基于VRML的切削加工机器人建模及仿真方法研究

第２ｌ卷第１期　山东理工大学学报（自然科学版）　Ｖ０１．２１　ＮＯ．１　２００７年１月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｓｅｉ＆Ｔｅｃｈ）　Ｊａｎ．２００７　文章编号：１６７２—６１９７（２００７）０１＂００２５—０３　基于ＶＲＭＬ的切削加工机器人　建模及仿真方法研究　高　超　，王效岳　，张玉海　（１．山东理工大学机械工程学院，山东淄博２５５０４９；　２．淄博市公路局工程处，山东淄博２５５２００）　摘　要：论述了ＶＲＭＬ的特点和组成，研究了用ＶＲＭＬ语言建模和仿真的方法．以一种切削加　工机器人为例，介绍了其结构和组成，对其进行了运动分析，并运用ＶＲＭＬ建模和仿真方法对其　加工过程进行了仿真．　关键词：虚拟现实；ＶＲＭＬ）建模；仿真；切削加工机器人　中图分类号：ＴＰ２４２．２　文献标识码：Ａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ａ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ａ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｒｏｂｏｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＶＲＭＬ　ＧＡ０　Ｃｈａｏ　，ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｙｕｅ　，ＺＨＡＮＧ　Ｙｕ—ｈａｉ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｉｂｏ　２５５０４９，Ｃｈｉｎａ）　２．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆ　Ｚｉｂｏ，Ｚｉｂｏ　２５５　２００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ＶＲＭＬ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｉｍｕ—　ｌａｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂｙ　ＶＲＭＬ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｒｏｂｏｔ　ｉｓ　ｔａｋｅｎ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｔｏ　ｅｘｐｌａｉｎ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｐａｒｔｓ　ｏｆ　ａ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｒｏｂｏｔ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏｂｏｔ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ａｎａｌｙｚｅｄ）ｆｉｎａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌ　ｒｅａｌｉｔｙ￣ＶＲＭＬ；ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ；ｃｕｔｔｉｎｇ　ｒｏｂｏｔ　随着计算机性能的不断提高，机器人仿真技　人工智能、传感技术、仿真技术、人机接口技术及　术也在不断提高，从最初的数字仿真，到二维机构　高度并行的实时计算技术等为一体的综合集成技　筒图仿真，到目前的三维图形仿真．机器人仿真技　术．它在事故重显、自然现象模拟、影视制作、游戏　术为机器人的设计和研究提供了一种方便的工　娱乐等方面有巨大的应用价值和发展潜力，为智　具，同时它也为机器人的开发应用提供了方便而　能工程的应用提供了新的工具，并为各类工程的　安全的试验手段．虚拟现实技术是２０世纪末发展　数据分析和仿真提供了新的方法［１］．　起来的涉及众多学科的高新实用技术，是集先进　本文研究了利用虚拟现实建模语言ＶＲＭＬ　收藕日期：２００６—０３—２４　作奢筒介：高超（１９７９一），男，硕士研究生．　维普资讯 http://www.cqvip.com

２６　山东理工大学学报（自然科学版）　进行机器人虚拟现实建模及仿真的一种方法，并　以切削加工机器人为例进行了说明．　１　ＶＲＭＬ语言简介　虚拟现实建模语言（ＶＲ￣Ⅱ．）是一项新技术，它　涉及到多媒体通讯、因特网和虚拟现实等领域，其基　本目标是实现在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上的具有交互能力的三维　多媒体技术和规范．在ＶＲＭＬ中的虚拟环境是用场　景图来描述的，场景图的基本单元称为节点（Ｎｏｄｅ），　节点以层次关系联系在一起．节点间可以通过事件　进行信息传递，事件通过场景图传播．检测器节点　（Ｓｅｎｓｏｒ）能够检测用户所发出的动作或已预先设定　时间延时，从而产生初始事件，这是交互性和动态行　为的基础．通过脚本节点（Ｓｃｒｉｐｔ），可以利用以Ｊａｖａ，　ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ语言编写的程序代码，编写各种自定义的　行为．常用的基本动态行为可以利用插补器节点（Ｉｎ—　ｔｅｒｐｏｌａｔｏｒ）进行插值计算，插补器是内置的脚本，只　要设定好参数，就能产生相应的动作．　２基于ＶＲＭＬ的建模方法　ＶＲＭＬ是一种描述性语言，通过对物体节点　的描述，建模者可以直接用ＶＲＭＬ语言建立３Ｄ　模型．但ＶＲＭＬ不是造型语言（Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　Ｌａｎ—　ｇｕａｇｅ），它构造的是动态虚拟场景，包含了大量的　不属于造型语言范围的特性．因此，对于复杂的模　型，可以运用第三方的造型软件如３ＤＳＭＡＸ，　Ｐｒｏ／Ｅ，Ｍａｙａ等来实现造型．本文利用了　３ＤＳＭＡＸ来实现机器人造型口］，再通过　３ＤＳＭＡＸ为ＶＲＭＬ语言提供的接口，把　３ＤＳＭＡＸ生成的模型“导出”（Ｅｘｐｏｒｔ）为ＶＲＭＬ　格式的文件．通过编辑ＶＲＭＬ源程序的相关部　分，实现模型的虚拟场景．基于ＶＲＭＬ语言建立　虚拟模型的流程如图ｌ所示．　田１基于ＶＲＭＬ的虚拟麓模流程　２．１　利用３ＤＳＭＡＸ建模　３ＤＳＭＡＸ是当今最流行的三维制作软件之　一，它与ＶＲＭＬ之间有很友好的接口．３ＤＳＭＡＸ　开发者提倡用户用二维线条转换为３Ｄ模型、把方　体转化成可编辑网络或用ＮＵＲＢＳ线条建模．由　此，我们可以建立起绝大部分的精确模型．建立好　的模型用３ＤＳＭＡＸ提供的接口，选择“文件”（Ｆｉｌｅ）　菜单下的“导出”（Ｅｘｐｏｒｔ）选项，在出现的对话框下　的保存类型中选择ＶＲＭＬ９７的文件类型，这样保　存下来的文件就能被支持ＶＲＭＬ的浏览器所识　别、执行．为了提供更多的交互以及动画功能，可以　用ＶＲＭＬｐａｄ打开ＷＲＬ文件，并用ＶＲＭＬ语言描　述运动，结合ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ脚本描述语言的编程，完成　复杂的运动过程　］．　２．２编辑ＶＲＭＬ文件　ＶＲＭＬ语言可以用ＶＲＭＬｐａｄ进行编辑．　ＶＲＭＬｐａｄ是Ｐａｒａｌｌｅｌ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ公司开发的一款　专业的ＶＲＭＩ　编辑工具．对于一个复杂的场景，　可以把每个零件单元分别放在不同的ＶＲＭＬ文　件里，通过文件的引用（在文件中加入Ｉｎｌｉｎｅ节　点）来连接各个部分，再加入Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ节点并　进行修改（Ｉｌｆ于平移、旋转、缩放制造单元），实现　零件单元的合理布置．要实现交互的虚拟场景，只　要在相应的部分添加一些检测器（Ｓｅｎｓｏｒ）和编写　脚本（Ｓｃｒｉｐｔ）程序，通过事件的传递来进行交互，　做出动态的效果＿４］．　３切削加工机器人虚拟建模及仿真　切削加工机器人运动功能由刀具侧和工件侧　双方共同承担，采用模块化设计方法，由单元模块　按互换方式在基础模块上组成不同的功能模块．　在本例中建立的是端铣刀切削加工机器人，其组　成模块有底座回转工作台模块、立柱滑台模块、双　回转模块、单回转模块、主轴头模块等［５］．双回转　模块如图２所示，主轴头模块如图３所示．　将各个模块装配，获得端铣刀切削加工机器　人的三维模型，如图４所示．在输出为ＶＲＭＬ文　件时，可以将每一个元素（模块）分别导出成为　ＶＲＭＬ文件，再通过直接编写ＶＲＭＬ语言来调　整他们的相对位景，也可再次进入３ＤＳＭＡＸ进　行修改．　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　高　超，等：基于ＶＲＭＬ的切削加工机器人建模及仿真方法研究　２７　图２双回转模块　图３主轴头模块　两个变换的起终点相同，故两个变换相同，即　［　丁６］＝［　丁６］　式（１）就是端铣刀切削加工机器人加工运动　解析的基本关系式．通过求解式（１），可以得到实　现刀具与工件之间的相对运动所需要的关节变　量，通过控制所求得的关节变量，就可以得到所需　图４　３ＤＳＭＡＸ中的切削加Ｔ机器人模型　要的加工表面．　现在只是获得了静态的虚拟现实模型，而虚　根据求解的运动学方程编写Ｊａｖａｓｃｒｉｐｔ程序　拟现实的要求更着重于它的交互性，ＶＲＭＬ可以　控制运动所需的关节变量，部分程序如下：　通过内插器来实现交互性．内插器接受一个事件　ＤＥＦ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　Ｓｃｒｉｐｔ｛　后，使用其域中预先定义的事件值和数据，计算出　ｆｉｅｌｄ　ＳＦＮｏｄｅ　ｒｏｂｏｔ　ＵＳＥ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　一个新值并向场景发送，它只能完成比较简单的　ｆｉｅｌｄ　ＳＦＮｏｄｅ　ｇ—　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ＵＳＥ　ｇ—　ｐｌａｔｆｏｒｍ　动画，对于比较复杂的动画，可以利用ＶＲＭＬ的　Ｓｃｒｉｐｔ节点结合外部程序语言ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ编程来　ｅｖｅｎｔＩｎ　ＭＦＦｌｏａｔ　ｍｏｖｅ　实现．因此，为了获得切削加工机器人的运动过程　ｕｒｌ”ｊａｖａｓｃｒｉｐｔ“　仿真，可以采用编写ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ程序来完成复杂　ｆｕｃｔｉｏｎ　ｍｏｖｅ（ｖａｌｕｅ）｛　的动作．　对端铣刀切削加工机器人进行运动分析，切　ｋ—ｐｏｗ（Ｍａｔｈ．ａ４，２）＋ｐｏｗ（Ｍａｔｈ．ｂ４，　削加工机器人可以用一个闭环关节链来建模，加　２）一ｐｏｗ（Ｍａｔｈ．ｂ２，２）一ｐｏｗ（Ｍａｔｈ．（ｆｌ—ｘ—　工系统分成２部分，如图５所示．一部分是从机器　ｂｂ），２）一ｐｏｗ（Ｍａｔｈ．（ｂｌ＋ｂ—ｙ—ｃ），２）；　人的一个部件（０　）到机器人的末端执行器（０６），　ｒｏｔ．ｖ２＝Ｍａｔｈ．ａｔａｎ（（ａ—ｓ—ｂｂ）／（ｂｌ＋　０　一（）６的齐次坐标转换矩阵记为［　Ｔ　］；另一部　ｂｂ—ｙ—ｃ））＋Ｍａｔｈ．ａｔａｎ（ｒｅｕｌ／ｋ）；　分是从机器人的一个部分经工件、刀具到机器人　ｒｅｕｌ＝ｐｏｗ（Ｍａｔｈ．ｕ，１／２）；　的末端执行器，即Ｏ　一　一Ｑ—　一０６，把从Ｏ　ｕ—ｐｏｗ（Ｍａｔｈ．（ｕｌ＋ｕ２一ｐｏｗ（Ｍａｔｈ．　一０６的齐次坐标转换矩阵记为［　Ｔ。］　．　ｋ，２），２）；　【　，ｒ‘】　ｕｌ—ｐｏｗ（Ｍａｔｈ．（ａ—ｘ—ｂｂ），２）；　ｕ２一ｐｏｗ．Ｍａｔｈ．（ｂｌ＋ｂｂ—ｙ—ｃ），２）；　调试程序，仿真结果的两帧画面如图６所示．　（下转第３１页）　图５加工关联图　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　尚伟燕，等：液压斜拉式生活垃圾举卸机构优化设计　３１　将目标逼近方法进行了改进，使得多目标规划算　从表２可以看出，新型地平式垃圾中转装置　法更具有鲁棒性．格式如下：　不仅液压缸活塞杆体积大大降低，而且液压泵功　Ｘ＝ｆｇｏａｌａｔｔａｉｎ（ｆｕｎ，ｘ０，ｇｏａｌ，ｗｅｉｇｈｔ，Ａ，ｈ，　率也降低了近３１　．　Ａｅｑ，ｂｅｑ，ｌｂ，ｕｂ，ｎｏｎｌｃｏｎ）；　［Ｘ，ｆｖａｌ，ａｔｔａｉｎｆａｅｔｏｒ，ｅｘｉｔｆｌａｇ，ｏｕｔｐｕｔ］＝　３结束语　ｆｇｏａｌａｔｔａｉｎ（ｆｕｎ，ｘＯ，…）　其中：参数ｆｕｎ为目标函数的Ｍ文件；ｇｏａｌ　新型生活垃圾举卸装置，采用四杆机构实现　为要达到的目标；ｗｅｉｇｈｔ为加权因子；参数ｎｏｎｌ—　垃圾集装箱沿斜坡斜拉举卸，不仅结构简单，建筑　ｃｏｎ为非线性约束函数的Ｍ文件．　施工深度降低，而且整个装卸过程运行平稳，工作　由于给出的２个目标函数分别是液压缸最大　可靠．使用ＭＡＴＬＡＢ对举卸机构进行优化设计，　压力和液压活塞杆最大伸长量，所以在举卸机构　编程简单，求解效率高．在保证举卸机构运行良好　设计中它们的重要程度通过其对成本的影响来确　的同时，又从整体上降低了整套中转装置的制造　定．经过计算，确定液压缸活塞杆的伸长量权重系　成本，便于大规模推广使用．　数近似取０．３５，压力权重系数近似取０．６５．利用　ｆｇｏａｌａｔｔａｉｎ函数进行编程，求出结果，经过计算其　参考文献：　最优值如下：液压活塞杆伸长量ＡＡ：＝＝１．９５４ｒｎ；液　［１］卞学良，肖汾阳，马国清，等．装载机连扦式动臂工作装置多　压泵的机械功率Ｎ＝２．４ｋＷ；此时，　≈４４．８ｏ。，　目标优化［Ｊ］．工程机械，２００２，（１２）：１３—１５．　Ｚ２≈１．６５２ｍ．　［２］秦四成．装载机举升机构优化设计数学模型的建立［Ｊ］．机　械设计与制造，２００５，（７）：４１—４２．　将优化设计后影响举升机构性能及制造成本　［３］王春香．ＭＡＴＬＡＢ软件在机械优化设计中的应用［Ｊ］．机械　的主要参数与传统摆动式垃圾中转装置进行比　设计，２００４，（７）：５２—５４．　较，结果如见２．　［４］Ｊｕｈｎｋｅ　Ｆ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｏｐｔｉｍｉｚａ　表２优化前后结果比较　ｔｉｏｎ．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ［Ｊ］．１９９５，（１Ｏ）：　７４Ｏ一７４１．　、　ｐ　）　（上接第２７页）　提供的各种传感器和ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ语言，可以很轻　易地实现和用户之间的交互。随着ＶＲＭＬ语言　的不断完善和更多的第三方软件对ＶＲＭＬ的支　持，我们将能更方便与更快速地对更复杂的零件　和装配体进行建模和仿真．　参考文献：　圈６仿真画面　［１３杨广平．虚拟现实与机器人三维仿真ＬＤ］．西安：西安电子科　技大学，２０００．　４结束语　［２］罗　冠．利用３ＤＳｔｕｉｄｉｏ　ＭＡＸ为ＶＲＭＬ建立虚拟实现世界　ｒＪ］．电子技术，１９９９，（５）：１７—１８．　［３］王硕，周昕宇．ＶＲＭＬ与外界数据交互的技术实现［Ｊ］．计　本文采用第三方软件３ＤＳＭＡＸ建立了切削　算机系统应用，２０００，（２）：３８—４１，　加工机器人的模型，用ＶＲＭＬ语言来实现交互　［４］Ｊａｍｅｓ　Ｊａｗｏｒｓｋｉ．ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ从入门到精通［Ｍ］．北京ｔ电子工　性．这种做法的优点明显，利用３ＤＳＭＡＸ可以很　业出版社。１９９８．　准确地建立复杂的三维模型，而利用ＶＲＭＬ语言　［５］王效岳，一种新型切削加工机器人的结构研究［Ｊ］．西安理工　大学学报，１９９９，１５（１）：１６—１９．