基于虚拟现实下并联机器人仿真系统开发的研究

杨雁冰

摘 要：虚拟现实是建立交互，构建一个虚拟环境，以此为前提，设计并联机器人的仿真系统，是根据机器人的运动学仿真，完成仿真系统的设计。该系统设计后，可把并联机器人放到一个三维空间内，机器人在这个空间内根据指令做出相应的动作。

关键词：虚拟现实 并联机器人 运动学仿真 仿真系统

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）03（c）-0018-02

虚拟现实是VR技术，以计算机为平台，把视觉、听觉、触觉放到一个虚拟环境中，人们佩戴设备后，即可交互。系统开发中，是结合虚拟现实与并联机器人的优势，综合后完成系统设计，并给出实际应用的实例，以为并联机器人的进一步开发提供辅助。

1 并联机器人的运动学仿真

并联机器人的运动学仿真有多个内容，包括其正向、逆向的运动学计算、活动空间等，而进行仿真分析的目的是，用不同功能满足计算机需求，分析运动空间，判断其是否满足需求。其运动学的运算是并联机器人的正、反解的运算，它们是机器人运动学等研究进行的前提，而为便于仿真系统的设计，本文分析的正解运算。

对于运动空间求解，是系统建设的重要任务，机器人实际展示或虚拟展示中，会受很多因素影响，即实际进行中，受连杆工作行程的控制，6个连杆之间互相影响，对机器人关节的运动造成限制，故仿真系统的设计，是指导机器人操作，针对不同的情况，选择相应处理方案。也就是，仿真系统设计后，并联机器人所有活动的区域都在三维空间内，可从中直观的看到结果。

2 虚拟现实下并联机器人的仿真系统

该系统是让并联机器人在三维立体环境内，像人一样做出动作，包括走步、转弯、跑步等，所有动作的展示都可从多个角度观看，增加效果的逼真性。系统中，机器人站在“地板”上，“地板”是一个立体的平面，在上面粘贴了一张贴图，结构简单，大小适中，它的加入，是把机器人与背景区分开，增加模拟的真实感。用这个系统制作机器人，可分散机器人各部分的零件，待使用时，再把所有零件放在一起，通过其他操作，制作出并联机器人。系统具体的设计方案如下。

2.1 系统总设计

该系统使用的是C++程序，而该程序的核心是，进行消息循环，设定的程序开始运行后，操作者根据实际需求，向并联机器人发出控制命令，让命令进入循环，包括退出、运动与场景，如果是控制机器人运动的指令，命令进入运动事件，控制并联机器人做出相应的动作，最后把机器人放到三维空间内。

2.2 详细设计

2.2.1 设定运动轨迹

并联机器人的设计方式是用其余程序计算，然后把计算结果输入到系统内，在线控制，在系统内部根据计算精度，精确设计并联机器人的运动轨迹，在杠杆的作用下，完成动作的初始路线设计，随后，根据轨迹的变化，确定每个点的杆长，以及对应的动作速度，把所有数字整合后，放到信息表中，虚拟环境中如果机器人需做出仿真运动，即可查阅表格，得到对应的数值与基本信息。另通过轨迹的整体规划，把所有运动轨迹分成了6个分支[1]。

2.2.2 控制指令

控制指令是消息控制，在主程序内加入消息控制环节，在每个对象之间建立通信，且程序内必然有控制程度的代码。控制指令的流程图是：程序开始后，把控制指令从中拿出，根据指令内容决定下一步操作；包括退出信息、处理指令、翻译指令，其中退出信息是直接结束处理，把未使用的资源释放，处理指令是进行初始化设计，放到三维空间内，尝试运行；待消息处理后，向外分派消息，随后执行相关操作。

2.2.3 主控

对系统的主控，是运用面向对象和插件式管理，用系统代码构建框架，而代码运行后，建立的是虚拟环境，同时，在系统内加入数控操作，基于并联机器人的杠杆操作与运行轨迹，接入多个代码，这些代码即为并联机器人运动产生的实体。具体包括：（1）主控代码的计算，是把所有结果显示，完成数据计算，随后实体代码与主动代码连接后，控制主控代码的操作；（2）CD3DMesh，它的作用是定义并联机器人，记住并联机器人的特征，把所有特征放到集合，如果需要添加新的内容，可使用导出文件，并把新的信息输入到确定的对象内，丰富对象的意义，如此，是把并联机器人的所有信息都输入到仿真系统内，记录各部分的数据与特征；（3）（class Main Window，所有主控代码动作都在这里面完成，连接多个接口，这些接口均属于HRESULT的类别。首先，对于One Time Scenelint（），发出预编译的命令，虽然目的是与 64位机兼容，但真正调整的其他接口；其次，Init Device Objects（），其负责的安装驱动，在系统内读取文件，装载网格，把并联机器人放到缓冲区内，让其按照设定的运动轨迹，做出动作，期间会产生3个数据流，包括初始、发生、恢复，另这部分也会读取其他文件，有特定的读取方式；再次，Rrstore Device Objects（），对所有灯光、节点进行初始化设计；接着，Frame Move（），分析共享变量，把变量反应到物体上，且这项操作结束后，流程随即睡眠；最后，Render（），它负责的是处理场景，根据并联机器人实际工作的空间，设计杠杆的位置，其中需提及的是，用三维图形现实绘制，选择网格点，放在缓冲区内，并根据需求实际切换。

3 仿真系统的运用与思考

3.1 運用

该系统已经完成了6-DOF并联机器人的仿真，包括从模型分析到整体控制，从中得到大量数据，并基于得到的数据，完成数据分析[2]。对应数据如下。

（1）起始位置的数据：xp、yp、zp为0.000cm，α、β、γ是0.000rad。

（2）目标位置数据是：xp是36.000cm，zp为60.000cm，yp与α、β、γ的数值不变。

（3）机械臂的运动（加速度）：线是2.0000cm/s2，角是2.0000rad/s2，时长10.0000s。

（4）PID控制：Kp是4.000，Ti是 1.000，Dd是0.000。

根据这四类数据，分别绘制了6个分支分别对应的曲线，从曲线中得到结果是，最大速度下，误差为8.016%，最大的误差接近2.67cm/s，而从仿真模拟得到的结果是，设定的分支长度符合极限的要求，之间未有干涉，所有运动都在这个空间内。

3.2 思考

从上述内容的阐述中，总结出基于虚拟显示模拟并联机器人的仿真，是按照并联机器人运行的环境、整体运行环境等参数，用系统制作出三维立体空间，并在这个空间制作出并联机器人，下发指令，让其按照现场基本情况操作，检验机器人内多个杠杆的操作是否会相互干扰。由此，提出这一方式是增强了并联机器人模拟操作的直观性，通过直观地观察，得到基本判断，即借助三维模拟，把并连机器实际操作的场景模拟，输入不同的指令与指数，记录数据，尝试画出分支曲线，曲线绘制后，结合分析结果，给出最优的并联机器人操作方式，设定既定的参数与模式，避免不同杠杆之间的相互干扰，优化机器人使用的效果。但该系统还有部分细节需进一步处理，包括数据分析的优化、主控设计环节设计的优化等，只有如此，才可以提高仿真系统设计的水平，给出科学、合理的设计方案。

4 结语

用虚拟现实开发并联机器人的仿真系统，是借由虚拟现实互动的特点，以及并联机器人的运动学仿真，提出系统设计的总思路，以及细节的设计，从这些设计中，可以优化对并联机器人运动状态的分析，给出避免零件相互干扰的方案，保证其整体运行都在目标区域内。但该系统还有很多细节需进一步处理，补充系统的漏洞。

参考文献

[1] 方向明，方明，刘天元，等.基于虚拟现实技术的机器人仿真设计研究[J].长春理工大学学报：自然科学版，2016，39（1）：61-65.

[2] 李刚俊，陈永.面向机器人应用的虚拟现实系统[J].西南交通大学学报，2013（1）：115-118.