基于V-REP平臺的關(guān)節(jié)機器人的設計與仿真

胡俊前 楊群

摘要：通過使用V-REP平臺的仿真來設計出一個能夠滿足預期要求的五關(guān)節(jié)機器人。通過對結(jié)構(gòu)方案以及各部位大小的選擇，確立了五關(guān)節(jié)機器人的設計方向。在設計中使用了pro/e對設計好的五關(guān)節(jié)機器人進行3D建模，并用V-REP軟件對其進行仿真，以校核該機器人是否能夠達到預期的要求，之后根據(jù)仿真結(jié)果對所設計出來的五關(guān)節(jié)機器人進行優(yōu)化及改進。

關(guān)鍵詞：節(jié)機器人;建模;仿真;V-REP平臺

0前言

關(guān)節(jié)機器人作為機器人分類中最為廣泛的一種，基于它的結(jié)構(gòu)較為簡單，容易制造，運行穩(wěn)定可靠，便于維修，是當今工業(yè)領(lǐng)域中最常見的工業(yè)機器人的形態(tài)之一，適合用于許多工業(yè)領(lǐng)域的機械自動化作業(yè)。所以關(guān)節(jié)機器人的更新?lián)Q代是非常快的。本文主要研究一種自由度高的五關(guān)節(jié)機器人，通過設計結(jié)構(gòu)以及具體尺寸設計出一個五關(guān)節(jié)機器人，然后進行三維建模，最后利用V-REP平臺來進行仿真模擬，對結(jié)果進行改進以及優(yōu)化，最后得到一個五關(guān)節(jié)機器人。

1 關(guān)節(jié)機器人的結(jié)構(gòu)設計

五關(guān)節(jié)機器人的總體結(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，本設計要求是讓五關(guān)節(jié)機器人能夠在500mm*500mm*500mm的范圍內(nèi)隨意運行，所以需要機器人能夠到達圖示的三個極限位置。分別為：頂部任一頂點，底部任一頂點以及底座附近任意一點。若能夠達到要求，則機器人能夠在范圍內(nèi)隨意運行。

2 三維建模

三維建模是根據(jù)關(guān)節(jié)機器人的結(jié)構(gòu)原理確定各部件的實體模型，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的組件設計功能根據(jù)設計方案組裝起來，最終得到的模型如圖3所示。

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

最終組裝完成的五關(guān)節(jié)機器人模型，由底座，機構(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)的伺服電機的作用下進行運動，從而帶動五關(guān)節(jié)機器人的運動，為之后進行V-REP仿真打下基礎。

3 運動仿真

1）模型的導入及前置處理

在進行仿真之前，需要將建立好的模型導入v-rep軟件中，然后將這個模型的各部位分成獨立的結(jié)構(gòu)，刪除一些對仿真沒有用處的零件，對剩下的零件進行重命名方便識別與選擇。之后提取關(guān)鍵特征，添加運動關(guān)節(jié)。由于stl文件導入進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)與圓柱體進去重合了。用這方法分別建立五個關(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)軸之后需要提取實體特征。考慮到機械臂的特性，我們將其提取為凸面體。在這些都完成之后，開始為機器人設置動力學屬性，設置完之后就可以控制機器人的運動了。

導入之后的模型為一個整體，所以需將其分成一個個零件，使用Edit中Grouping/Merging里的Divide selected shapes功能將其分成6個部位。在分割完成之后對每個部位進行重新命名，方便后期使用及操作。完成重命名之后，對每個零件進行提取特征并建立旋轉(zhuǎn)軸，在這之前，為了防止發(fā)生錯位導致模型損壞，新建一個scene，將需要提取特征的零件復制進去，完成之后再將特征以及旋轉(zhuǎn)軸復制回原文件。

之后點擊平移按鈕，點擊Apply to selection將關(guān)節(jié)移動到圓柱體處，得到一個關(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，選擇其中一個結(jié)構(gòu)點擊Edit中的Morph selection into convex shapes，得到第一個實體，之后按照這種方法對其他組件執(zhí)行同樣的操作。完成之后將其復制回原scene，并對其設置動力學屬性。

1）結(jié)果分析

根據(jù)仿真時五關(guān)節(jié)機器人的表現(xiàn)以及狀態(tài)來看，機器人在設定范圍頂部，底部都可以很好的運行。但是在機器人底座附近并不能運行。從運動過程來看，這是由于設計時未考慮大臂尺寸與小臂尺寸之間可能會發(fā)生的沖突，所以設計的大臂過短，小臂過長。在夾取底座附件的物品時，夾爪會因為小臂過長而很難到達指定位置，強行往其靠近就會觸碰到地面發(fā)生碰撞。大臂與小臂之間也可能會發(fā)生沖突，可能會導致機器人碰撞或者產(chǎn)生限位現(xiàn)象，所以想要改進就需要對大臂以及小臂的長度進行重新設定。

2）改進

根據(jù)仿真結(jié)果得出改進方式應將大臂長度增大，小臂長度減小，且不能使小臂長度以及夾爪安裝座的長度之和小于大臂長度導致無法觸碰到底座附近。從而讓機器人更加方便的到達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。所以將大臂的長度改為300mm，小臂長度改為300mm。在改進完之后重新進行建模與仿真，觀察是否得到改善。

如圖2，在進行改進后，五關(guān)節(jié)機器人就可以更方便的到達底座附近，且不會發(fā)生碰撞。所以將大臂縮短，小臂增長的改進方法是正確的選擇。

5 結(jié)論

本文首先介紹了機器人以及仿真平臺的發(fā)展現(xiàn)狀和基本概念，然后在機器人研究的基礎上進一步研究機器人的仿真的應用，實現(xiàn)機器人設計完成之后的校驗，給機器人研究者帶來極大的便利。在設計過程中，V-REP平臺的使用能夠解決很多問題，比如如何使機器人在運動過程中不發(fā)生碰撞，不產(chǎn)生限位，到達指定位置。這些問題通過仿真都可以實現(xiàn)，所以一個好的仿真軟件對于機器人的設計來說是非常重要的。

參考文獻

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基金項目：蕪湖職業(yè)技術(shù)學院2019年自然科學重點項目“基于V-REP平臺機器人仿真的建模與設計的研究”（Wzyzrzd201902）;蕪湖市科技計劃項目“遠程抄表（水表）設備研究”（2017cg09）