基于V-REP平臺(tái)的關(guān)節(jié)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與仿真

胡俊前 楊群

摘要：通過(guò)使用V-REP平臺(tái)的仿真來(lái)設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠滿足預(yù)期要求的五關(guān)節(jié)機(jī)器人。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)方案以及各部位大小的選擇，確立了五關(guān)節(jié)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方向。在設(shè)計(jì)中使用了pro/e對(duì)設(shè)計(jì)好的五關(guān)節(jié)機(jī)器人進(jìn)行3D建模，并用V-REP軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，以校核該機(jī)器人是否能夠達(dá)到預(yù)期的要求，之后根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)所設(shè)計(jì)出來(lái)的五關(guān)節(jié)機(jī)器人進(jìn)行優(yōu)化及改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：節(jié)機(jī)器人;建模;仿真;V-REP平臺(tái)

0前言

關(guān)節(jié)機(jī)器人作為機(jī)器人分類中最為廣泛的一種，基于它的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，容易制造，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，便于維修，是當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域中最常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)器人的形態(tài)之一，適合用于許多工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)械自動(dòng)化作業(yè)。所以關(guān)節(jié)機(jī)器人的更新?lián)Q代是非?？斓?。本文主要研究一種自由度高的五關(guān)節(jié)機(jī)器人，通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及具體尺寸設(shè)計(jì)出一個(gè)五關(guān)節(jié)機(jī)器人，然后進(jìn)行三維建模，最后利用V-REP平臺(tái)來(lái)進(jìn)行仿真模擬，對(duì)結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)以及優(yōu)化，最后得到一個(gè)五關(guān)節(jié)機(jī)器人。

1 關(guān)節(jié)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

五關(guān)節(jié)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，由底座，肩部，肘部，以及手腕部分組成，本設(shè)計(jì)要求是讓五關(guān)節(jié)機(jī)器人能夠在500mm*500mm*500mm的范圍內(nèi)隨意運(yùn)行，所以需要機(jī)器人能夠到達(dá)圖示的三個(gè)極限位置。分別為：頂部任一頂點(diǎn)，底部任一頂點(diǎn)以及底座附近任意一點(diǎn)。若能夠達(dá)到要求，則機(jī)器人能夠在范圍內(nèi)隨意運(yùn)行。

2 三維建模

三維建模是根據(jù)關(guān)節(jié)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理確定各部件的實(shí)體模型，以及各部件之間的連接方式和選擇軸線的位置。在這些部位模型建立好之后一一保存，之后使用proe的組件設(shè)計(jì)功能根據(jù)設(shè)計(jì)方案組裝起來(lái)，最終得到的模型如圖3所示。

虛線表示各個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，各關(guān)節(jié)繞其旋轉(zhuǎn)。

最終組裝完成的五關(guān)節(jié)機(jī)器人模型，由底座，機(jī)構(gòu)外殼以及大臂小臂組成，各部位之間使用孔軸連接，確保各關(guān)節(jié)能夠在其內(nèi)的伺服電機(jī)的作用下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)五關(guān)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，為之后進(jìn)行V-REP仿真打下基礎(chǔ)。

3 運(yùn)動(dòng)仿真

1）模型的導(dǎo)入及前置處理

在進(jìn)行仿真之前，需要將建立好的模型導(dǎo)入v-rep軟件中，然后將這個(gè)模型的各部位分成獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，刪除一些對(duì)仿真沒(méi)有用處的零件，對(duì)剩下的零件進(jìn)行重命名方便識(shí)別與選擇。之后提取關(guān)鍵特征，添加運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)。由于stl文件導(dǎo)入進(jìn)去的都是一堆三角面片的組合，所以我們需要從這些三角形中提取出圓柱體，然后利用圓柱體去定位關(guān)節(jié)位置。在定位完成之后，就可以建立旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)并將關(guān)節(jié)與圓柱體進(jìn)去重合了。用這方法分別建立五個(gè)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)的命名分別為UR10_joint1，UR10_joint2，UR10_joint3，UR10_joint4，UR10_joint5。

建立完旋轉(zhuǎn)軸之后需要提取實(shí)體特征?？紤]到機(jī)械臂的特性，我們將其提取為凸面體。在這些都完成之后，開(kāi)始為機(jī)器人設(shè)置動(dòng)力學(xué)屬性，設(shè)置完之后就可以控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)了。

導(dǎo)入之后的模型為一個(gè)整體，所以需將其分成一個(gè)個(gè)零件，使用Edit中Grouping/Merging里的Divide selected shapes功能將其分成6個(gè)部位。在分割完成之后對(duì)每個(gè)部位進(jìn)行重新命名，方便后期使用及操作。完成重命名之后，對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行提取特征并建立旋轉(zhuǎn)軸，在這之前，為了防止發(fā)生錯(cuò)位導(dǎo)致模型損壞，新建一個(gè)scene，將需要提取特征的零件復(fù)制進(jìn)去，完成之后再將特征以及旋轉(zhuǎn)軸復(fù)制回原文件。

之后點(diǎn)擊平移按鈕，點(diǎn)擊Apply to selection將關(guān)節(jié)移動(dòng)到圓柱體處，得到一個(gè)關(guān)節(jié)，完成之后按照上述操作流程提取其他關(guān)節(jié)。

關(guān)節(jié)提取好之后需提取實(shí)體特征，提取凸面體結(jié)構(gòu)，將所有結(jié)構(gòu)拷貝到新的scene中，選擇其中一個(gè)結(jié)構(gòu)點(diǎn)擊Edit中的Morph selection into convex shapes，得到第一個(gè)實(shí)體，之后按照這種方法對(duì)其他組件執(zhí)行同樣的操作。完成之后將其復(fù)制回原scene，并對(duì)其設(shè)置動(dòng)力學(xué)屬性。

1）結(jié)果分析

根據(jù)仿真時(shí)五關(guān)節(jié)機(jī)器人的表現(xiàn)以及狀態(tài)來(lái)看，機(jī)器人在設(shè)定范圍頂部，底部都可以很好的運(yùn)行。但是在機(jī)器人底座附近并不能運(yùn)行。從運(yùn)動(dòng)過(guò)程來(lái)看，這是由于設(shè)計(jì)時(shí)未考慮大臂尺寸與小臂尺寸之間可能會(huì)發(fā)生的沖突，所以設(shè)計(jì)的大臂過(guò)短，小臂過(guò)長(zhǎng)。在夾取底座附件的物品時(shí)，夾爪會(huì)因?yàn)樾”圻^(guò)長(zhǎng)而很難到達(dá)指定位置，強(qiáng)行往其靠近就會(huì)觸碰到地面發(fā)生碰撞。大臂與小臂之間也可能會(huì)發(fā)生沖突，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人碰撞或者產(chǎn)生限位現(xiàn)象，所以想要改進(jìn)就需要對(duì)大臂以及小臂的長(zhǎng)度進(jìn)行重新設(shè)定。

2）改進(jìn)

根據(jù)仿真結(jié)果得出改進(jìn)方式應(yīng)將大臂長(zhǎng)度增大，小臂長(zhǎng)度減小，且不能使小臂長(zhǎng)度以及夾爪安裝座的長(zhǎng)度之和小于大臂長(zhǎng)度導(dǎo)致無(wú)法觸碰到底座附近。從而讓機(jī)器人更加方便的到達(dá)底座附近的位置并且不發(fā)生碰撞或者產(chǎn)生限位現(xiàn)象。所以將大臂的長(zhǎng)度改為300mm，小臂長(zhǎng)度改為300mm。在改進(jìn)完之后重新進(jìn)行建模與仿真，觀察是否得到改善。

如圖2，在進(jìn)行改進(jìn)后，五關(guān)節(jié)機(jī)器人就可以更方便的到達(dá)底座附近，且不會(huì)發(fā)生碰撞。所以將大臂縮短，小臂增長(zhǎng)的改進(jìn)方法是正確的選擇。

5 結(jié)論

本文首先介紹了機(jī)器人以及仿真平臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀和基本概念，然后在機(jī)器人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究機(jī)器人的仿真的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人設(shè)計(jì)完成之后的校驗(yàn)，給機(jī)器人研究者帶來(lái)極大的便利。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，V-REP平臺(tái)的使用能夠解決很多問(wèn)題，比如如何使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生碰撞，不產(chǎn)生限位，到達(dá)指定位置。這些問(wèn)題通過(guò)仿真都可以實(shí)現(xiàn)，所以一個(gè)好的仿真軟件對(duì)于機(jī)器人的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是非常重要的。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院2019年自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目“基于V-REP平臺(tái)機(jī)器人仿真的建模與設(shè)計(jì)的研究”（Wzyzrzd201902）;蕪湖市科技計(jì)劃項(xiàng)目“遠(yuǎn)程抄表（水表）設(shè)備研究”（2017cg09）