基于虛擬現(xiàn)實(shí)下并聯(lián)機(jī)器人仿真系統(tǒng)開發(fā)的研究

楊雁冰

摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)是建立交互，構(gòu)建一個(gè)虛擬環(huán)境，以此為前提，設(shè)計(jì)并聯(lián)機(jī)器人的仿真系統(tǒng)，是根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，完成仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，可把并聯(lián)機(jī)器人放到一個(gè)三維空間內(nèi)，機(jī)器人在這個(gè)空間內(nèi)根據(jù)指令做出相應(yīng)的動(dòng)作。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí) 并聯(lián)機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 仿真系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）03（c）-0018-02

虛擬現(xiàn)實(shí)是VR技術(shù)，以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，把視覺、聽覺、觸覺放到一個(gè)虛擬環(huán)境中，人們佩戴設(shè)備后，即可交互。系統(tǒng)開發(fā)中，是結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)與并聯(lián)機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)，綜合后完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并給出實(shí)際應(yīng)用的實(shí)例，以為并聯(lián)機(jī)器人的進(jìn)一步開發(fā)提供輔助。

1 并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真有多個(gè)內(nèi)容，包括其正向、逆向的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、活動(dòng)空間等，而進(jìn)行仿真分析的目的是，用不同功能滿足計(jì)算機(jī)需求，分析運(yùn)動(dòng)空間，判斷其是否滿足需求。其運(yùn)動(dòng)學(xué)的運(yùn)算是并聯(lián)機(jī)器人的正、反解的運(yùn)算，它們是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)等研究進(jìn)行的前提，而為便于仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文分析的正解運(yùn)算。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)空間求解，是系統(tǒng)建設(shè)的重要任務(wù)，機(jī)器人實(shí)際展示或虛擬展示中，會(huì)受很多因素影響，即實(shí)際進(jìn)行中，受連桿工作行程的控制，6個(gè)連桿之間互相影響，對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)造成限制，故仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是指導(dǎo)機(jī)器人操作，針對(duì)不同的情況，選擇相應(yīng)處理方案。也就是，仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，并聯(lián)機(jī)器人所有活動(dòng)的區(qū)域都在三維空間內(nèi)，可從中直觀的看到結(jié)果。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)下并聯(lián)機(jī)器人的仿真系統(tǒng)

該系統(tǒng)是讓并聯(lián)機(jī)器人在三維立體環(huán)境內(nèi)，像人一樣做出動(dòng)作，包括走步、轉(zhuǎn)彎、跑步等，所有動(dòng)作的展示都可從多個(gè)角度觀看，增加效果的逼真性。系統(tǒng)中，機(jī)器人站在“地板”上，“地板”是一個(gè)立體的平面，在上面粘貼了一張貼圖，結(jié)構(gòu)簡單，大小適中，它的加入，是把機(jī)器人與背景區(qū)分開，增加模擬的真實(shí)感。用這個(gè)系統(tǒng)制作機(jī)器人，可分散機(jī)器人各部分的零件，待使用時(shí)，再把所有零件放在一起，通過其他操作，制作出并聯(lián)機(jī)器人。系統(tǒng)具體的設(shè)計(jì)方案如下。

2.1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)使用的是C++程序，而該程序的核心是，進(jìn)行消息循環(huán)，設(shè)定的程序開始運(yùn)行后，操作者根據(jù)實(shí)際需求，向并聯(lián)機(jī)器人發(fā)出控制命令，讓命令進(jìn)入循環(huán)，包括退出、運(yùn)動(dòng)與場(chǎng)景，如果是控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的指令，命令進(jìn)入運(yùn)動(dòng)事件，控制并聯(lián)機(jī)器人做出相應(yīng)的動(dòng)作，最后把機(jī)器人放到三維空間內(nèi)。

2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)定運(yùn)動(dòng)軌跡

并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方式是用其余程序計(jì)算，然后把計(jì)算結(jié)果輸入到系統(tǒng)內(nèi)，在線控制，在系統(tǒng)內(nèi)部根據(jù)計(jì)算精度，精確設(shè)計(jì)并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，在杠桿的作用下，完成動(dòng)作的初始路線設(shè)計(jì)，隨后，根據(jù)軌跡的變化，確定每個(gè)點(diǎn)的桿長，以及對(duì)應(yīng)的動(dòng)作速度，把所有數(shù)字整合后，放到信息表中，虛擬環(huán)境中如果機(jī)器人需做出仿真運(yùn)動(dòng)，即可查閱表格，得到對(duì)應(yīng)的數(shù)值與基本信息。另通過軌跡的整體規(guī)劃，把所有運(yùn)動(dòng)軌跡分成了6個(gè)分支[1]。

2.2.2 控制指令

控制指令是消息控制，在主程序內(nèi)加入消息控制環(huán)節(jié)，在每個(gè)對(duì)象之間建立通信，且程序內(nèi)必然有控制程度的代碼。控制指令的流程圖是：程序開始后，把控制指令從中拿出，根據(jù)指令內(nèi)容決定下一步操作；包括退出信息、處理指令、翻譯指令，其中退出信息是直接結(jié)束處理，把未使用的資源釋放，處理指令是進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)，放到三維空間內(nèi)，嘗試運(yùn)行；待消息處理后，向外分派消息，隨后執(zhí)行相關(guān)操作。

2.2.3 主控

對(duì)系統(tǒng)的主控，是運(yùn)用面向?qū)ο蠛筒寮焦芾恚孟到y(tǒng)代碼構(gòu)建框架，而代碼運(yùn)行后，建立的是虛擬環(huán)境，同時(shí)，在系統(tǒng)內(nèi)加入數(shù)控操作，基于并聯(lián)機(jī)器人的杠桿操作與運(yùn)行軌跡，接入多個(gè)代碼，這些代碼即為并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的實(shí)體。具體包括：（1）主控代碼的計(jì)算，是把所有結(jié)果顯示，完成數(shù)據(jù)計(jì)算，隨后實(shí)體代碼與主動(dòng)代碼連接后，控制主控代碼的操作；（2）CD3DMesh，它的作用是定義并聯(lián)機(jī)器人，記住并聯(lián)機(jī)器人的特征，把所有特征放到集合，如果需要添加新的內(nèi)容，可使用導(dǎo)出文件，并把新的信息輸入到確定的對(duì)象內(nèi)，豐富對(duì)象的意義，如此，是把并聯(lián)機(jī)器人的所有信息都輸入到仿真系統(tǒng)內(nèi)，記錄各部分的數(shù)據(jù)與特征；（3）（class Main Window，所有主控代碼動(dòng)作都在這里面完成，連接多個(gè)接口，這些接口均屬于HRESULT的類別。首先，對(duì)于One Time Scenelint（），發(fā)出預(yù)編譯的命令，雖然目的是與 64位機(jī)兼容，但真正調(diào)整的其他接口；其次，Init Device Objects（），其負(fù)責(zé)的安裝驅(qū)動(dòng)，在系統(tǒng)內(nèi)讀取文件，裝載網(wǎng)格，把并聯(lián)機(jī)器人放到緩沖區(qū)內(nèi)，讓其按照設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡，做出動(dòng)作，期間會(huì)產(chǎn)生3個(gè)數(shù)據(jù)流，包括初始、發(fā)生、恢復(fù)，另這部分也會(huì)讀取其他文件，有特定的讀取方式；再次，Rrstore Device Objects（），對(duì)所有燈光、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)；接著，F(xiàn)rame Move（），分析共享變量，把變量反應(yīng)到物體上，且這項(xiàng)操作結(jié)束后，流程隨即睡眠；最后，Render（），它負(fù)責(zé)的是處理場(chǎng)景，根據(jù)并聯(lián)機(jī)器人實(shí)際工作的空間，設(shè)計(jì)杠桿的位置，其中需提及的是，用三維圖形現(xiàn)實(shí)繪制，選擇網(wǎng)格點(diǎn)，放在緩沖區(qū)內(nèi)，并根據(jù)需求實(shí)際切換。

3 仿真系統(tǒng)的運(yùn)用與思考

3.1 運(yùn)用

該系統(tǒng)已經(jīng)完成了6-DOF并聯(lián)機(jī)器人的仿真，包括從模型分析到整體控制，從中得到大量數(shù)據(jù)，并基于得到的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)分析[2]。對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如下。

（1）起始位置的數(shù)據(jù)：xp、yp、zp為0.000cm，α、β、γ是0.000rad。

（2）目標(biāo)位置數(shù)據(jù)是：xp是36.000cm，zp為60.000cm，yp與α、β、γ的數(shù)值不變。

（3）機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)（加速度）：線是2.0000cm/s2，角是2.0000rad/s2，時(shí)長10.0000s。

（4）PID控制：Kp是4.000，Ti是 1.000，Dd是0.000。

根據(jù)這四類數(shù)據(jù)，分別繪制了6個(gè)分支分別對(duì)應(yīng)的曲線，從曲線中得到結(jié)果是，最大速度下，誤差為8.016%，最大的誤差接近2.67cm/s，而從仿真模擬得到的結(jié)果是，設(shè)定的分支長度符合極限的要求，之間未有干涉，所有運(yùn)動(dòng)都在這個(gè)空間內(nèi)。

3.2 思考

從上述內(nèi)容的闡述中，總結(jié)出基于虛擬顯示模擬并聯(lián)機(jī)器人的仿真，是按照并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)行的環(huán)境、整體運(yùn)行環(huán)境等參數(shù)，用系統(tǒng)制作出三維立體空間，并在這個(gè)空間制作出并聯(lián)機(jī)器人，下發(fā)指令，讓其按照現(xiàn)場(chǎng)基本情況操作，檢驗(yàn)機(jī)器人內(nèi)多個(gè)杠桿的操作是否會(huì)相互干擾。由此，提出這一方式是增強(qiáng)了并聯(lián)機(jī)器人模擬操作的直觀性，通過直觀地觀察，得到基本判斷，即借助三維模擬，把并連機(jī)器實(shí)際操作的場(chǎng)景模擬，輸入不同的指令與指數(shù)，記錄數(shù)據(jù)，嘗試畫出分支曲線，曲線繪制后，結(jié)合分析結(jié)果，給出最優(yōu)的并聯(lián)機(jī)器人操作方式，設(shè)定既定的參數(shù)與模式，避免不同杠桿之間的相互干擾，優(yōu)化機(jī)器人使用的效果。但該系統(tǒng)還有部分細(xì)節(jié)需進(jìn)一步處理，包括數(shù)據(jù)分析的優(yōu)化、主控設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的優(yōu)化等，只有如此，才可以提高仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的水平，給出科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)語

用虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)并聯(lián)機(jī)器人的仿真系統(tǒng)，是借由虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)的特點(diǎn)，以及并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總思路，以及細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)，從這些設(shè)計(jì)中，可以優(yōu)化對(duì)并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分析，給出避免零件相互干擾的方案，保證其整體運(yùn)行都在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)。但該系統(tǒng)還有很多細(xì)節(jié)需進(jìn)一步處理，補(bǔ)充系統(tǒng)的漏洞。

參考文獻(xiàn)

[1] 方向明，方明，劉天元，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)器人仿真設(shè)計(jì)研究[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016，39（1）：61-65.

[2] 李剛俊，陳永.面向機(jī)器人應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（1）：115-118.