一种基于制造技术

本发明专利技术提供了一种基于

【技术实现步骤摘要】
一种基于Unity平台的机械臂仿真方法及系统


[0001]本专利技术属于机械臂仿真
，具体涉及一种基于
Unity
平台的机械臂仿真方法及系统
。

技术介绍

[0002]机械手臂是机械人
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
。
[0003]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
。
[0004]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
。

技术实现思路

[0005]基于此，本专利技术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
。
[0006]本专利技术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
。
[0007]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
。
[0008]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
。
[0009]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
。
[0010]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
。
[0011]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，
θ
i
表示为关节坐标系
i
绕
z
轴的旋转角度，
α
i
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，
d
i
表示为关节坐标系
i
沿
z
轴的长度
。
[0012]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
]。
[0013]本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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
。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
。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
。4.
根据权利要求3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
。5.
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓敏，张琨，
申请(专利权)人：江西格如灵科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：