CN110076771A - 一种机器人虚拟现实仿真方法及结构体系平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机器人虚拟现实仿真方法及结构体系平台可以构建虚拟六自由度机器人及其三维坐标系,并通过储存的虚拟六自由度机器人各联动杆关节逆运动学程序,根据虚拟六自由度机器人末端坐标计算其各联动杆关节偏转角度,进而仿真六自由度机器人各关节的运行,通过生成虚拟现实影响,方便使用者直观地观察六自由度机器人运动状况,测试机器人的运动学和动力学,验证相关机器人控制算法。
Description
技术领域
本发明涉及机器人仿真技术领域,特别是指一种机器人虚拟现实仿真方法及结构体系平台。
背景技术
随着网络技术的发展,虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向,虚拟现实技是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统,它利用计算机生成一种模拟环境,是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中,但利用虚拟环境下仿真机器人做科学研究却较少,急需被开发研究,现有技术中尚没有能测试机器人的运动学和动力学,验证相关机器人控制算法的仿真方法及平台。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提出一种机器人虚拟现实仿真方法及结构体系平台,能够测试机器人的运动学和动力学,验证相关机器人控制算法。
基于上述目的本发明提供的一种机器人虚拟现实仿真方法,包括以下步骤:
构建虚拟六自由度机器人和其所处三维坐标系,并确定其联动杆关节部位;
调取储存的虚拟六自由度机器人各联动杆关节逆运动学程序,根据虚拟六自由度机器人末端坐标计算其各联动杆关节偏转角度;
根据计算模块得出的六自由度机器人各联动杆关节偏转角度,仿真六自由度机器人各关节的运行;
使用虚拟六自由度机器人和仿真模块对六自由度机器人各联动杆关节的运行,生成虚拟现实影像。
优选地,构建虚拟六自由度机器人时,读取实体机器人的激光扫描图像和扫描时与实体机器人各部分间的扫描距离,生成虚拟六自由度机器人;
优选地,实体机器人下方设置一旋转台,读取实体机器人的激光扫描图像时,根据扫描进度控制旋转台的旋转,并读取其旋转速度。
优选地,根据虚拟六自由度机器人末端坐标计算其各联动杆关节偏转角度时,符合以下公式:
其中a=p2+q2;b=-2q·(d÷2l0);c=(d÷2l0)2-p2,p=l2cos(α)-x,q=l2sin(α)-y,α=θ1+θ2+θ3,l0、l1、l2为联动杆,θ1、θ2、θ3为联动杆关节偏转角度,(x,y)为虚拟六自由度机器人末端P点坐标,θ2、θ3同样可带入上式获得。
优选地,根据虚拟六自由度机器人末端坐标计算其各联动杆关节偏转角度时
其中
一种机器人虚拟现实现实结构体系平台,包括:
构建模块,可构建虚拟六自由度机器人和其所处三维坐标系,并确定其联动杆关节部位;
计算模块,储存有虚拟六自由度机器人的各联动杆关节逆运动学程序,根据虚拟六自由度机器人末端坐标计算其各联动杆关节偏转角度;
仿真模块,根据计算模块得出的六自由度机器人各联动杆关节偏转角度,仿真六自由度机器人各联动杆关节的运行;
虚拟现实模块,可导入构建模块所构建的虚拟六自由度机器人和仿真模块对六自由度机器人各联动杆关节的运行,生成虚拟现实影像。
优选地,还包括:
激光扫描模块,激光扫描模块可对实体机器人的形状进行扫描,获得扫描图像;
测距模块,安装在激光扫描模块一侧,测量其与实体机器人各部分间的扫描距离;
构建模块根据扫描图像和扫描距离,构建虚拟六自由度机器人和其所处三维坐标系。
优选地,还包括:
旋转台,可承载实体机器人并带动实体机器人旋转,并将自身的旋转速度发送给构建模块。
优选地,构建模块包括调整模块,调整模块根据使用者的选择,对虚拟六自由度机器人的形状进行调整,并确定其联动杆关节部位。
从上面所述可以看出,本发明提供的机器人虚拟现实仿真方法及结构体系平台可以构建虚拟六自由度机器人及其三维坐标系,并通过储存的虚拟六自由度机器人各联动杆关节逆运动学程序,根据虚拟六自由度机器人末端坐标计算其各联动杆关节偏转角度,进而仿真六自由度机器人各关节的运行,通过生成虚拟现实影响,方便使用者直观地观察六自由度机器人运动状况,测试机器人的运动学和动力学,验证相关机器人控制算法。
附图说明
图1为本发明实施例的机器人虚拟现实仿真方法流程示意图;
图2为本发明实施例的逆运动学程序求解示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
需要说明的是,本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量,可见“第一”“第二”仅为了表述的方便,不应理解为对本发明实施例的限定,后续实施例对此不再一一说明。
一种机器人虚拟现实仿真方法,包括以下步骤:
构建虚拟六自由度机器人和其所处三维坐标系,并确定其联动杆关节部位;
调取储存的虚拟六自由度机器人各联动杆关节逆运动学程序,根据虚拟六自由度机器人末端坐标计算其各联动杆关节偏转角度;
根据所述计算模块得出的六自由度机器人各联动杆关节偏转角度,仿真六自由度机器人各关节的运行;
使用虚拟六自由度机器人和仿真模块对六自由度机器人各联动杆关节的运行,生成虚拟现实影像。
本方法可以构建虚拟六自由度机器人及其三维坐标系,并通过储存的虚拟六自由度机器人各联动杆关节逆运动学程序,根据虚拟六自由度机器人末端坐标计算其各联动杆关节偏转角度,进而仿真六自由度机器人各关节的运行,通过生成虚拟现实影响,方便使用者直观地观察六自由度机器人运动状况,测试机器人的运动学和动力学。可以验证相关机器人控制算法。
可选的,为了便于对虚拟六自由度机器人进行更准确直观地构建,构建虚拟六自由度机器人时,读取实体机器人的激光扫描图像和扫描时与实体机器人各部分间的扫描距离,生成虚拟六自由度机器人。
可选的,本方法在unity 3D环境中构建建虚拟六自由度机器人及其三维坐标系,将机器人最底盘初始点放置在(0,0,0)三维坐标上,根据实体六自由度机器人的结构,依次在初始点坐标按真实比例实现机器人转动关节、联动杆、机械夹爪。于是可以构建出unity3D环境下的六自由度机器人。
可选的,为了便于激光扫描图像时对实体机器人的各角度进行扫描和建模,实体机器人下方设置一旋转台,读取实体机器人的激光扫描图像时,根据扫描进度控制所述旋转台的旋转,并读取其旋转速度。
可选的,根据虚拟六自由度机器人末端坐标计算其各联动杆关节偏转角度时,符合以下公式:
其中a=p2+q2;b=-2q·(d÷2l0);c=(d÷2l0)2-p2,p=l2cos(α)-x,q=l2sin(α)-y,α=θ1+θ2+θ3,l0、l1、l2为联动杆,θ1、θ2、θ3为联动杆关节偏转角度,(x,y)为虚拟六自由度机器人末端P点坐标,θ2、θ3同样可带入上式获得。
可选的,根据虚拟六自由度机器人末端坐标计算其各联动杆关节偏转角度时
其中
而x=l0cosθ1+l1cos(θ1+θ2)+l2cos(θ1+θ2+θ3)
y=l0sinθ1+l1sin(θ1+θ2)+l2sin(θ1+θ2+θ3),故可得出上述
一种机器人虚拟现实结构体系平台,包括:
构建模块,可构建虚拟六自由度机器人和其所处三维坐标系,并确定其联动杆关节部位;
计算模块,储存有所述虚拟六自由度机器人的各联动杆关节逆运动学程序,根据虚拟六自由度机器人末端坐标计算其各联动杆关节偏转角度;
仿真模块,根据所述计算模块得出的六自由度机器人各联动杆关节偏转角度,仿真六自由度机器人各联动杆关节的运行;
虚拟现实模块,可导入构建模块所构建的虚拟六自由度机器人和仿真模块对六自由度机器人各联动杆关节的运行,生成虚拟现实影像。
本发明公开的结构体系平台,可以构建虚拟六自由度机器人及其三维坐标系,并通过储存的虚拟六自由度机器人各联动杆关节逆运动学程序,根据虚拟六自由度机器人末端坐标计算其各联动杆关节偏转角度,进而仿真六自由度机器人各关节的运行,通过生成虚拟现实影响,方便使用者直观地观察六自由度机器人运动状况,测试机器人的运动学和动力学。可以验证相关机器人控制算法。
可选的,虚拟现实模块选择HTC公司vive设备。
可选的,为了便于对虚拟六自由度机器人进行更准确直观地构建,本结构体系平台还包括:激光扫描模块,所述激光扫描模块可对实体机器人的形状进行扫描,获得扫描图像;
测距模块,安装在所述激光扫描模块一侧,测量其与实体机器人各部分间的扫描距离;
所述构建模块根据扫描图像和扫描距离,构建虚拟六自由度机器人和其所处三维坐标系。
可选的,为了便于激光扫描图像时对实体机器人的各角度进行扫描和建模,本结构体系平台还包括:旋转台,可承载实体机器人并带动所述实体机器人旋转,并将自身的旋转速度发送给所述构建模块。
可选的,为了便于使用者调整虚拟六自由度机器人的形状和定义其联动杆关节部位,所述构建模块包括调整模块,所述调整模块根据使用者的选择,对虚拟六自由度机器人的形状进行调整,并确定其联动杆关节部位。
使用者在使用本发明公开的一种机器人虚拟现实仿真方法及结构体系平台时,本平台通过激光扫描模块对实体机器人的形状进行扫描,获得扫描图像,进而构建虚拟六自由度机器人及三维坐标系,使用者也可通过unity 3D软件中的3D Object工具,调整机器人的形状或构建机器人,通过储存的机器人各联动杆关节逆运动学程序,在输入P点坐标后,可计算得到各联动杆关节的偏转角度,完成逆运动学方程的计算,仿真六自由度机器人各关节的运行,使用HTC公司vive设备时,将转接盒插上电源并把转换盒的3.0USB、HDMI接口、DCIN接口与电脑3.0USB、显卡接口、DCIN相连,两个定位器呈对角安放在房间宽敞地方接上电源,即可观察到虚拟现实的六自由度机器人仿真图像。
所属领域的普通技术人员应当理解:以上任何实施例的讨论仅为示例性的,并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子;在本发明的思路下,以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合,步骤可以以任意顺序实现,并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化,为了简明它们没有在细节中提供。
尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述,但是根据前面的描述,这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如,其它存储器架构(例如,动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何省略、修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种机器人虚拟现实仿真方法,其特征在于,包括以下步骤:
构建虚拟六自由度机器人和其所处三维坐标系,并确定其联动杆关节部位;
调取储存的虚拟六自由度机器人各联动杆关节逆运动学程序,根据虚拟六自由度机器人末端坐标计算其各联动杆关节偏转角度;
根据所述计算模块得出的六自由度机器人各联动杆关节偏转角度,仿真六自由度机器人各关节的运行;
使用虚拟六自由度机器人和仿真模块对六自由度机器人各联动杆关节的运行,生成虚拟现实影像。
2.根据权利要求1所述的机器人虚拟现实仿真方法,其特征在于,构建虚拟六自由度机器人时,读取实体机器人的激光扫描图像和扫描时与实体机器人各部分间的扫描距离,生成虚拟六自由度机器人。
3.根据权利要求2所述的机器人虚拟现实仿真方法,其特征在于,实体机器人下方设置一旋转台,读取实体机器人的激光扫描图像时,根据扫描进度控制所述旋转台的旋转,并读取其旋转速度。
4.根据权利要求1所述的机器人虚拟现实仿真方法,其特征在于,根据虚拟六自由度机器人末端坐标计算其各联动杆关节偏转角度时,符合以下公式:
其中a=p2+q2;b=-2q·(d÷2l0);c=(d÷2l0)2-p2,p=l2cos(α)-x,q=l2sin(α)-y,α=θ1+θ2+θ3,l0、l1、l2为联动杆,θ1、θ2、θ3为联动杆关节偏转角度,(x,y)为虚拟六自由度机器人末端P点坐标,θ2、θ3同样可带入上式获得。
5.根据权利要求4所述的机器人虚拟现实仿真方法,其特征在于,根据虚拟六自由度机器人末端坐标计算其各联动杆关节偏转角度时
其中
6.一种机器人虚拟现实现实结构体系平台,其特征在于,包括:
构建模块,可构建虚拟六自由度机器人和其所处三维坐标系,并确定其联动杆关节部位;
计算模块,储存有所述虚拟六自由度机器人的各联动杆关节逆运动学程序,根据虚拟六自由度机器人末端坐标计算其各联动杆关节偏转角度;
仿真模块,根据所述计算模块得出的六自由度机器人各联动杆关节偏转角度,仿真六自由度机器人各联动杆关节的运行;
虚拟现实模块,可导入构建模块所构建的虚拟六自由度机器人和仿真模块对六自由度机器人各联动杆关节的运行,生成虚拟现实影像。
7.根据权利要求6所述的一种机器人虚拟现实现实结构体系平台,其特征在于,还包括:
激光扫描模块,所述激光扫描模块可对实体机器人的形状进行扫描,获得扫描图像;
测距模块,安装在所述激光扫描模块一侧,测量其与实体机器人各部分间的扫描距离;
所述构建模块根据扫描图像和扫描距离,构建虚拟六自由度机器人和其所处三维坐标系。
8.根据权利要求6所述的一种机器人虚拟现实现实结构体系平台,其特征在于,还包括:
旋转台,可承载实体机器人并带动所述实体机器人旋转,并将自身的旋转速度发送给所述构建模块。
9.根据权利要求6所述的一种机器人虚拟现实现实结构体系平台,其特征在于:所述构建模块包括调整模块,所述调整模块根据使用者的选择,对虚拟六自由度机器人的形状进行调整,并确定其联动杆关节部位。
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