基于V-REP平台的关节机器人的设计与仿真

胡俊前 杨群

摘要：通过使用V-REP平台的仿真来设计出一个能够满足预期要求的五关节机器人。通过对结构方案以及各部位大小的选择，确立了五关节机器人的设计方向。在设计中使用了pro/e对设计好的五关节机器人进行3D建模，并用V-REP软件对其进行仿真，以校核该机器人是否能够达到预期的要求，之后根据仿真结果对所设计出来的五关节机器人进行优化及改进。

关键词：节机器人;建模;仿真;V-REP平台

0前言

关节机器人作为机器人分类中最为广泛的一种，基于它的结构较为简单，容易制造，运行稳定可靠，便于维修，是当今工业领域中最常见的工业机器人的形态之一，适合用于许多工业领域的机械自动化作业。所以关节机器人的更新换代是非常快的。本文主要研究一种自由度高的五关节机器人，通过设计结构以及具体尺寸设计出一个五关节机器人，然后进行三维建模，最后利用V-REP平台来进行仿真模拟，对结果进行改进以及优化，最后得到一个五关节机器人。

1 关节机器人的结构设计

五关节机器人的总体结构原理如图1所示，由底座，肩部，肘部，以及手腕部分组成，本设计要求是让五关节机器人能够在500mm*500mm*500mm的范围内随意运行，所以需要机器人能够到达图示的三个极限位置。分别为：顶部任一顶点，底部任一顶点以及底座附近任意一点。若能够达到要求，则机器人能够在范围内随意运行。

2 三维建模

三维建模是根据关节机器人的结构原理确定各部件的实体模型，以及各部件之间的连接方式和选择轴线的位置。在这些部位模型建立好之后一一保存，之后使用proe的组件设计功能根据设计方案组装起来，最终得到的模型如图3所示。

虚线表示各个旋转轴，各关节绕其旋转。

最终组装完成的五关节机器人模型，由底座，机构外壳以及大臂小臂组成，各部位之间使用孔轴连接，确保各关节能够在其内的伺服电机的作用下进行运动，从而带动五关节机器人的运动，为之后进行V-REP仿真打下基础。

3 运动仿真

1）模型的导入及前置处理

在进行仿真之前，需要将建立好的模型导入v-rep软件中，然后将这个模型的各部位分成独立的结构，删除一些对仿真没有用处的零件，对剩下的零件进行重命名方便识别与选择。之后提取关键特征，添加运动关节。由于stl文件导入进去的都是一堆三角面片的组合，所以我们需要从这些三角形中提取出圆柱体，然后利用圆柱体去定位关节位置。在定位完成之后，就可以建立旋转关节并将关节与圆柱体进去重合了。用这方法分别建立五个关节，关节的命名分别为UR10_joint1，UR10_joint2，UR10_joint3，UR10_joint4，UR10_joint5。

建立完旋转轴之后需要提取实体特征。考虑到机械臂的特性，我们将其提取为凸面体。在这些都完成之后，开始为机器人设置動力学属性，设置完之后就可以控制机器人的运动了。

导入之后的模型为一个整体，所以需将其分成一个个零件，使用Edit中Grouping/Merging里的Divide selected shapes功能将其分成6个部位。在分割完成之后对每个部位进行重新命名，方便后期使用及操作。完成重命名之后，对每个零件进行提取特征并建立旋转轴，在这之前，为了防止发生错位导致模型损坏，新建一个scene，将需要提取特征的零件复制进去，完成之后再将特征以及旋转轴复制回原文件。

之后点击平移按钮，点击Apply to selection将关节移动到圆柱体处，得到一个关节，完成之后按照上述操作流程提取其他关节。

关节提取好之后需提取实体特征，提取凸面体结构，将所有结构拷贝到新的scene中，选择其中一个结构点击Edit中的Morph selection into convex shapes，得到第一个实体，之后按照这种方法对其他组件执行同样的操作。完成之后将其复制回原scene，并对其设置动力学属性。

1）结果分析

根据仿真时五关节机器人的表现以及状态来看，机器人在设定范围顶部，底部都可以很好的运行。但是在机器人底座附近并不能运行。从运动过程来看，这是由于设计时未考虑大臂尺寸与小臂尺寸之间可能会发生的冲突，所以设计的大臂过短，小臂过长。在夹取底座附件的物品时，夹爪会因为小臂过长而很难到达指定位置，强行往其靠近就会触碰到地面发生碰撞。大臂与小臂之间也可能会发生冲突，可能会导致机器人碰撞或者产生限位现象，所以想要改进就需要对大臂以及小臂的长度进行重新设定。

2）改进

根据仿真结果得出改进方式应将大臂长度增大，小臂长度减小，且不能使小臂长度以及夹爪安装座的长度之和小于大臂长度导致无法触碰到底座附近。从而让机器人更加方便的到达底座附近的位置并且不发生碰撞或者产生限位现象。所以将大臂的长度改为300mm，小臂长度改为300mm。在改进完之后重新进行建模与仿真，观察是否得到改善。

如图2，在进行改进后，五关节机器人就可以更方便的到达底座附近，且不会发生碰撞。所以将大臂缩短，小臂增长的改进方法是正确的选择。

5 结论

本文首先介绍了机器人以及仿真平台的发展现状和基本概念，然后在机器人研究的基础上进一步研究机器人的仿真的应用，实现机器人设计完成之后的校验，给机器人研究者带来极大的便利。在设计过程中，V-REP平台的使用能够解决很多问题，比如如何使机器人在运动过程中不发生碰撞，不产生限位，到达指定位置。这些问题通过仿真都可以实现，所以一个好的仿真软件对于机器人的设计来说是非常重要的。

参考文献

[1] 乐斌，曾兴斌. V-REP机器人仿真远程控制方法研究[J].工业控制计算机2018，（09）：41-43

[2] 相铁武.Stewart并联机器人仿真系统实现分析[J].中国设备工程，2020（06）：32-33.

[3] 李敏.VR技术在采摘机器人仿真系统中的应用研究[J].农机化研究，2019，41（05）：197-201.

基金项目：芜湖职业技术学院2019年自然科学重点项目“基于V-REP平台机器人仿真的建模与设计的研究”（Wzyzrzd201902）;芜湖市科技计划项目“远程抄表（水表）设备研究”（2017cg09）