟件結合使用，才能發(fā)揮出虛擬建模的強大功能。

4)Java3D技術。Java3D是SUN開發(fā)的一種圖形跨平臺開發(fā)軟件，它以Java為基礎，提供了較為完善的三維編程語言，其語言形式簡單，因此被迅速推廣，本研究選用Java3D軟件作為虛擬環(huán)境的開發(fā)工具。

比較以上虛擬建模軟件發(fā)現(xiàn)：OpenGL圖形顯示的速度較快，可以達到非常真實感的圖形建模，但由于其具有復雜性而使開發(fā)周期過長；Direct3D圖形編程主要應用在游戲開發(fā)場合；VRML文件的格式較小，可以通過腳本和傳感器等實現(xiàn)虛擬環(huán)境的交互，不過每次實現(xiàn)不同場景時都需要執(zhí)行解釋操作，交互性不好。依據(jù)以上分析，通過對比，本次研究采用Java 3D軟件為主、VRML為輔的方法，對機械臂作業(yè)的虛擬環(huán)境進行建模。

圖1采用Java 3D建模軟件建立的三維虛擬模型實例。利用Java3D不僅可以實現(xiàn)三維軟件的建模，而且采用一系列的Interpolator內插，與Alpha對象相結合，可實現(xiàn)各種類型的三維動畫程序。利用Alpha對象可以對動畫的時間進行操作，利用Interpolator內插器可實現(xiàn)模型在幾何空間內的運動控制，可將其應用在采摘機器人機械臂三維動畫交互場景中。采摘機器人機械手臂虛擬交互原型系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖1 Java 3D建模實例Fig.1 3D Java modeling examples

圖2 采摘機器人機械手臂虛擬交互原型系統(tǒng)結構Fig.2 The virtual interactive prototype system of robot arm for picking robot

采摘機器人機械手臂的虛擬交互系統(tǒng)是根據(jù)農業(yè)操作人員的需求開發(fā)的，將技術員、管理員和客戶需求的結果顯示在瀏覽器上，實現(xiàn)實時交互功能。為了實現(xiàn)交互性，使用Web瀏覽器+ VRML插件工具，使用戶可以對可視化模型進行操作，利用Java Applet標識三維虛擬場景中的對象，實現(xiàn)了復雜虛擬環(huán)境系統(tǒng)的網絡實時交互性控制。

2 采摘機械手軌跡規(guī)劃和碰撞仿真模型

采摘機器人機械手臂軌跡的規(guī)劃采用三次多項式的方式來仿真計算，使機器人的機械手臂可以按預設目標軌跡動作。以時間為變量建立光滑的時間函數(shù)θ，假設該函數(shù)為三次多項式，則

θ(t)=C0+C1t+C2t2+C3t3

(1)

由公式(1)可知：三次多項式共包括了4個待定系數(shù)。為了使采摘機器人機械手臂按指定目標運行，需要加上4個約束條件，才能確定這4個系數(shù)，利用給定的初始值和目標值，可以作為2個約束條件。為了保證機械臂關節(jié)速度函數(shù)的連續(xù)性，使初始和終止關節(jié)速度為0，關節(jié)角速度可以由(1)式求導得到，即

(2)

將其實和目標角度與角速度約束條件代入式(1)和式(2)可得

θ(t0)=C0+C1t0+C2t02+C3t03

θ(tf)=C0+C1tf+C2tf2+C3tf3

(3)

(4)

如果采摘機器人通過的是連續(xù)的位置點，則需要利用逆運動學原理把中間點轉化為期望的關節(jié)角度，然后對每個關節(jié)求出三次多項式，再根據(jù)新的路徑約束條件，求解三次多項式。一般描述該三次多項式的4個方程為

θ(0)=C0

θ(tf)=C0+C1tf+C2tf2+C3tf3

(5)

求解方程的系數(shù)可得

(6)

利用公式(6)，可得符號初始和終止位置及速度的任何三次多項式。除了利用三次多項式對軌跡進行規(guī)劃外，還需考慮機械手臂關節(jié)之間的碰撞作用。

碰撞檢測是采摘機械臂仿真系統(tǒng)的重要組成部分，是采摘機械臂動作路徑規(guī)劃和規(guī)避障礙物的基礎，如圖3所示。Java3D提供了碰撞仿真的兩個類，其中包括WakeonCollisionEntry和WakeonCollisionExit。當虛擬場景中的任何兩個被檢測對象發(fā)生碰撞時，WakeonCollisionEntry被喚醒；當場景中的碰撞解除時，WakeonCollisionExit被喚醒?；赩RML的碰撞檢測系統(tǒng)如圖4所示。

圖3 采摘機械臂碰撞檢測仿真Fig.3 Simulation of the collision detection of picking robot arm

圖4 統(tǒng)碰撞檢測的基本結構Fig.4 The basic structure of system collision detection

客戶在使用過程中，可以根據(jù)采摘機械臂的實際設計需求，創(chuàng)建虛擬場景，并將其傳送到服務器端。VRML場景中的模型位置和方向被轉換成便于碰撞檢測的文件，利用SweepandPrune算法剔除掉相隔很遠的物體，利用相交原理做精確的碰撞檢測。當發(fā)生碰撞時，將檢測信息返回到客戶端，客戶端人工或者通過程序算法做出相應的操作，然后更新模型的位置和方向信息。

3 采摘機器人機械手運動仿真

前述內容已經驗證了Java在機械手運動過程中使用的可行性，并且建立了三次多項式軌跡規(guī)劃模型。依據(jù)以上理論，采用Java軟件，結合VRML技術，采用面向對象的編程技術來實現(xiàn)采摘機器人機械手的建模。

圖5為本次仿真依據(jù)的黃瓜采摘機器人實際的模型?？赏ㄟ^仿真機器人運動過程的力學性能和運動軌跡，達到優(yōu)化設計的目的。利用Java3D和VRML建立的采摘機器人仿真模型如圖6所示。

圖5 黃瓜采摘機器人實際模型Fig.5 The practical model of cucumber picking robot

圖6 黃瓜采摘機器人仿真模型Fig.6 The simulation model of cucumber picking robot

對黃瓜采摘機器人機械手臂的仿真主要是對其直線末端運動軌跡的追蹤，以此來判斷其結構性能的優(yōu)劣；而利用Java3D完善的API可以對場景進行交互式的仿真，利用鼠標、鍵盤和圖形界面實現(xiàn)人機交互功能。

利用Java3D可以進行圖形和客戶端的交互功能(即可以預設目標)，然后通過軌跡規(guī)劃來實現(xiàn)運動軌跡的追蹤，仿真得到的軌跡如圖7所示，在運動過程中的力矩實時曲線如圖8所示。

由圖8可以看出：利用Java3D和VRML技術可以成功地對采摘機器人機械臂的運動性能參數(shù)進行捕捉，且仿真結果和實驗結果吻合程度較高，從而驗證了仿真的可靠性。

圖7 目標位置追蹤軌跡仿真Fig.7 Simulation of target position tracking

圖8 力矩仿真和實驗結果對比Fig.8 Comparison of torque simulation and experimental results表1 期望位置和實際位置結果對比Table 1 Comparison of desired position and actual position

序號期望位置/mmxyz實際位置/mmxyz180.52452.11622.3280.33452.38622.25281.13456.13621.3481.11456.22621.33382.25459.19619.2582.38459.33619.28483.38462.22617.3383.45462.78617.27584.24465.25615.1284.28465.56615.18

表1為利用Java3D和VRML搭建的仿真實驗系統(tǒng)對采摘機械臂進行仿真得到的位置結果。通過對機械末端期望結果和實際到達結果的對比發(fā)現(xiàn)，最大位置偏差不超過1mm。這說明，運動模型和算法是具有可靠性的。

4 結論

基于Java3D和VRML虛擬現(xiàn)實技術，提出了一種新的采摘機器人虛擬仿真交互式系統(tǒng)，并基于網絡特征，采用接口導入造型文件的方法，實現(xiàn)了采摘機器人機械臂仿真三維虛擬場景創(chuàng)建。對仿真系統(tǒng)進行了實驗，結果表明：利用Java3D完善的API可對場景進行交互式的仿真，利用鼠標、鍵盤和圖形界面可實現(xiàn)人機交互功能。利用Java3D和VRML技術可成功地對采摘機器人機械臂的運動性能參數(shù)進行捕捉，并繪制出機械臂的末端力矩實時曲線。通過對執(zhí)行末端軌跡的仿真發(fā)現(xiàn)，其預設目標位置和實際位置誤差低于1mm，從而驗證了該仿真系統(tǒng)的可靠性。

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Motion Simulation of Picking Manipulator Based on Java 3D and VRML Technology

Wang Ying, Luo Yuancheng

(Chongqing Vocational Institute of Engineering, Chongqing 402260,China)

In order to realize the picking and the interaction of the robot arm motion virtual simulation process, it proposed a mechanical arm interactive 3D scene generation and motion simulation system based on Java3D and VRML virtual reality technology. In order to validate the system feasibility,taking picking robot manipulator as the research object, based on the picking robot manipulator motion simulation system, based on the characteristics of the network, through the interface to import mechanical arm joint shape file, it realized the picking robot manipulator simulation 3D virtual scene creating. Experiments were conducted on the system simulation.And the results of the experiment show that the development of harvesting robot manipulator 3D motion simulation system can the picking path planning reasonable, experiment and consistent trajectory can real-time display torque change of key and provide reference data for joint structure optimization. It is found that the maximum position deviation is not more than 1mm, and the reliability of the motion model and algorithm is verified by comparing the simulation target position and the preset position.

picking robot; robot arm; virtual reality; VRML technology; 3D Java

2016-08-12

重慶市教育委員會重點項目(1202086)

汪 應(1982-)，男，重慶人，高級實驗師，碩士，(E-mail)wangyinghp163@126.com。

S225；TP274.2

A

1003-188X(2017)12-0210-05