基于V-REP的关节机器人运动仿真
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ａ叶菝２０１７年第３０卷第４期 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．／Ａｐｒ．１５．２０１７ 协议・算法及仿真
ｄｏｉ：１０．１６１８０／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ００７—７８２０．２０１７．０４．０１３
基于Ｖ．ＲＥＰ的关节机器人运动仿真 赵海林，钱炜，孙福佳 （上海理工大学机械工程学院，上海２０００９３） 摘要提出了一种在Ｖ—ＲＥＰ平台下实现机器人虚拟运动控制及运动仿真方法。在Ｖ—ＲＥＰ中创建了机器人控 制模型，并使用Ｌｕａ编写了控制脚本及通信接口，使用Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ ２０１０编写了外部控制程序。通过Ｓｏｃｋｅｔ通信实现机 器人模型与外部控制程序的连接。以广泛应用的ＩＲＢ４６００六轴机器人模型为实验对象，通过外部控制程序实现机器人 运动仿真的步骤。实验中机器人准确响应外部控制指令到达相应位置，验证了本方法的有效性。 关键词Ｖ—ＲＥＰ；关节机器人；运动仿真；Ｌｕａ 中图分类号ＴＰ２４２．２ 文献标识码Ａ 文章编号１００７—７８２０（２０１７）０４—０５３—０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ Ｒｏｂｏｔ Ｍｏｔｉｏｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｖ—ＲＥＰ ＺＨＡ０ Ｈａｉｌｉｎ，ＱＩＡＮ Ｗｅｉ，ＳＵＮ Ｆｕｊｉａ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｏｂｏｔ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｖ—ＲＥＰ ｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｉｎ Ｖ—ＲＥＰ ｒｏｂｏｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｃｒｅａｔｅｄ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｒｉｐｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒ－ ｆａｃｅ ｉＳ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｌｕａ．ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｍｇｒａｍ ｉＳ ｗｒｉｔｔｅｎ ｉｎ Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ ２０１０．Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｏｂｏｔ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｇｒａｍ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ Ｓｏｃｋｅｔ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｓｉｘ— ａｘｉｓ ｒｏｂｏｔ ｍｏｄｅｌ ＩＲＢ４６００ ａｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｏｂｊｅｃｔ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｅｐｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｏｆ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｇｒａｍ．Ｒｏｂｏｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅｄ ｔｏ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｒｅａｃｈ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｐｏ— ｓｉｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈｖｅｒｉ—ｆｌｅｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｖ—ＲＥＰ；ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ ｒｏｂｏｔ；ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｌｕａ
离线编程系统对工业机器人发挥着重要作用，而 控制机器人的动作模拟，实现机器人模型的运动仿真 便是离线编程系统中的重要一环＿１ Ｊ。现在国内科研机 构对于离线编程系统中的运动仿真模块，多是采用 Ｏｐｅｎ ＧＬ图形绘制引擎以及ＷＴＫ虚拟环境开发包工 具独立开发，在虚拟环境中建模、根据计算的位置驱动 模型仿真运动 Ｊ，这样做的缺点就是建模能力差，不 适应科研人员对不同机器人运动学控制研究的需要。 本文针对机器人模型运动仿真提出一种新的方法，即 将机器人运动仿真界面和运动学计算及控制分开，选 择Ｖ—ＲＥＰ为运动仿真平台，利用其开源性、接受多种 语言编程以及丰富的ＡＰＩ来做界面仿真，把后台的计 算过程放在外部控制程序中＿４－５］。文中运动仿真实验 收稿日期：２０１６—０４．２４ 基金项目：上海市经信委重大技术装备研制专项基金资助项目 （ＺＢ—ＺＢＹＺ一０３—１ｌ一１７０９） 作者简介：赵海林（１９８８一），男，硕士研究生。研究方向：工业 机器人运动控制。钱炜（１９６４一），男，硕士，副教授。研究方 向：机器人机构学等。 证实了此方法可行，为未来机器人理想编程系统的开 发提供了一定的参考。
１ 运动仿真平台及脚本语言 １．１ 运动仿真平台Ｖ．ＲＥＰ 本文选择Ｖ—ＲＥＰ作为机器人运动仿真的实验平 台，虚拟机器人实验平台（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｏｂｏｔ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｐｌａｔｆｏｒｍ，Ｖ—ＲＥＰ），其是国外一款开源的有自身ＩＤＥ 的机器人仿真软件。其支持嵌人脚本、插件、ＲＯＳ、ｒｅ— ｍｏｔｅ ＡＰＩ ｃｌｉｅｎｔｓ、Ａｄｄ—ｏｎ等控制方式，以及Ｃ／Ｃ＋＋， Ｐｙｔｈｏｎ、Ｊａｖａ、Ｌｕａ、Ｍａｔｌａｂ等编程语言。另外还支持机 器人运动学正解和逆解、碰撞检测、路径规划、定制 ｕＩ、视觉计算、三维建模、距离感应计算 。在开发集 编程仿真于一体的离线编程软件时，可选择嵌入Ｖ— ＲＥＰ，将其当作一个独立的仿真模拟环境。 １．２ Ｌｕａ语言及Ｌｕａｓｏｃｌｅｔ Ｌｕａ是一个小巧的脚本语言，在所有操作系统和 平台上都能够编译运行，其设计目的是为了嵌入应用 程序中，为应用程序提供灵活的扩展和定制功能。在
ｗｗｗ．ｄｉａｎｚｉｋｅＪｉ．ｏｒｇ—— 协议・算法及仿真 赵海林，等：基于ｖ—ＲＥＰ的关节机器入运动仿真 目前所有脚本引擎中，Ｌｕａ的速度是最快的，这决定了 Ｌｕａ是作为嵌入式脚本的最佳选择 。而ＬｕａＳｏｃｋｅｔ 是Ｌｕａ的网络模块库，其提供ＴＣＰ、ＵＤＰ、ＤＮＳ、ＦＴｒＰ、 ＨｒＩＴＩ 、ＳＭＴＰ等多种网络协议的访问操作，本文使用 Ｌｕａｓｏｃｋｅｔ中的ｓｏｃｋｅｔ．ｔｃｐ（）这一函数 。
２在Ｖ．ＲＥＰ中创建机器人控制模型 在Ｖ—ＲＥＰ中创建机器人控制模型分为两部分： （Ｉ）建立机器人三维模型、添加关节约束；（２）为模型 编写控制脚本代码和通信接口。 ２．１ 建立机器人三维模型 建立机器人模型可在Ｖ—ＲＥＰ中完成，也可在外 部的ＣＡＤ软件中完成然后导人Ｖ—ＲＥＰ；但是前者建 模能力较弱且较为繁琐，远不如现在已经商用化的三 维软件便捷。本文选择在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ中设计机器人三 维模型，然后转换成Ｖ—ＲＥＰ能够读取的标准ＣＡＤ格 式（如ｓｔｌ，ｄｘｆ，３ｄｓ等）导入到Ｖ—ＲＥＰ中 。 不管是内部建模还是外部导人，由于机器人零件 众多，为了在进行机器人运动仿真时Ｖ—ＲＥＰ减少延 迟及提高运行效率，需要将同一个连杆的各个零件合 并成一个部件。本文以ＩＲＢ４６００六轴工业机器人为 例，其最终的优化结果是７个部件，部件之间以６个关 节连接。其原始三维模型以及优化后的模型如图１所 示，图１（ａ）为原始模型；图１（ｂ）为优化后的模型。
（ｂ） 图１机器人优化前后的模型图 在运控仿真时图１（ｂ）的模型被标示在不可见的 图层中。根据ＩＲＢ４６００机器人的Ｄ一日参数，如表１ 为其添加关节约束，添加关节时需要考虑到各连杆的 长度及扭转角，各关节变量及偏置量。 表１ ＩＲＢ４６００机器人Ｄ一 参数表
６个关节分别连接着７个部件（连杆），其层级结 构如图２所示。
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图２连杆和关节的层级关系图 ２．２编写控制脚本与通讯接口设计 Ｖ—ＲＥＰ中控制脚本分为线程脚本和非线程脚本 两种，和非线程脚本相比，线程脚本常规动作部分是循 环执行的，且运行模拟时机器人能够持续接受外部指 令进行动作，因此本文选择线程脚本来编写控制代码 和通信接口程序。 Ｖ—ＲＥＰ中的机器人控制模型和外部控制程序 之间需要可靠地数据通信服务，因此本文选择ＴＣＰ 协议中的流式套接字来传输指令，通信体系结构选 择常见的客户端一服务器模式，以Ｖ—ＲＥＰ为客户 端，外部控制程序为服务器端。编写脚本代码使用 Ｌｕａ语言，和外部控制程序通信使用Ｌｕａｓｏｃｋｅｔ模块 中的相关函数。 在控制脚本中，使用ｓｏｃｋｅｔ＝ｒｅｑｕｉｒｅ（”ｓｏｃｋｅｔ”）来 加载Ｓｏｃｋｅｔ通信模块，使用函数ｃｌｉｅｎｔ＝ｓｏｃｋｅｔ．ｔｃｐ（） 和ｃｌｉｅｎｔ：ｃｏｎｎｅｃｔ（）来和外部控制程序建立连接，使用 ｊｏｉｎｔＨａｎｄｌｅｓ［ｉ］＝ｓｉｍＧｅｔ０ｂｊｅｃｔＨａｎｄｌｅ（ＩＲＢ４６００一ｊｏｉｎｔ
．．ｉ）给各关节添加控制句柄。使用函数ｃｌｉｅｎｔ：ｒｅｃｅｉｖｅ （‘ ｌ’）来接收外部控制指令字符串，其参数’ ｌ’表 示接收一行字符串，以换行符”＼ｎ”作为作为一次指令 读取结束的标志。使用ｓｉｍＲＭＬＭｏｖｅＴｏＪｏｉｎｔＰｏｓｉｔｉｏｎｓ（） 函数来控制机器人的动作，此函数可以在同一时间控 制机器人的各个关节动作（包括各关节转速，加速度 以及转动角度等参数）以达到控制机器人运动的 目的［ 。。。 Ｖ—ＲＥＰ端要设计控制接口，以解析外部控制程 序发来的运动指令。外部控制程序发出一串特定格式 的字符，Ｖ—ＲＥＰ端通过ｓｔｒｉｎｇ．ｆｉｎｄ（）、ｓｔｒｉｎｇ．ｓｕｂ（）、 ｔｏｎｕｍｂｅｒ（）等函数解析出各个关节的目标角度值，然 后把设定好的各个参数值赋给ｓｉｍＲＭＬＭｏｖｅＴｏＪｏｉｎｔ— Ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ（）函数，控制机器人的各个关节以一定的速 度和加速度转动设定的角度。以实现对机器人的运动 控制。本文采用线程脚本编写控制代码，其常规动作 部分循环执行，因此外部控制程序和Ｖ—ＲＥＰ成功连 接后，通过发送一系列的控制指令便可实现对机器人 动作的连续控制。
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