CN117290980B - 一种基于Unity平台的机械臂仿真方法及系统 - Google Patents

一种基于Unity平台的机械臂仿真方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于Unity平台的机械臂仿真方法及系统，该方法通过建立包含虚拟机械臂模型和虚拟障碍物模型的虚拟场景，确定虚拟机械臂模型的初始位置，并建立相应的基坐标系和各关节的关节坐标系，再根据末端位姿数据，并将末端位姿数据转换为目标变换矩阵，同时，确定相邻的两个关节坐标系之间的变换关系，得到对应的齐次变换矩阵，在已知目标变换矩阵和齐次变换矩阵的基础上，计算出各关节的转动角度，然后排除各关节的转动角度中与虚拟障碍物模型干涉的转动角度，最后在剩下的各关节的转动角度中确定移动耗能最小的各关节的转动角度，并输出，由于选择出最佳转动角度，可以在一定程度上降低机械手臂在实际环境中能耗及损耗。

Description

一种基于Unity平台的机械臂仿真方法及系统
技术领域
本发明属于机械臂仿真技术领域，具体涉及一种基于Unity平台的机械臂仿真方法及系统。
背景技术
机械手臂是机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域均有应用。
通常情况下，为了提高机械手臂在工业中的使用成功率，会先开展虚拟机械手臂的仿真控制工作，即在一个逼真的虚拟环境中模拟机械手臂的行为和表现，以便在投入实际使用之前预测和解决潜在的问题，有效降低机械手臂在实际环境中的调试和测试成本。
但是，目前大多数针对UR5机械臂的仿真工作仅仅停留在操作可行、轨迹不干涉的阶段，并未考虑机械臂运行的最佳状态，最终导致机械手臂在实际环境中能耗大、损耗大的问题。
发明内容
基于此，本发明实施例当中提供了一种基于Unity平台的机械臂仿真方法及系统，以解决现有技术中，未考虑机械臂运行的最佳状态，导致机械手臂在实际环境中能耗大、损耗大的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种基于Unity平台的机械臂仿真方法，通过Unity与机械臂建立数据连接，所述方法包括：
获取机械臂的第一数据和实际工作场景中障碍物的第二数据，并建立虚拟场景，其中，所述虚拟场景中至少包括根据所述第一数据建立的虚拟机械臂模型和根据所述第二数据建立的虚拟障碍物模型；
根据初始抓取位置，确定虚拟场景中虚拟机械臂模型的初始摆放位置，并根据所述初始摆放位置，建立虚拟机械臂模型的基坐标系，并在虚拟机械臂模型的基坐标系的基础上，建立虚拟机械臂模型各关节的关节坐标系；
根据基坐标系，确定虚拟机械臂模型的末端位姿数据，并将末端位姿数据转换为目标变换矩阵，同时，通过Denavit-Hartenberg方法，确定相邻的两个关节坐标系之间的变换关系，得到对应的齐次变换矩阵；
根据所述目标变换矩阵和所述齐次变换矩阵，进行逆解，计算出所有虚拟机械臂模型各关节的转动角度；
依次判断虚拟机械臂模型各关节的转动角度下所对应的虚拟机械臂模型是否与虚拟障碍物模型干涉；
若是，则将与虚拟障碍物模型干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度删除，保留与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度；
确定与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度中，虚拟机械臂模型移动耗能最小的各关节的转动角度，作为最优仿真结果输出。
进一步的，所述依次判断虚拟机械臂模型各关节的转动角度下所对应的虚拟机械臂模型是否与虚拟障碍物模型干涉的步骤包括：
根据基坐标系，确定虚拟障碍物模型中边界区域坐标点；
确定虚拟机械臂模型上的目标端点，依次获取虚拟机械臂模型各关节的转动角度范围内所对应的虚拟机械臂模型上目标端点的目标点坐标；
判断是否存在目标点坐标与边界区域坐标点相同时刻；
若是，说明该转动角度下所对应的虚拟机械臂模型与虚拟障碍物模型干涉，则执行将与虚拟障碍物模型干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度删除，保留与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度的步骤。
进一步的，所述确定与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度中，虚拟机械臂模型移动耗能最小的各关节的转动角度，作为最优仿真结果输出的步骤包括：
根据与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度，分别在虚拟场景中绘制出目标端点的目标轨迹，分别计算目标轨迹的长度；
判断各目标轨迹的长度中，是否存在最小长度；
若存在最小长度，则将目标轨迹为最小长度对应的各关节的转动角度作为最优仿真结果输出；
若不存在最小长度，则获取目标轨迹均为最小长度时的各关节的转动角度，并分别将每个目标轨迹对应的各关节的转动角度求和，确定各关节的转动角度之和的最小值；
将各关节的转动角度之和的最小值对应的各关节的转动角度作为最优仿真结果输出。
进一步的，所述获取目标轨迹均为最小长度时的各关节的转动角度，并分别将每个目标轨迹对应的各关节的转动角度求和，确定各关节的转动角度之和的最小值的步骤之后还包括：
判断各关节的转动角度之和的最小值是否唯一；
若是，则执行将各关节的转动角度之和的最小值对应的各关节的转动角度作为最优仿真结果输出的步骤；
若否，则根据各关节转动所需承载重量，确定各关节的权重系数，并将各关节的权重系数与对应关节的转动角度相乘，得到评价值；
将评价值的最小值对应的各关节的转动角度作为最优仿真结果输出。
进一步的，所述根据基坐标系，确定虚拟机械臂模型的末端位姿数据，并将末端位姿数据转换为目标变换矩阵的步骤中，末端位姿数据通过罗德里格斯变换进行转换。
进一步的，所述通过Denavit-Hartenberg方法，确定相邻的两个关节坐标系之间的变换关系，得到对应的齐次变换矩阵的步骤中，关节坐标系i与关节坐标系i-1之间的变换关系表示为：
；
表示为关节坐标系i在关节坐标系i-1的齐次变换矩阵，θi表示为关节坐标系i绕z轴的旋转角度，αi表示为关节坐标系i绕x轴的旋转角度，/>表示为关节坐标系i沿x轴的长度，di表示为关节坐标系i沿z轴的长度。
进一步的，所述根据所述目标变换矩阵和所述齐次变换矩阵，进行逆解，计算出所有虚拟机械臂模型各关节的转动角度的步骤中，通过计算机程序求解反正切时，采用函数atan2，返回值为(-π,+π]，且反余弦的返回值为[0,π]。
本发明实施例的第二方面提供了一种基于Unity平台的机械臂仿真系统，通过Unity与机械臂建立数据连接，所述系统包括：
虚拟场景建立模块，用于获取机械臂的第一数据和实际工作场景中障碍物的第二数据，并建立虚拟场景，其中，所述虚拟场景中至少包括根据所述第一数据建立的虚拟机械臂模型和根据所述第二数据建立的虚拟障碍物模型；
坐标系建立模块，用于根据初始抓取位置，确定虚拟场景中虚拟机械臂模型的初始摆放位置，并根据所述初始摆放位置，建立虚拟机械臂模型的基坐标系，并在虚拟机械臂模型的基坐标系的基础上，建立虚拟机械臂模型各关节的关节坐标系；
转换模块，用于根据基坐标系，确定虚拟机械臂模型的末端位姿数据，并将末端位姿数据转换为目标变换矩阵，同时，通过Denavit-Hartenberg方法，确定相邻的两个关节坐标系之间的变换关系，得到对应的齐次变换矩阵；
计算模块，用于根据所述目标变换矩阵和所述齐次变换矩阵，进行逆解，计算出所有虚拟机械臂模型各关节的转动角度；
判断模块，用于依次判断虚拟机械臂模型各关节的转动角度下所对应的虚拟机械臂模型是否与虚拟障碍物模型干涉；
筛选模块，用于当判断虚拟机械臂模型各关节的转动角度下所对应的虚拟机械臂模型与虚拟障碍物模型干涉时，则将与虚拟障碍物模型干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度删除，保留与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度；
输出模块，用于确定与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度中，虚拟机械臂模型移动耗能最小的各关节的转动角度，作为最优仿真结果输出。
本发明实施例的第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面提供的基于Unity平台的机械臂仿真方法。
本发明实施例的第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第一方面提供的基于Unity平台的机械臂仿真方法。
实施本发明实施例当中提供的一种基于Unity平台的机械臂仿真方法及系统具有以下有益效果：
通过建立包含虚拟机械臂模型和虚拟障碍物模型的虚拟场景，确定虚拟机械臂模型的初始位置，并建立相应的基坐标系和各关节的关节坐标系，再根据末端位姿数据，并将末端位姿数据转换为目标变换矩阵，同时，通过Denavit-Hartenberg方法，确定相邻的两个关节坐标系之间的变换关系，得到对应的齐次变换矩阵，在已知目标变换矩阵和齐次变换矩阵的基础上，计算出各关节的转动角度，然后排除各关节的转动角度中与虚拟障碍物模型干涉的转动角度，最后在剩下的各关节的转动角度中确定移动耗能最小的各关节的转动角度，并输出，由于选择出最佳转动角度，可以在一定程度上降低机械手臂在实际环境中能耗及损耗。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种基于Unity平台的机械臂仿真方法的实现流程图；
图2为本发明实施例二提供的一种基于Unity平台的机械臂仿真系统的结构框图；
图3为本发明实施例三提供的一种电子设备的结构框图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例一
请参阅图1，图1示出了本发明实施例一提供的一种基于Unity平台的机械臂仿真方法，通过Unity与UR5机械臂建立数据连接，具体包括步骤S01至步骤S07。
步骤S01，获取UR5机械臂的第一数据和实际工作场景中障碍物的第二数据，并建立虚拟场景，其中，所述虚拟场景中至少包括根据所述第一数据建立的虚拟机械臂模型和根据所述第二数据建立的虚拟障碍物模型。
需要说明的是，机械臂由一些串行连接的关节和连杆组成，每个关节具有一个自由度，平移或旋转。对于具有n个关节的机械臂，关节的编号从1到n，有n +1个连杆，连杆的编号从0到n。连杆0是机械臂的基础，一般是固定的，连杆n上带有末端执行器，关节i连接连杆i和连杆i-1。
具体的，UR5机械臂的第一数据包括关节参数以及尺寸参数，关节参数包括连杆的偏移和关节角度，连杆的偏移即从一个连杆到下一个连杆的关节轴线的距离，关节角度即一个关节相对于下一个关节轴的旋转角度，其中，UR5机械臂存在6个关节，另外，实际工作场景中障碍物的第二数据包括实际工作场景中障碍物的尺寸参数，在建立虚拟场景的过程中，根据障碍物与机械臂的相对位置，对应将虚拟障碍物模型和虚拟机械臂模型放置于虚拟场景中。可以理解的，虚拟场景中也建立有三维坐标系，根据该三维坐标系，将虚拟障碍物模型和虚拟机械臂模型放置于虚拟场景中，通过虚拟场景的三维坐标系，由于虚拟模型均由若干坐标点构成，坐标点的变化即为虚拟模型的变化，从而可以了解虚拟机械臂模型各关节旋转时，整体状态的变化。
步骤S02，根据初始抓取位置，确定虚拟场景中虚拟机械臂模型的初始摆放位置，并根据所述初始摆放位置，建立虚拟机械臂模型的基坐标系，并在虚拟机械臂模型的基坐标系的基础上，建立虚拟机械臂模型各关节的关节坐标系。
在本发明实施例当中，虚拟机械臂模型的运动主要是从A点抓取物品并转移至B点放下，可以理解的，A点即为初始抓取位置，也即确定虚拟场景中虚拟机械臂模型的初始摆放位置，同时，根据右手准则，在虚拟机械臂模型的基坐标系的基础上，建立虚拟机械臂模型各关节的关节坐标系，这样做的目的在于，便于描述每个关节的位置。
对于转动关节i，规定它的转动平行于坐标轴zi-1，坐标轴xi-1对准从zi-1到zi的法线方向，如果zi-1与zi相交，则xi-1取zi-1×zi的方向。连杆，关节参数概括如下:
1.连杆长度表示沿着xi轴从zi-1和z轴之间的距离，可以理解的，也即/>表示为关节坐标系i沿x轴的长度；
2.连杆扭转αi表示从zi-1轴到i轴相对xi-1轴夹角，可以理解的，也即αi表示为关节坐标系i绕x轴的旋转角度；
3.连杆偏移di表示从坐标系i-1的原点沿着zi-1轴到xi轴的距离，可以理解的，也即di表示为关节坐标系i沿z轴的长度；
4.关节角度θi表示xi-1轴和xi轴之间关于zi-1轴的夹角，可以理解的，也即θi表示为关节坐标系i绕z轴的旋转角度。
步骤S03，根据基坐标系，确定虚拟机械臂模型的末端位姿数据，并将末端位姿数据转换为目标变换矩阵，同时，通过Denavit-Hartenberg方法，确定相邻的两个关节坐标系之间的变换关系，得到对应的齐次变换矩阵。
一般的，虚拟机械臂模型的末端位姿数据用6个变量描述，记X=(x，y，z，wx，wy，wz)，前三个值(x，y，z)是三维笛卡尔坐标，表示空间位置，后三个值(wx，wy，wz)是坐标旋转向量，表示空间姿态。具体的，将X通过罗德里格斯变换进行转换，得到目标变换矩阵T，其中，
；
目标变换矩阵T中左上角的3×3矩阵为旋转矩阵，即；
旋转矩阵和旋转向量之间可以通过罗德里格斯变换进行转换，其中，在计算机程序中，opencv里有相应的函数调用，目标变换矩阵T中右上角的3×1矩阵为空间位置(x，y，z)。
同时，通过Denavit-Hartenberg (DH)方法，确定相邻的两个关节坐标系之间的变换关系，得到对应的齐次变换矩阵的步骤中，关节坐标系i与关节坐标系i-1之间的变换关系表示为：
；
表示为关节坐标系i在关节坐标系i-1的齐次变换矩阵，θi表示为关节坐标系i绕z轴的旋转角度，αi表示为关节坐标系i绕x轴的旋转角度，/>表示为关节坐标系i沿x轴的长度，di表示为关节坐标系i沿z轴的长度。
步骤S04，根据所述目标变换矩阵和所述齐次变换矩阵，进行逆解，计算出所有虚拟机械臂模型各关节的转动角度。
在本发明实施例当中，示例性的，虚拟机械臂模型各关节的参数如表1所示，但不限于此，
表1
将上述参数带入关节坐标系i在关节坐标系i-1的齐次变换矩阵中，即可得到所有相邻坐标系的变换矩阵，
；
；
；
；
；
；
首先计算求解目标变换矩阵T过程中的一些中间矩阵：
；
需要说明的是，cos（θ2）缩写为c2，cos（θ3）缩写为c3，sin（θ2）缩写为s2，sin（θ3）缩写为s3， cos(θ2+θ3)缩写为c23，sin(θ2+θ3) 缩写为s23，以此类推。
；
；
由得到/>。计算
，/>，得到
，等式两边矩阵的行列应该分别相等，由第三行第四列得到/>，可解得/>，有两个解。需要说明的是，通过计算机程序求解反正切时，采用函数atan2，返回值为(-π,+π]，且反余弦的返回值为[0,π]，从而保证在2π范围每个解是唯一的。
由第三行第三列得，可解得/>，两个解。由第三行第二列得到/>，可解得/>。
接着由
，
计算，得出等式左边等于矩阵T，，其中，矩阵T，的第一列为：
；
矩阵T，的第二列为：
；
矩阵T，的第三列为：
；
矩阵T，的第四列为：
。
由，两边平方，令/>，。
同样，令/>，。
两式相加得到，则/>，有两个解。
把θ3带入和/>，得，/>，其中t2=tanθ2。两式消去c2，得到/>。
最后得到，从而得到θ4。综合有两个解的情况，逆解总共存在2×2×2=8组解，可以任取一组可行解。
步骤S05，依次判断虚拟机械臂模型各关节的转动角度下所对应的虚拟机械臂模型是否与虚拟障碍物模型干涉，若是，则执行步骤S06。
为了保证实际运行过程中的有效性，需要了解机械臂是否会与障碍物碰撞，具体的，依次判断虚拟机械臂模型各关节的转动角度下所对应的虚拟机械臂模型是否与虚拟障碍物模型干涉，具体的，根据基坐标系，确定虚拟障碍物模型中边界区域坐标点；确定虚拟机械臂模型上的目标端点，该目标端点可以为远离虚拟机械臂模型基座的点，依次获取虚拟机械臂模型各关节的转动角度范围内所对应的虚拟机械臂模型上目标端点的目标点坐标，可以理解的，以上述8组解为例，每组解中均有对应的各关节的转动角度，根据一组解中各关节的转动角度控制虚拟机械臂模型运动，获取目标端点的目标点坐标；判断是否存在目标点坐标与边界区域坐标点相同时刻，也即判断虚拟机械臂模型的目标端点是否会与虚拟障碍物模型表面接触，其中，目标点坐标和边界区域坐标点都是基于同一坐标系下进行确定的；若是，说明该转动角度下所对应的虚拟机械臂模型与虚拟障碍物模型干涉，则执行将与虚拟障碍物模型干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度删除，保留与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度的步骤。
步骤S06，则将与虚拟障碍物模型干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度删除，保留与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度。
步骤S07，确定与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度中，虚拟机械臂模型移动耗能最小的各关节的转动角度，作为最优仿真结果输出。
具体的，根据与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度，分别在虚拟场景中绘制出目标端点的目标轨迹，分别计算目标轨迹的长度，也即目标轨迹上相邻目标端点距离之和；判断各目标轨迹的长度中，是否存在最小长度，即判断各目标轨迹的长度中，最小长度对应的目标轨迹是否唯一；若存在最小长度，则将目标轨迹为最小长度对应的各关节的转动角度作为最优仿真结果输出；若不存在最小长度，则获取目标轨迹均为最小长度时的各关节的转动角度，并分别将每个目标轨迹对应的各关节的转动角度求和，确定各关节的转动角度之和的最小值，需要说明的是，由于各关节的转动有顺时针旋转和逆时针旋转的区别，在计算机程序上显示为正负数，一般的，正数表示为顺时针旋转，负数表示为逆时针旋转，在求和计算时，以各关节的转动角度的绝对值进行求和；将各关节的转动角度之和的最小值对应的各关节的转动角度作为最优仿真结果输出。
需要说明的是，获取目标轨迹均为最小长度时的各关节的转动角度，并分别将每个目标轨迹对应的各关节的转动角度求和，确定各关节的转动角度之和的最小值的步骤之后还包括：
判断各关节的转动角度之和的最小值是否唯一；
若是，则执行将各关节的转动角度之和的最小值对应的各关节的转动角度作为最优仿真结果输出的步骤；
若否，则根据各关节转动所需承载重量，确定各关节的权重系数，并将各关节的权重系数与对应关节的转动角度相乘，得到评价值，具体的，转动所需承载重量越大，对应的权重系数也越大，需预先建立承载重量与权重系数的映射关系，该映射关系用于输入承载重量，输出对应的权重系数，具体可以根据实际情况设置，而关节转动所需承载重量指的是关节转动而带动的连杆的重量，评价值的表达式为：
P=γ1|θ1|+γ2|θ2|+γ3|θ3|+γ4|θ4|+γ5|θ5|+γ6|θ6|；
其中，γ1至γ6表示关节1至关节6的权重系数，|θ1|表示关节坐标系1绕z轴的旋转角度的绝对值，同理，|θ2|、|θ3|、|θ4|、|θ5|及|θ6|分别表示对应关节坐标系绕z轴的旋转角度的绝对值；
最后，将评价值的最小值对应的各关节的转动角度作为最优仿真结果输出。
综上，本发明上述实施例当中的基于Unity平台的机械臂仿真方法，通过建立包含虚拟机械臂模型和虚拟障碍物模型的虚拟场景，确定虚拟机械臂模型的初始位置，并建立相应的基坐标系和各关节的关节坐标系，再根据末端位姿数据，并将末端位姿数据转换为目标变换矩阵，同时，通过Denavit-Hartenberg方法，确定相邻的两个关节坐标系之间的变换关系，得到对应的齐次变换矩阵，在已知目标变换矩阵和齐次变换矩阵的基础上，计算出各关节的转动角度，然后排除各关节的转动角度中与虚拟障碍物模型干涉的转动角度，最后在剩下的各关节的转动角度中确定移动耗能最小的各关节的转动角度，并输出，由于选择出最佳转动角度，可以在一定程度上降低机械手臂在实际环境中能耗及损耗。
实施例二
请参阅图2，图2是本发明实施例二提供的一种基于Unity平台的机械臂仿真系统200的结构框图，通过Unity与机械臂建立数据连接，包括：虚拟场景建立模块21、坐标系建立模块22、转换模块23、计算模块24、判断模块25、筛选模块26以及输出模块27，其中：
虚拟场景建立模块21，用于获取机械臂的第一数据和实际工作场景中障碍物的第二数据，并建立虚拟场景，其中，所述虚拟场景中至少包括根据所述第一数据建立的虚拟机械臂模型和根据所述第二数据建立的虚拟障碍物模型；
坐标系建立模块22，用于根据初始抓取位置，确定虚拟场景中虚拟机械臂模型的初始摆放位置，并根据所述初始摆放位置，建立虚拟机械臂模型的基坐标系，并在虚拟机械臂模型的基坐标系的基础上，建立虚拟机械臂模型各关节的关节坐标系；
转换模块23，用于根据基坐标系，确定虚拟机械臂模型的末端位姿数据，并将末端位姿数据转换为目标变换矩阵，同时，通过Denavit-Hartenberg方法，确定相邻的两个关节坐标系之间的变换关系，得到对应的齐次变换矩阵；
计算模块24，用于根据所述目标变换矩阵和所述齐次变换矩阵，进行逆解，计算出所有虚拟机械臂模型各关节的转动角度；
判断模块25，用于依次判断虚拟机械臂模型各关节的转动角度下所对应的虚拟机械臂模型是否与虚拟障碍物模型干涉；
筛选模块26，用于当判断虚拟机械臂模型各关节的转动角度下所对应的虚拟机械臂模型与虚拟障碍物模型干涉时，则将与虚拟障碍物模型干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度删除，保留与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度；
输出模块27，用于确定与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度中，虚拟机械臂模型移动耗能最小的各关节的转动角度，作为最优仿真结果输出。
进一步的，在本发明一些可选实施例当中，所述判断模块25包括：
边界区域坐标点确定单元，用于根据基坐标系，确定虚拟障碍物模型中边界区域坐标点；
目标点坐标获取单元，用于确定虚拟机械臂模型上的目标端点，依次获取虚拟机械臂模型各关节的转动角度范围内所对应的虚拟机械臂模型上目标端点的目标点坐标；
第一判断单元，用于判断是否存在目标点坐标与边界区域坐标点相同时刻。
进一步的，在本发明一些可选实施例当中，所述输出模块27包括：
目标轨迹长度计算单元，用于根据与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度，分别在虚拟场景中绘制出目标端点的目标轨迹，分别计算目标轨迹的长度；
第二判断单元，用于判断各目标轨迹的长度中，是否存在最小长度；
第一输出单元，用于若存在最小长度，则将目标轨迹为最小长度对应的各关节的转动角度作为最优仿真结果输出；
求和单元，用于若不存在最小长度，则获取目标轨迹均为最小长度时的各关节的转动角度，并分别将每个目标轨迹对应的各关节的转动角度求和，确定各关节的转动角度之和的最小值；
第二输出单元，用于将各关节的转动角度之和的最小值对应的各关节的转动角度作为最优仿真结果输出。
进一步的，在本发明一些可选实施例当中，所述输出模块27还包括：
第三判断单元，用于判断各关节的转动角度之和的最小值是否唯一；
执行单元，用于当判断各关节的转动角度之和的最小值唯一时，则执行第二输出单元；
评价值计算单元，用于当判断各关节的转动角度之和的最小值不唯一时，则根据各关节转动所需承载重量，确定各关节的权重系数，并将各关节的权重系数与对应关节的转动角度相乘，得到评价值；
第三输出单元，用于将评价值的最小值对应的各关节的转动角度作为最优仿真结果输出。
实施例三
本发明另一方面还提出一种电子设备，请参阅图3，所示为本发明实施例三当中的电子设备，包括存储器20、处理器10以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序30，所述处理器10执行所述计算机程序30时实现如上述的基于Unity平台的机械臂仿真方法。
其中，处理器10在一些实施例中可以是中央处理器（Central Processing Unit,CPU）、控制器、微控制器、微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器20中存储的程序代码或处理数据，例如执行访问限制程序等。
其中，存储器20至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器（例如，SD或DX存储器等）、磁性存储器、磁盘、光盘等。存储器20在一些实施例中可以是电子设备的内部存储单元，例如该电子设备的硬盘。存储器20在另一些实施例中也可以是电子设备的外部存储装置，例如电子设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（Secure Digital, SD）卡，闪存卡（FlashCard）等。进一步地，存储器20还可以既包括电子设备的内部存储单元也包括外部存储装置。存储器20不仅可以用于存储电子设备的应用软件及各类数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
需要指出的是，图3示出的结构并不构成对电子设备的限定，在其它实施例当中，该电子设备可以包括比图示更少或者更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述的基于Unity平台的机械臂仿真方法。
本领域技术人员可以理解，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或它们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于Unity平台的机械臂仿真方法，其特征在于，通过Unity与机械臂建立数据连接，所述方法包括：
获取机械臂的第一数据和实际工作场景中障碍物的第二数据，并建立虚拟场景，其中，所述虚拟场景中至少包括根据所述第一数据建立的虚拟机械臂模型和根据所述第二数据建立的虚拟障碍物模型；
根据初始抓取位置，确定虚拟场景中虚拟机械臂模型的初始摆放位置，并根据所述初始摆放位置，建立虚拟机械臂模型的基坐标系，并在虚拟机械臂模型的基坐标系的基础上，建立虚拟机械臂模型各关节的关节坐标系；
根据基坐标系，确定虚拟机械臂模型的末端位姿数据，并将末端位姿数据转换为目标变换矩阵，同时，通过Denavit-Hartenberg方法，确定相邻的两个关节坐标系之间的变换关系，得到对应的齐次变换矩阵；
根据所述目标变换矩阵和所述齐次变换矩阵，进行逆解，计算出所有虚拟机械臂模型各关节的转动角度；
依次判断虚拟机械臂模型各关节的转动角度下所对应的虚拟机械臂模型是否与虚拟障碍物模型干涉；
若是，则将与虚拟障碍物模型干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度删除，保留与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度；
确定与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度中，虚拟机械臂模型移动耗能最小的各关节的转动角度，作为最优仿真结果输出；
所述依次判断虚拟机械臂模型各关节的转动角度下所对应的虚拟机械臂模型是否与虚拟障碍物模型干涉的步骤包括：
根据基坐标系，确定虚拟障碍物模型中边界区域坐标点；
确定虚拟机械臂模型上的目标端点，依次获取虚拟机械臂模型各关节的转动角度范围内所对应的虚拟机械臂模型上目标端点的目标点坐标；
判断是否存在目标点坐标与边界区域坐标点相同时刻；
若是，说明该转动角度下所对应的虚拟机械臂模型与虚拟障碍物模型干涉，则执行将与虚拟障碍物模型干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度删除，保留与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度的步骤。
2.根据权利要求1所述的基于Unity平台的机械臂仿真方法，其特征在于，所述确定与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度中，虚拟机械臂模型移动耗能最小的各关节的转动角度，作为最优仿真结果输出的步骤包括：
根据与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度，分别在虚拟场景中绘制出目标端点的目标轨迹，分别计算目标轨迹的长度；
判断各目标轨迹的长度中，是否存在最小长度；
若存在最小长度，则将目标轨迹为最小长度对应的各关节的转动角度作为最优仿真结果输出；
若不存在最小长度，则获取目标轨迹均为最小长度时的各关节的转动角度，并分别将每个目标轨迹对应的各关节的转动角度求和，确定各关节的转动角度之和的最小值；
将各关节的转动角度之和的最小值对应的各关节的转动角度作为最优仿真结果输出。
3.根据权利要求2所述的基于Unity平台的机械臂仿真方法，其特征在于，所述获取目标轨迹均为最小长度时的各关节的转动角度，并分别将每个目标轨迹对应的各关节的转动角度求和，确定各关节的转动角度之和的最小值的步骤之后还包括：
判断各关节的转动角度之和的最小值是否唯一；
若是，则执行将各关节的转动角度之和的最小值对应的各关节的转动角度作为最优仿真结果输出的步骤；
若否，则根据各关节转动所需承载重量，确定各关节的权重系数，并将各关节的权重系数与对应关节的转动角度相乘，得到评价值；
将评价值的最小值对应的各关节的转动角度作为最优仿真结果输出。
4.根据权利要求1所述的基于Unity平台的机械臂仿真方法，其特征在于，所述根据基坐标系，确定虚拟机械臂模型的末端位姿数据，并将末端位姿数据转换为目标变换矩阵的步骤中，末端位姿数据通过罗德里格斯变换进行转换。
5.根据权利要求4所述的基于Unity平台的机械臂仿真方法，其特征在于，所述通过Denavit-Hartenberg方法，确定相邻的两个关节坐标系之间的变换关系，得到对应的齐次变换矩阵的步骤中，关节坐标系i与关节坐标系i-1之间的变换关系表示为：
；
表示为关节坐标系i在关节坐标系i-1的齐次变换矩阵，θi表示为关节坐标系i绕z轴的旋转角度，αi表示为关节坐标系i绕x轴的旋转角度，/>表示为关节坐标系i沿x轴的长度，di表示为关节坐标系i沿z轴的长度。
6.根据权利要求5所述的基于Unity平台的机械臂仿真方法，其特征在于，所述根据所述目标变换矩阵和所述齐次变换矩阵，进行逆解，计算出所有虚拟机械臂模型各关节的转动角度的步骤中，通过计算机程序求解反正切时，采用函数atan2，返回值为(-π,+π]，且反余弦的返回值为[0,π]。
7.一种基于Unity平台的机械臂仿真系统，其特征在于，通过Unity与机械臂建立数据连接，所述系统包括：
虚拟场景建立模块，用于获取机械臂的第一数据和实际工作场景中障碍物的第二数据，并建立虚拟场景，其中，所述虚拟场景中至少包括根据所述第一数据建立的虚拟机械臂模型和根据所述第二数据建立的虚拟障碍物模型；
坐标系建立模块，用于根据初始抓取位置，确定虚拟场景中虚拟机械臂模型的初始摆放位置，并根据所述初始摆放位置，建立虚拟机械臂模型的基坐标系，并在虚拟机械臂模型的基坐标系的基础上，建立虚拟机械臂模型各关节的关节坐标系；
转换模块，用于根据基坐标系，确定虚拟机械臂模型的末端位姿数据，并将末端位姿数据转换为目标变换矩阵，同时，通过Denavit-Hartenberg方法，确定相邻的两个关节坐标系之间的变换关系，得到对应的齐次变换矩阵；
计算模块，用于根据所述目标变换矩阵和所述齐次变换矩阵，进行逆解，计算出所有虚拟机械臂模型各关节的转动角度；
判断模块，用于依次判断虚拟机械臂模型各关节的转动角度下所对应的虚拟机械臂模型是否与虚拟障碍物模型干涉；
筛选模块，用于当判断虚拟机械臂模型各关节的转动角度下所对应的虚拟机械臂模型与虚拟障碍物模型干涉时，则将与虚拟障碍物模型干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度删除，保留与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度；
输出模块，用于确定与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度中，虚拟机械臂模型移动耗能最小的各关节的转动角度，作为最优仿真结果输出；
所述判断模块包括：
边界区域坐标点确定单元，用于根据基坐标系，确定虚拟障碍物模型中边界区域坐标点；
目标点坐标获取单元，用于确定虚拟机械臂模型上的目标端点，依次获取虚拟机械臂模型各关节的转动角度范围内所对应的虚拟机械臂模型上目标端点的目标点坐标；
第一判断单元，用于判断是否存在目标点坐标与边界区域坐标点相同时刻，若是，说明该转动角度下所对应的虚拟机械臂模型与虚拟障碍物模型干涉，则执行将与虚拟障碍物模型干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度删除，保留与虚拟障碍物模型不干涉对应的虚拟机械臂模型各关节的转动角度的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1－6任一项所述的基于Unity平台的机械臂仿真方法。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1－6任一项所述的基于Unity平台的机械臂仿真方法。
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