基于VREP设计与控制具有机械手的移动机器人
基于VREP设计与控制具有机械手的移动机器人[20200410140847]
摘要
针对移动机器人设计与控制的问题，本文实现了基于V-REP软件设计与控制具有机械手的移动机器人。该移动机器人可以通过控制器实现前进、后退、大角度与小角度转弯、横向移动与抓取物体。该机器手臂包括一个3三自由度机械臂和一个1自由度手爪。通过关节控制器可实现对机械臂的关节转动控制和手爪的开闭控制。通过搭建机器人本体和实验环境完成了机器人移动实验和机器人抓取物体实验。实验结果表明了本设计可以为虚拟环境开展机器人实验研究提供技术平台。
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关键字:V-REP移动机器人机械手物体操作
目录
1. 引言 1
1.1研究背景及意义 1
1.2本课题主要工作 1
2 V-REP仿真软件与机械臂的介绍 2
2.1 V-REP仿真软件的基本知识 2
2.3 机械臂的介绍 2
3 场景布置 4
3.1 基本设置 4
3.2 场景的简单修饰 5
4 机器人的搭建过程 6
4.1 物体的创建 6
4.2 底座的搭建（蓝色调） 10
4.3 机械臂一号的搭建（黄色调） 11
4.4 机械臂二号的搭建（粉色调） 12
4.5 机械臂三号的搭建（黑色调） 13
4.6 机械手抓的搭建 14
4.6.1 主体的搭建 15
4.6.2 机械手爪的搭建 15
4.7 车轮的搭建 16
4.8 关节的选择与应用 18
4.9 各部件的组合 19
5 控制系统的设计 27
5.1 界面添加 27
5.2 界面设置 28
5.3 程序设计 30
6 抓取实验 34
6.1 抓取平台物体 35
6.2 抓取地面物体（后方） 35
6.3 抓取地面物体（侧方） 35
7 结论 36
参考文献 38
附录 39
致谢 45
1. 引言
传统机器人是不可缺少的，虽然智能机器人可以自动进行工作，但都是简单单调且重复的动作，所以，当需要精确动作或精细操作的时候，人工控制的机器人就体现出了它的重要性。
能够远程控制的具有机械臂的移动机器人，它能够在高危坏境下进行精确的人工操控。在操纵者注意力集中且技术优良的情况下，它可以完成许多人类与低级智能机器人无法完成的任务。比如说太空探索、深海作业、地下隧道的清理、灾难过后的现场救灾等，在这些情况下，操纵者可以通过机器人身上的摄像头来观察情况，然后通过移动机器人、操控机械手来完成相关任务。
1.1 研究背景及意义
V-REP是一款新型的仿真软件，它可以通过一系列的操作来构建出基本的物体、环境等因素，然后通过组合、模拟、移动、上色等操作搭建复杂的机械类物体。通过添加关节、传感器等物体，然后配合相关的程序，可以模拟处机器人的实际效果。而环境的模拟可以更加有效的体现出仿真出来的机器人是否可以在要求的工作坏境中工作，如沙地、雨天、大雪天、水中、山路等。
在实际生产过程中，新产品的诞生要经过反复的测验。而像机器人一类的产品属于高消耗，没有太多的材料与金钱用来实验，所以虚拟仿真就显得尤为重要，它的存在不仅节省了时间、金钱与材料，还使得机器人的研究变得简单而有趣。
1.2 本课题主要工作
本课题的主要工作包括V-REP仿真软件的功能介绍并做到对软件的熟练操作，然后应用V-REP软件设计与搭建移动机器人的载体、机械手臂与模拟环境。设计相应的控制系统，实现机器人的移动与机械手臂的可控操作，并在虚拟环境中完成物体的抓取实验。然后在此基础上，进一步探究人工操作机器人与装传感器的智能机械人间的区别，通过两者间的比较，分析两者的各自的优点与缺点，判断在未来的市场中，哪一种能够获得更大的生存空间。
2. V-REP仿真软件与机械臂的介绍
2.1 关于V-REP仿真软件的基本介绍
V-REP作为一个独立的应用程序，可以很容易地嵌入到主客户端应用程序：它的小尺寸和复杂的API使V-REP成为嵌入到更高级别的应用的理想的候选人。一个集成的Lu脚本解释器使V-REP成为一个非常灵活的应用平台，用户自由的结合低/高层次的功能，以获得新的高级功能。
V-REP作为一个新的仿真软件，在以下领域都可以发挥举足轻重的作用：
（1） 工厂自动化系统仿真
（2） 远程监控
（3） 硬件控制
（4） 快速原型设计和验证
（5） 安全监测
（6） 发展的快速算法
（7） 机器人技术相关的教育
在这些领域中，工作方式都有着相同的地方，都以控制和检测为主，对机械自动化与实用性的程度要求较高，利用V-REP仿真软件，可以在虚拟环境中构建出不同的环境与机器人进行模拟实验，检测所生产的机器人是否符合要求，节省了人力、资金与时间，大大节省了工厂的开支。
2.2 机械臂的介绍
在如今的生活中,科技在日新月益的发展,机械手臂与人类手臂的最大区别就在于灵活与耐力。机械手的最大优势是可以重复的做同一动作，在机械正常的情况下永远也不会疲劳。机械手臂的应用在将来也将会越来越广泛,机械臂是最近几十年发展的一种高科技生产设备[1]。工业机械手机器人的一个重要分支。
机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。
手部是用来抓持物体的部件，根据被抓取物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定动作，改变被抓取物体的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。自由度是机械手设计时的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构当然也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。
控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作的系统。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机微控制芯片构成，通过对其编程实现功能。
机械臂有着操纵简单、经济实惠、容易维修等有点，所以在多个领域都有着举足轻重的地位。
工业制造领域：
主要让机器手臂在机械制造业中代替人类完成大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、舰船制造及某些家电产品的制造等。化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装等工作，也有部分是由机器人完成的。
军事领域：
主要让机器人执行一些自动的侦察与控制任务，尤其是一些相对较为危险的任务，比如，无人侦察机、拆除炸弹的机器人及扫雷机器人等。机器人还可以代替士兵去完成那些不太复杂的工程及后勤任务，从而使战士从繁重的工作中解脱出来，去从事更加重要的工作。
娱乐领域：
机器人在娱乐领域的应用十分广泛，比如，机器人足球大赛、机器人弹钢琴和机器人宠物等。
3. 场景布置
3.1 基本设置
启动V-REP仿真软件，V-REP将初始化一个默认的布景,如图3-1所示。
图3-1 默认布景
在此场景中包括：一块正方体地板（10m*10m）与一个坐标轴，在图中，每一个小个子都是一平方米的小正方形。
在次界面中，还有以下窗口：
控制台窗口：在Windows中，当应用程序启动V-REP,控制台窗口被创建，但隐藏起来了。隐藏控制窗口这种默认行为，可在用户设置对话框改变，如图3-2所示。
摘要
针对移动机器人设计与控制的问题，本文实现了基于V-REP软件设计与控制具有机械手的移动机器人。该移动机器人可以通过控制器实现前进、后退、大角度与小角度转弯、横向移动与抓取物体。该机器手臂包括一个3三自由度机械臂和一个1自由度手爪。通过关节控制器可实现对机械臂的关节转动控制和手爪的开闭控制。通过搭建机器人本体和实验环境完成了机器人移动实验和机器人抓取物体实验。实验结果表明了本设计可以为虚拟环境开展机器人实验研究提供技术平台。
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关键字:V-REP移动机器人机械手物体操作
目录
1. 引言 1
1.1研究背景及意义 1
1.2本课题主要工作 1
2 V-REP仿真软件与机械臂的介绍 2
2.1 V-REP仿真软件的基本知识 2
2.3 机械臂的介绍 2
3 场景布置 4
3.1 基本设置 4
3.2 场景的简单修饰 5
4 机器人的搭建过程 6
4.1 物体的创建 6
4.2 底座的搭建（蓝色调） 10
4.3 机械臂一号的搭建（黄色调） 11
4.4 机械臂二号的搭建（粉色调） 12
4.5 机械臂三号的搭建（黑色调） 13
4.6 机械手抓的搭建 14
4.6.1 主体的搭建 15
4.6.2 机械手爪的搭建 15
4.7 车轮的搭建 16
4.8 关节的选择与应用 18
4.9 各部件的组合 19
5 控制系统的设计 27
5.1 界面添加 27
5.2 界面设置 28
5.3 程序设计 30
6 抓取实验 34
6.1 抓取平台物体 35
6.2 抓取地面物体（后方） 35
6.3 抓取地面物体（侧方） 35
7 结论 36
参考文献 38
附录 39
致谢 45
1. 引言
传统机器人是不可缺少的，虽然智能机器人可以自动进行工作，但都是简单单调且重复的动作，所以，当需要精确动作或精细操作的时候，人工控制的机器人就体现出了它的重要性。
能够远程控制的具有机械臂的移动机器人，它能够在高危坏境下进行精确的人工操控。在操纵者注意力集中且技术优良的情况下，它可以完成许多人类与低级智能机器人无法完成的任务。比如说太空探索、深海作业、地下隧道的清理、灾难过后的现场救灾等，在这些情况下，操纵者可以通过机器人身上的摄像头来观察情况，然后通过移动机器人、操控机械手来完成相关任务。
1.1 研究背景及意义
V-REP是一款新型的仿真软件，它可以通过一系列的操作来构建出基本的物体、环境等因素，然后通过组合、模拟、移动、上色等操作搭建复杂的机械类物体。通过添加关节、传感器等物体，然后配合相关的程序，可以模拟处机器人的实际效果。而环境的模拟可以更加有效的体现出仿真出来的机器人是否可以在要求的工作坏境中工作，如沙地、雨天、大雪天、水中、山路等。
在实际生产过程中，新产品的诞生要经过反复的测验。而像机器人一类的产品属于高消耗，没有太多的材料与金钱用来实验，所以虚拟仿真就显得尤为重要，它的存在不仅节省了时间、金钱与材料，还使得机器人的研究变得简单而有趣。
1.2 本课题主要工作
本课题的主要工作包括V-REP仿真软件的功能介绍并做到对软件的熟练操作，然后应用V-REP软件设计与搭建移动机器人的载体、机械手臂与模拟环境。设计相应的控制系统，实现机器人的移动与机械手臂的可控操作，并在虚拟环境中完成物体的抓取实验。然后在此基础上，进一步探究人工操作机器人与装传感器的智能机械人间的区别，通过两者间的比较，分析两者的各自的优点与缺点，判断在未来的市场中，哪一种能够获得更大的生存空间。
2. V-REP仿真软件与机械臂的介绍
2.1 关于V-REP仿真软件的基本介绍
V-REP作为一个独立的应用程序，可以很容易地嵌入到主客户端应用程序：它的小尺寸和复杂的API使V-REP成为嵌入到更高级别的应用的理想的候选人。一个集成的Lu脚本解释器使V-REP成为一个非常灵活的应用平台，用户自由的结合低/高层次的功能，以获得新的高级功能。
V-REP作为一个新的仿真软件，在以下领域都可以发挥举足轻重的作用：
（1） 工厂自动化系统仿真
（2） 远程监控
（3） 硬件控制
（4） 快速原型设计和验证
（5） 安全监测
（6） 发展的快速算法
（7） 机器人技术相关的教育
在这些领域中，工作方式都有着相同的地方，都以控制和检测为主，对机械自动化与实用性的程度要求较高，利用V-REP仿真软件，可以在虚拟环境中构建出不同的环境与机器人进行模拟实验，检测所生产的机器人是否符合要求，节省了人力、资金与时间，大大节省了工厂的开支。
2.2 机械臂的介绍
在如今的生活中,科技在日新月益的发展,机械手臂与人类手臂的最大区别就在于灵活与耐力。机械手的最大优势是可以重复的做同一动作，在机械正常的情况下永远也不会疲劳。机械手臂的应用在将来也将会越来越广泛,机械臂是最近几十年发展的一种高科技生产设备[1]。工业机械手机器人的一个重要分支。
机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。
手部是用来抓持物体的部件，根据被抓取物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定动作，改变被抓取物体的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。自由度是机械手设计时的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构当然也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。
控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作的系统。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机微控制芯片构成，通过对其编程实现功能。
机械臂有着操纵简单、经济实惠、容易维修等有点，所以在多个领域都有着举足轻重的地位。
工业制造领域：
主要让机器手臂在机械制造业中代替人类完成大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、舰船制造及某些家电产品的制造等。化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装等工作，也有部分是由机器人完成的。
军事领域：
主要让机器人执行一些自动的侦察与控制任务，尤其是一些相对较为危险的任务，比如，无人侦察机、拆除炸弹的机器人及扫雷机器人等。机器人还可以代替士兵去完成那些不太复杂的工程及后勤任务，从而使战士从繁重的工作中解脱出来，去从事更加重要的工作。
娱乐领域：
机器人在娱乐领域的应用十分广泛，比如，机器人足球大赛、机器人弹钢琴和机器人宠物等。
3. 场景布置
3.1 基本设置
启动V-REP仿真软件，V-REP将初始化一个默认的布景,如图3-1所示。
图3-1 默认布景
在此场景中包括：一块正方体地板（10m*10m）与一个坐标轴，在图中，每一个小个子都是一平方米的小正方形。
在次界面中，还有以下窗口：
控制台窗口：在Windows中，当应用程序启动V-REP,控制台窗口被创建，但隐藏起来了。隐藏控制窗口这种默认行为，可在用户设置对话框改变，如图3-2所示。
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