何思民，董奕辰，陳輝慶，王汝貴

（廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

工業(yè)機器人影響到生活的方方面面，是當(dāng)今社會不可缺少的一部分，為了設(shè)計出更好的工業(yè)機器人以及對設(shè)計出的機器人進行改進，虛擬仿真技術(shù)必不可少，在虛擬的環(huán)境中對機器人進行研究，可以節(jié)省大量的人力物力。傳統(tǒng)的可視化虛擬仿真存在的一個比較大的缺點是缺乏對所有種類機器人的泛用性，MATLAB 機器人工具箱只適用于D-H 法建模的機器人，ROS 機器人系統(tǒng)提供了許多開源的數(shù)據(jù)庫以及API 接口，但是其可視化虛擬仿真功能往往也是適用于D-H 法建模的機器人。造成可視化虛擬仿真軟件泛用性差的原因在于，可視化仿真展現(xiàn)機器人的三維模型是要確定機器人每一個桿件的位姿，通過D-H法建模的機器人可以很方便地逐級將各關(guān)節(jié)的兩端點位置以及該桿件相對于坐標(biāo)系原點的矢量求解得到，從而唯一地確定其機器人桿件位姿，此時可視化仿真軟件再通過計算機圖形技術(shù)，將機器人的外形展現(xiàn)出來。而不方便使用D-H 法建模的機器人，其確定各桿件位姿的運動學(xué)方程則需要根據(jù)機器人的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

而Solid Works 軟件擁有強大的配合功能，通過簡單的幾個配合約束，可以唯一地確定機器人各桿件的位姿，其對于所有類型的機器人，在運動學(xué)建模方面都有良好的適應(yīng)性，但是Solid Works 的仿真功能較為薄弱，不少學(xué)者對其仿真功能進行開發(fā)[1，2]。基于Visual Studio 編譯環(huán)境，使用C#語言，開發(fā)窗體應(yīng)用程序，C#語言便于開發(fā)各項功能，在窗體應(yīng)用程序中內(nèi)置這些功能，比如說運動學(xué)建模和虛擬仿真等，然后對Solid Works 進行二次開發(fā)，通過其豐富的API接口，將程序中的各項功能可視化地展現(xiàn)出來，搭建出可視化虛擬仿真平臺，方便以后進一步深入研究機器人。

1 窗體應(yīng)用程序開發(fā)

1.1 機器人模型模塊

實驗室團隊已經(jīng)研制出一種新型可控變胞式碼垛機器人，并制作出實物樣機[3，4]，以及分析其運動學(xué)[5]和控制程序[6]。該機器人的物理樣機和機構(gòu)如圖1 所示，其中電機一驅(qū)動AB 桿運動，電機二驅(qū)動ED 桿運動，ED 桿又對桿件DC 的運動造成影響，主動桿AB桿與ED 桿共同影響CF 桿的運動，同時CF 桿通過鉸鏈配合反過來對AB 桿和ED 桿造成約束。因此，該機器人使用D-H 法建模困難，難以使用各類可視化虛擬仿真軟件進行虛擬仿真。在此基礎(chǔ)上，對該機器人模型進行進一步的程序開發(fā)。

圖1 機器人物理樣機和機構(gòu)

為了在計算機中建立該機器人的模型，在程序中聲明一個機器人類，使用該機器人的實際物理尺寸對該類進行初始化設(shè)定。機器人各桿件的參數(shù)見表1。其中茲1 是主動桿件AB的轉(zhuǎn)動角度，茲2 是主動桿件ED的轉(zhuǎn)動角度，準(zhǔn)1是底部電機的轉(zhuǎn)動角度，準(zhǔn)2是機器人末端執(zhí)行器的回轉(zhuǎn)角度。然后為該機器人類添加正運動學(xué)和逆運動學(xué)模塊，當(dāng)輸入一組主動關(guān)節(jié)角角度或機器人末端位姿之后，可以唯一確定機器人的位姿。

表1 機械臂尺寸和主動關(guān)節(jié)角取值范圍

1.2 預(yù)覽模塊

為了將計算機程序中的機器人模型及功能可視化，須開發(fā)預(yù)覽模塊。該模塊由機器人模塊根據(jù)主動關(guān)節(jié)角或末端執(zhí)行器位置能唯一地確定機器人各桿件的位姿，通過畫圖模塊依次將機器人各桿件和端點描繪出來。以及通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊，將三維的機器人的模型在二維平面內(nèi)通過等軸測視圖展現(xiàn)出來。如圖2 所示是預(yù)覽模塊展現(xiàn)的機器人模型，預(yù)覽模塊對程序調(diào)試具有很大的意義，對正在開發(fā)的功能有參考意義。更真實的模型則要對Solid Works 進行二次開發(fā)后獲得。

圖2 預(yù)覽界面

1.3 虛擬仿真模塊

為了對機器人進行虛擬仿真和對模型模塊以及預(yù)覽模塊進行檢驗，開發(fā)虛擬仿真模塊，在窗體程序界面中輸入各個關(guān)鍵點的坐標(biāo)，機器人末端執(zhí)行器依次通過各個關(guān)鍵點，且用動畫的形式展現(xiàn)出來，并且在機器人運動的過程中要實時展現(xiàn)機器人的關(guān)鍵信息，包括各主動關(guān)節(jié)角的角度值和機器人末端執(zhí)行器的位置。通過如下方法實現(xiàn)：根據(jù)機器人數(shù)學(xué)模型運動正解和逆解，對每一個時刻下的機器人的新位姿進行求解，實時更新機器人位置。使用工具箱中的Timer控件，每隔若干時間計算一次，比如設(shè)定100 ms 求解一次機器人位姿，并更新預(yù)覽界面的圖形，便可以實現(xiàn)虛擬仿真的動畫展現(xiàn)效果。

1.4 人機交互界面

為了實現(xiàn)上述各模塊，需要對大量函數(shù)進行重復(fù)調(diào)用，為了減少代碼冗余度，將這些函數(shù)進行封裝處理，封裝成一個個類，在有需要時再進行調(diào)用。按照模塊化的思想，將各項功能總結(jié)成若干的按鈕排布在人機交互界面上，每一個功能按鈕背后都是大量函數(shù)的相互調(diào)用。如圖3 所示，是開發(fā)的窗體應(yīng)用程序的界面，日后根據(jù)實際需要，可以增減相對應(yīng)的功能，以方便對機器人的研究。

圖3 人機交互界面

2 對Solid Works 進行二次開發(fā)

按照機器人實際尺寸創(chuàng)建Solid Works 零件并裝配成裝配體，如圖4 所示。

圖4 Solid Works 機器人三維模型

基于Solid Works 強大的API 接口功能，可以很方便使用C#等語言對Solid Works 進行二次開發(fā)。這里給出關(guān)鍵的幾個API 接口和偽代碼。

public SldWorks swApp = new SldWorks（）；//創(chuàng)建變量swApp，設(shè)swApp 為新的Solid Works 實體對象。

ModelDoc2 swDoc = null;//初始化活動文檔對象類API。

SketchSegment skSegment = null；//草 圖 管 理 類API，創(chuàng)建一個變量對象以使用草圖類下面的方法。

bool boolstatus = false;//用于選中某對象，比如：

boolstatus = swDoc.Extension.SelectByID2（“角度1”，“MATE”，0，0，0，false，0，null，0）；//選中主動關(guān)節(jié)角-角 度1，boolstatus 是 選 中 狀 態(tài)，SelectByID2 是Solid Works 的API 庫中一種選擇對象方法。

swDisplayDimension//尺寸對象，對其進行操作可以將主動關(guān)節(jié)角的值改變以驅(qū)動機器人運動。

基于上述的幾個API，Solid Works 配合功能中的機器人各個主動關(guān)節(jié)角的角度可以隨著窗體應(yīng)用程序的控制而改變，主動關(guān)節(jié)角改變，則機器人的位姿發(fā)生改變，當(dāng)窗體應(yīng)用程序每間隔一段時間改變一次機器人的位姿，可以實現(xiàn)動畫效果的可視化虛擬仿真，當(dāng)建立好坐標(biāo)系以后，基于SketchSegment API 可以將機器人末端執(zhí)行器的路徑展現(xiàn)出來。

3 虛擬仿真實驗

為了驗證所開發(fā)程序是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能，進行可視化虛擬仿真實驗。給定路徑上的幾個關(guān)鍵節(jié)點（表2）。在窗體應(yīng)用程序中按下路徑規(guī)劃按鈕，預(yù)覽界面如圖5 所示。機器人依次沿著這幾個節(jié)點前進，并畫出末端執(zhí)行器所行進的路徑，整個過程以動畫的形式表現(xiàn)。然后按下打開Solid Works 按鈕，等到打開三維界面，再按下三維仿真按鈕，根據(jù)虛擬仿真求得的路徑，通過API 接口控制機器人主動關(guān)節(jié)角的角度值，讓機器人在三維中走出了對應(yīng)的路徑，并通過API 接口使用三維草圖功能繪畫出運動所走路徑，如圖6 所示。

圖5 虛擬仿真窗體程序的界面和虛擬仿真預(yù)覽

圖6 窗體程序控制下的可視化虛擬仿真

表2 虛擬仿真過程中關(guān)鍵點末端位置和主動關(guān)節(jié)角度

4 結(jié)語

針對可控變胞式碼垛機器人，基于Visual Studio編譯環(huán)境，使用C#語言開發(fā)窗體應(yīng)用程序，建立機器人模型，開發(fā)虛擬仿真功能，開發(fā)預(yù)覽功能，并對Solid Works 進行二次開發(fā)，將程序?qū)崿F(xiàn)的功能在Solid Works 中展現(xiàn)出來，從而達(dá)到了可視化仿真的效果。并進行虛擬仿真實驗，實驗結(jié)果驗證了搭建的可視化虛擬仿真平臺能滿足機器人的可視化虛擬仿真需求，為以后繼續(xù)開發(fā)研究變胞式碼垛機器人打下基礎(chǔ)。