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基于虚拟现实下并联机器人仿真系统开发的研究①

更新时间:2009-03-28

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]Nicolson,Nigel.The World of JaneAusten:Her Houses inFactand Fiction.London:Weidenfeld&Nicolson Ltd,1991:14.

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

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

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]

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。

(四)1761年—1771年,亦即渥巴锡执政时期,由于沙皇俄国控制空前加剧而造成汗国严重政治危机。土尔扈特人反抗压迫在渥巴锡领导下举族东归祖邦,持续一个半世纪之久的土尔扈特汗国走向瓦解。留居伏尔加河流域的杜尔伯特牧民和少量土尔扈特人、和硕特人大约4700余帐,全部归入阿斯特拉罕省长办公室下设的专门管理机构——“特别管理处”管辖,1797年俄国政府在阿斯特拉罕成立“卡尔梅克公署”,留居伏尔加河流域的卡尔梅克人已失去了政治独立,沦为俄国政府监督下的俄罗斯帝国的一个行政区域。

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。

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

一般来说,教学过程有四个最基本的要素,即教师、学生、教材、方法。这四个要素相互配合,构成了六种关系,即教师与学生的关系、教师与教材的关系、教师与方法的关系、学生与教材的关系、学生与方法的关系、教材与方法的关系。其中,师生关系是一条主线,如图1所示。

3 仿真系统的运用与思考

3.1 运用

2.2.2 控制指令

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。

(4)PID控制:Kp是4.000,Ti是 1.000,Dd是0.000。

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

(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。

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。

受教育者对教育内容的“前理解”影响着他们对教育内容的期待和接受。 由于计划经济时期的传统集体主义观念的影响,大学生群体普遍对集体主义教育存在刻板印象和抵触情绪,认为集体主义原则是强调集体利益高于一切,并以此为理由束缚个体自由发展的道德说教。 这种抵触情绪随着个体化进程中主体地位的提升和自我文化的张扬而日趋强烈,集体主义教育因之而处于非常被动的局面。

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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.

 
杨雁冰
《科技资讯》 2018年第09期
《科技资讯》2018年第09期文献

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