基于Matlab GUI的拆除机器人可视化仿真平台设计

叶　晔,苏兴亚,岑豫皖

(1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥　230009;2.安徽工业大学 机械工程学院,安徽 马鞍山　243032)



基于Matlab GUI的拆除机器人可视化仿真平台设计

叶晔1,2,苏兴亚2,岑豫皖2

(1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥230009;2.安徽工业大学 机械工程学院,安徽 马鞍山243032)

摘要:文章以90GTHP固定式拆除机器人工作装置为研究对象,将Matlab Robotics Toolbox的数据处理、SimMechanics的控制仿真、GUI(graphical user interface)的图形界面等功能结合应用到该装置的运动学仿真中;在Matlab环境下建立高效运行且具有强大输入、输出功能的可视化仿真平台,实现拆除机器人工作装置的可视化联动仿真。仿真结果表明了仿真平台的有效性和可行性。

关键词:拆除机器人;可视化;Robotics Toolbox软件;SimMechanics软件;GUI软件

0引言

工作装置的运动性能是衡量一台拆除机器人破拆效率的一个重要标志。拆除机器人工作装置主要由回转平台、大臂、二臂以及破碎锤4个部分组成,此外还包括油缸、摇杆和连杆等机构,该结构与具有动臂、斗杆和铲斗的液压挖掘机十分相似。目前国内外对于液压挖掘机的运动仿真已经做了大量的详细研究,因此,可以参考液压挖掘机运动仿真的方法对拆除机器人进行运动仿真。当前对于拆除机器人和液压挖掘机运动仿真研究的主要方法有:

(1)采用SolidWorks、Pro/E、ADAMS等专业CAD(computer-aided design)软件。ADAMS软件被广泛应用于机器人的运动仿真分析[1],但它的三维建模功能远不及SolidWorks等专业三维造型软件，因此实际采用将三维CAD软件建立的实体模型导入ADAMS进行仿真的方法[2],但这种方法建模复杂,后续的分析和仿真较困难。

(2)借助VB、VC++、LabVIEW等编程软件开发出人机交互的专业仿真软件。如利用VB搭建出的液压挖掘机可视化人机交互界面[3],根据用户给定的原始数据绘制出挖掘机的作业包络图和二维动态仿真图,并计算出挖掘机最大挖掘高度、最大卸载高度等特殊工作尺寸。但开发此类软件适用于定制系统,同时需要良好的软件编程基础。

(3)借助Matlab等专业数学计算软件。Matlab的各种工具箱为拆除机器人的运动仿真分析提供了便利，因此,当前很多拆除机器人和液压挖掘机的运动仿真都基于Matlab平台。一些研究者单独利用Robotics Toolbox实现了拆除机器人的运动学正解、逆解分析[4]，一些研究者单独利用SimMechanics实现了拆除机器人工作空间的绘制[5],然而这些研究都未能构建高效逼真的运动仿真系统；另外一些研究者致力于利用Matlab 3D Animation和VRML虚拟现实技术构建出液压挖掘机的虚拟现实[6],此方法虽然实现了逼真的仿真环境,但无法实现数据的交互分析,从而无法实现真正的联动仿真。

本文将Matlab Robotics Toolbox的数据处理、SimMechanics的控制仿真、GUI(graphical user interfac)的图形界面等功能结合应用到90GTHP拆除机器人的运动仿真中,在Matlab环境下建立高效运行且具有强大输入、输出功能的可视化仿真平台,以实现拆除机器人工作装置的可视化联动仿真。

1拆除机器人工作装置虚拟样机

利用SolidWorks建立拆除机器人工作装置各部件的三维模型,并在模型建立的过程中对整个系统进行检查和修改，消除可能存在的干涉。在所有零部件建立完成后再进行整体装配,最终得到拆除机器人工作装置三维模型,如图1所示。

图1　拆除机器人工作装置虚拟样机

2运动学分析

2.1基于Robotics Toolbox的运动学仿真

运用D-H法确定拆除机器人的杆件坐标系,并得到D-H结构参数[7]。由于拆除机器人的运动学分析通常是在大臂、二臂和破碎锤所构成的XOY平面内进行,因此在进行运动学分析时忽略其底座的回转运动。本文采用几何法求解运动学的逆问题,利用图解及拆除机器人结构的几何关系求得各转角的值[8];同时给出了不考虑基座回转时拆除机器人工作装置的运动学逆问题的解析法求解过程[9],与几何法形成对比,验证2种逆解法的正确性。

利用Robotics Toolbox提供的功能函数和拆除机器人工作装置的D-H结构参数,建立拆除机器人的杆件模型,如图2所示。

图2　拆除机器人工作装置杆件模型

2.2拆除机器人作业包络空间绘制

拆除机器人在任一正常位置时,液压破碎锤钎杆尖所能达到的极限范围称为作业区域包络图,它能直观地表达破碎锤工作装置的作业范围。各油缸的动作顺序为：① 大臂油缸最短，二臂油缸最长，破碎锤油缸由最长运动到最短；② 大臂油缸最短，二臂油缸由最长运动到最短，破碎锤油缸最短；③ 大臂油缸由最短运动到最长，二臂油缸最短，破碎锤油缸最短；④ 大臂油缸最长，二臂油缸最短，破碎锤油缸由最短运动到最长；⑤ 大臂油缸最长，二臂油缸由最短运动到最长，破碎锤油缸最长；⑥ 大臂油缸由最长运动到最短，二臂油缸最长，破碎锤油缸最长。

根据各油缸的动作顺序即可得出工作装置达到最大动作的范围。

Robotics Toolbox和SolidWorks Motion生成的作业包络空间如图3所示。

图3　2种软件生成的作业包络空间

利用Robotics Toolbox提供的关节空间规划函数jtraj,并结合拆除机器人各油缸动作顺序,可以得到轨迹规划后的各关节角向量,并根据得到的关节角向量采用fkine函数获得相应的齐次变换矩阵T。由于T为三维矩阵,需采用squeeze函数对其进行降维处理,再采用plot函数便可以绘制出包络空间,如图3a所示。

为了验证基于Robotics Toolbox的包络空间的正确性,利用SolidWorks软件中的Motion插件为各油缸定义好相应的线性马达并设置好函数后,仿真获得包络空间所得的工作包络空间为拆除机器人工作装置运动过程中盲位、盲角问题的判断提供了依据[10]。

3工作装置SimMechanics模型建立

Simulink环境可以快速构建各种控制系统模型,为拆除机器人控制问题的研究提供了一种直观有效的建模分析手段。本文联合SolidWorks与SimMechanics Link接口软件搭建拆除机器人的Simulink/SimMechanics模型,为拆除机器人联动仿真技术的进一步研究作好铺垫。

为了使拆除机器人SimMechanics框图模型条理化,采用子系统封装技术对其进行封装[11]。同时,为获得破碎锤末端的位移和各臂的角度、角速度、角加速度,分别添加相应的运动副驱动模块(Joint Actuator)和关节传感器模块(Joint Sensor)[12]。驱动力通过FromWorkspace模块从工作空间获得[13]。最终得到的SimMechanics框图模型如图4所示。

联合拆除机器人工作装置的SimMechanics框图模型、SolidWorks软件建立的三维模型以及基于Matlab的M语言和Robotics Toolbox编写的程序可以实现联动仿真。为得到较直观的联动仿真和可视化的数据界面,还需采用Matlab GUI构建出可视化的拆除机器人工作装置联动仿真平台。

图4　拆除机器人工作装置SimMechanics框图模型

4可视化联动仿真平台实现

4.1仿真平台设计与运行

Matlab GUI图形用户界面既能将已有的仿真程序嵌入进去,又能以人机交互的动态形式呈现出仿真的图形化结果,方便用户在不知道具体代码内容只了解操作步骤的情况下快速地操作界面,极大地提高了程序的易用性和交互性[14]。

本文设计的拆除机器人工作装置联动仿真平台的主程序界面由4个按钮(push button)、1个图形窗口(axes)、1个滑动条(slide)、12个可编辑文本框(edit text)、4个面板(panel)、4个单选按钮(radio button)、若干个文本标签(static text)和1个菜单项组成。

该仿真平台的具体功能包括:

(1)绘制出拆除机器人工作装置的工作包络空间,由绘制当前工作空间按钮控制。

(2)预设目标位置和目标姿态角。在图形窗口中拾取一点并自动返回当前拾取点的坐标作为目标位置，或在可编辑文本框中手动输入。

(3)有2种运动学逆解方法和仿真运行模式可供选择,通过相应的单选按钮选取其中一种。

(4)运动学正逆解求解。点击“求解”按钮就会根据设定的目标位姿和逆解方法自动求得“各关节当前值”和“各油缸当前长度”,并返回在可编辑文本框中。

(5)动画仿真和数据更新。根据设定的仿真运行模式,点击“运行”按钮即可驱动拆除机器人运动到期望位姿,并且绘制运动轨迹,同时更新机器人的当前位姿。

(6)报错功能。在出现盲位、盲角和相同位姿时给出消息框报错提示。

结合上述功能分析,仿真平台运行的截图如图5～图7所示。

图5　以三维模型模式运行的动画

图6　点击运行按钮后的仿真平台

图7　大臂、二臂和破碎锤角度变化曲线

4.2结果分析

仿真平台进行的3组仿真实验结果见表1所列,(x，y，z，φ)和(x0，y0，z0，φ0)分别为目标位姿与当前位姿的X、Y、Z轴坐标和姿态角。对比目标位姿和当前位姿可以看出，两者误差很小,表明该平台下的运动学仿真是合理的。

表1　目标位姿和当前位姿3组仿真实验结果

5结束语

本文以惊天液压公司90GTHP拆除机器人为研究对象,对其工作装置的运动学和可视化仿真平台的设计进行了较为细致和深入的研究。

(1)利用SolidWorks建立其三维虚拟样机模型,联合SimMechanics仿真模块和Matlab GUI的图形界面,建立了拆除机器人工作装置的可视化联动仿真平台。

(2)借助Matlab等软件,使拆除机器人工作装置运动学正解和逆解的计算分析以及虚拟样机的联动仿真过程在Matlab环境下一次性完成,提高了仿真分析效率。

(3)由最后的实验结果可知,所提供的程序和算法精度较高,程序的可行性较好。

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(责任编辑胡亚敏)

Design of a visual simulation platform for a demolition robot based on Matlab GUI

YE Ye1,2,SU Xing-ya2,CEN Yu-wan2

(1.School of Machinery and Automobile Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.School of Mechanical Engineering,Anhui University of Technology,Ma’anshan 243032,China)

Abstract:Taking the working device of a 90GTHP demolition robot as the research object,the functions of the data processing of Matlab Robotics Toolbox,control simulation of SimMechanics and graphical interface of GUI are applied to the kinematic simulation of the device. The efficient visual simulation platform built in the Matlab environment has a powerful function of the input and output,and it can realize the visual co-simulation of the device. The simulation results show the validity and feasibility of the simulation platform.

Key words:demolition robot;visualization;Robotics Toolbox software;SimMechanics software;GUI software

收稿日期：2015-08-14；修回日期：2015-11-30

基金项目：安徽省优秀青年人才基金重点资助项目(2013SQRL023ZD);安徽工业大学青年教师科研基金资助项目(QZ201311)

作者简介：叶晔(1982-),女,安徽石台人,合肥工业大学博士生,安徽工业大学讲师; 岑豫皖(1951-),男,河南杞县人,安徽工业大学教授,博士生导师.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.06.005

中图分类号:TP242.2

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)06-0741-05