許浩燕，ABBA Gabriel，滿慶豐，夏繼強(qiáng)

(1.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院 工業(yè)測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究室,北京 100191； 2.法國國立高等工程技術(shù)學(xué)校 LCFC實(shí)驗(yàn)室，法國 梅茲 57070)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)處理能力的迅速增長、高速3D圖形硬件的出現(xiàn)以及大量開放的軟件和硬件標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，使得3D機(jī)器人仿真領(lǐng)域的格局發(fā)生了很大改變[1-2]。這為我們提供了硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真(用實(shí)際控制器來控制虛擬對象)的可能，或是通過仿真框架來控制移動(dòng)/嵌入式系統(tǒng)。

V-REP(Virtual Robot Experimentation Platform)是由瑞士Coppelia公司開發(fā)的一款機(jī)器人仿真軟件，支持Windows、MacOS和Linux系統(tǒng)。它集成開發(fā)環(huán)境，基于分布式控制結(jié)構(gòu)，每個(gè)仿真對象或模型可分別由嵌入式腳本、插件、ROS(Robot Operating System，機(jī)器人操作系統(tǒng))節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程API(Application Programming Interface，應(yīng)用程序接口)客戶端或者自定義的解決方案來單獨(dú)控制。V-REP提供了多種機(jī)器人模型，大大便捷了機(jī)器人仿真。通過該軟件我們可以進(jìn)行工廠自動(dòng)化系統(tǒng)模擬、遠(yuǎn)程監(jiān)控、硬件控制、安全性檢查和控制算法開發(fā)等[3]。

本文的第一部分描述了V-REP的整體框架，其模塊化和分布式框架有助于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的場景，各種傳感器和執(zhí)行器可以根據(jù)自己的速率和特性同時(shí)異步地運(yùn)行。第二部分概述機(jī)器人或模型的控制方法。第三部分介紹機(jī)器人關(guān)節(jié)的控制方法，即位置、速度和力矩控制，并通過仿真實(shí)例介紹V-REP與MATLAB的通信方式。

1 V-REP框架

V-REP是圍繞著多功能框架而設(shè)計(jì)的，具有各種相對獨(dú)立的功能，可以根據(jù)用戶的需要來啟用或禁用。

我們想象一個(gè)仿真場景，一個(gè)工業(yè)機(jī)器人要拿起盒子并將它們移動(dòng)到另一個(gè)地方。在這種情況下，V-REP對抓取并握住盒子這一行為進(jìn)行動(dòng)力學(xué)運(yùn)算，而對其他可忽略力學(xué)效應(yīng)的部分進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。這種方法可以快速、精確地計(jì)算工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

1.1 場景對象

V-REP中的實(shí)體包括場景對象(scene object)和集合(collection)。場景對象是V-REP中用于搭建仿真場景的主要元素，主要包括形狀、關(guān)節(jié)、圖、光、攝像機(jī)、鏡子、路徑、視覺傳感器和力傳感器等。下面簡要介紹其中幾個(gè)對象及其作用。

(1) 關(guān)節(jié)：是用于連接兩個(gè)或多個(gè)場景對象的運(yùn)動(dòng)低副，其至少有一個(gè)自由度。

(2) 力傳感器：是兩個(gè)對象之間的剛性連接，用于測量傳遞力和力矩。

(3) 路徑：用于定義空間中的軌跡，可以用于路徑規(guī)劃、傳送帶輸送仿真和機(jī)器人末端臂的導(dǎo)引等。

1.2 計(jì)算模塊

場景對象通常不會單獨(dú)出現(xiàn)，而是由多個(gè)對象同時(shí)出現(xiàn)、協(xié)同作用。V-REP擁有強(qiáng)大的計(jì)算功能，并作用在這些對象上。V-REP中包含能實(shí)現(xiàn)快速干涉檢測的沖突檢測模塊、用于測量兩個(gè)實(shí)體間最短路徑的最短距離計(jì)算模塊、運(yùn)動(dòng)學(xué)解算模塊、幾何約束求解模塊、路徑和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模塊[4]以及動(dòng)力學(xué)模塊。

動(dòng)力學(xué)模塊可用于動(dòng)態(tài)地模擬對象或模型的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)它們之間的相互作用(如碰撞反應(yīng)、物體的抓取等)，這由V-REP中的4個(gè)物理引擎(Bullet、ODE、Vortex和Newton)來實(shí)現(xiàn)。選擇合適的物理引擎有助于提高仿真的速度和精度。這些計(jì)算模塊使我們能夠模擬真實(shí)的物理環(huán)境，為位置求解、路徑設(shè)計(jì)等提供了方便。

2 仿真控制方法

V-REP支持多種編程方法來控制仿真，并且這些方法相互兼容，可以同時(shí)使用。

ROS節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行機(jī)制和遠(yuǎn)程API類似，不過ROS節(jié)點(diǎn)可以連接多個(gè)進(jìn)程，而且有大量的可兼容的庫可使用。我們也可以通過編寫外部應(yīng)用程序來控制仿真，通過套接字或者串口等方式與V-REP腳本或插件實(shí)現(xiàn)通信。

我們選擇MATLAB作為外部應(yīng)用程序來進(jìn)行機(jī)器人仿真。該方法便于操作，仿真速度快，利用V-REP的內(nèi)部函數(shù)和MATLAB的功能可以完全實(shí)現(xiàn)我們的仿真需求，獲得直觀的仿真結(jié)果。

3 關(guān)節(jié)的控制方法及仿真實(shí)例

關(guān)節(jié)是人形機(jī)器人中的重要組成部分，本文使用富士通公司的小型人形機(jī)器人HOAP3來進(jìn)行仿真，該機(jī)器人共有28個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，共28個(gè)自由度。我們通過力矩或力模式對關(guān)節(jié)進(jìn)行控制并仿真。

在對機(jī)器人HOAP3建模后將其導(dǎo)入V-REP場景中，如圖1所示。

圖1 人形機(jī)器人HOAP3建模

我們分別使用位置、速度和力矩來控制關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，通過MATLAB編程來實(shí)現(xiàn)仿真。

3.1 位置控制

首先啟用關(guān)節(jié)電機(jī)和控制環(huán)，選用PID控制器。然后通過MATLAB編程來給定頭部俯仰關(guān)節(jié)的位置，以獲得預(yù)期的角度變化。

我們將角度設(shè)置為從-45°～+15°變化，每次增加5°。每次給V-REP仿真場景中的HOAP3機(jī)器人發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令后，讀取當(dāng)前的角度值,仿真結(jié)果如圖2所示。

3.2 速度控制

啟用關(guān)節(jié)電機(jī)，禁用控制環(huán)，關(guān)節(jié)會從0開始加速直到達(dá)到給定的速度為止。將右臂肘關(guān)節(jié)的目標(biāo)速度設(shè)為-10°/s，最大力矩為10 N·m。力矩始終為正值，因此需要通過改變速度的正負(fù)來控制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的方向。設(shè)定了4 s的仿真時(shí)間，從36.7 s～40.7 s，不斷讀取速度和力矩的瞬間值。速度控制下的角度變化如圖3所示，右臂肘關(guān)節(jié)從36.7 s起逐漸加速，約經(jīng)歷0.4 s后達(dá)到目標(biāo)速度-10°/s，而后角度保持勻速增加，表示其以恒定速度運(yùn)動(dòng)直到仿真結(jié)束。速度控制下的力矩變化如圖4所示，從仿真開始，力矩一直維持在設(shè)定的值10 N·m，直到肘關(guān)節(jié)達(dá)到目標(biāo)速度，也即0.4 s后，力矩開始變小，降至0.2 N·m左右。力矩在0.4 N·m的范圍內(nèi)略有波動(dòng)，但幅度不大。

圖2位置控制下的頭部府仰關(guān)節(jié)角度變化圖3速度控制下的角度變化

3.3 力矩控制

要使關(guān)節(jié)在恒定的力矩下運(yùn)動(dòng)，也需要啟用關(guān)節(jié)電機(jī)，禁用控制環(huán)。由于在該模式下，關(guān)節(jié)會保持恒定力矩直到達(dá)到目標(biāo)速度為止，因此需要給關(guān)節(jié)設(shè)定一個(gè)極大的目標(biāo)速度值以使其運(yùn)行在給定的力矩下。此次仿真中我們用力矩控制左臂的抬起，設(shè)定力矩為3 N·m，目標(biāo)速度為-99 999°/s。仿真得到的力矩變化如圖5所示，在仿真的4 s內(nèi)，力矩始終維持在3 N·m；仿真得到的角度變化如圖6所示，轉(zhuǎn)動(dòng)速度越來越快，直至仿真結(jié)束。

圖4速度控制下的力矩變化圖5力矩控制下的力矩變化圖6力矩控制下的角度變化

4 結(jié)論

V-REP的模塊化結(jié)構(gòu)和分布式控制方式符合當(dāng)前復(fù)雜機(jī)器人系統(tǒng)的仿真需求，它提供了多種控制方式和編程語言，選擇合適的仿真方式可以降低任務(wù)的復(fù)雜度，提高仿真效率。在對人形機(jī)器人的仿真中，可以根據(jù)需要對各個(gè)關(guān)節(jié)采用不同的控制方法，以達(dá)到對位置、速度或力矩控制的預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] Freese M,Singh S,Ozaki F,et al.Virtual robot experimentation platform V-REP:A versatile 3D robot simulator[C]//Simulation,Modeling,and Programming for Autonomous Robots-Second International Conference,SIMPAR 2010.Darmstadt:[s.n.], 2010:51-62.

[2] Rohmer E,Singh S P N,Freese M.V-REP:A versatile and scalable robot simulation framework[C]// Ieee/rsj International Conference on Intelligent Robots and Systems.[s.l.]:IEEE,2013:1321-1326.

[3] Coppelia Robotics.V-REP[EB/OL].2014-02-10.http://www.coppeliarobotics.com.

[4] Reddy K K,Praveen K.Path planning using VREP[J].International Journal of Research in Engineering and Technology,2013,2(9):94-97.