[連載 4]Vrep導入三維模型——PUMA560機械臂

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• [連載 1]Vrep小車建模——前進和轉向
• [連載 2]Vrep小車建模——內嵌腳本
• [連載 3]Vrep小車建模——matlab控制
• [連載 4]Vrep導入三維模型——PUMA560機械臂
• [番外1]Vrep小車機械臂抓取
• 知乎專欄：Vrep機器人動力學建模模擬
  恭喜大家完成[連載0]——[連載3]的基礎教程，通過教程的學習相信大家已經可以控制小車的運動了吧^_^，現在就讓我進入另一個有意思的領域——機械臂。放在最前面和大家提一個醒，不要覺得自己不是搞機械臂的，你就不去研究機械臂，實際上機械臂的很多演算法都是非常標準基礎的。比如你要研究人形機器人，每條胳膊和腿就可以看成一條機械臂。
  本節主要介紹如何將三維模型，導入到vrep中，vrep自帶常式中這部分講的實在是太爛，條理不清楚，我這裡拋磚引玉，用動畫和截圖的方式將過程記錄下來，並總結一些我使用的經驗，希望能讓大家快速入門。

前言

vrep是一個很好的工具，大家如果開始使用之後更能體會的到，但是由於宣傳少、用戶少，我現在所知道的國內也就十幾所大學有用到的，而且大部分是研究生。依稀記得本科用adams非常痛苦，MSC公司的軟體設計不僅其丑無比，而且正版費用特別高，所以才做此教程，為vrep的推廣盡自己的一點貢獻。但是僅靠我自己無疑是杯水車薪，還是需要大家努力，因此我這裡做一個優惠方案作為鼓勵：

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本節介紹

在推出連載1之後，很多同學問我貼紙是怎麼製作的，本節就介紹如何將三維模型導入到vrep中，並進行不同的處理。這個示例採用PUMA560的模型，PUMA560機械臂是多本機器人書籍中介紹的一種機械臂，資料也非常多。

• 本節先介紹如何將三維模型導入到vrep中並建立實際模擬模型；
• 下一節介紹PUMA560得DH矩陣描述，控制機械臂實現一定功能；
• 再下一節介紹如何利用Matlab Robotic Toolbox，來控制機械臂

本節的安排如下：

1. 導入前準備工作
2. 導入模型並簡單處理
3. 提取關鍵特徵，添加運動關節
4. 提取實體特徵

完整的常式模型請點擊購買

step1 準備工作

首先要在建模軟體中建立機械臂模型，我這裡用的是soildworks，建模完的效果如下圖：

圖1 PUMA560機械臂模型

請注意，下面的經驗很重要！！！我就不全部加粗了！！

1. 導入過程是一個體力活，前期的一點問題可能會導致後面非常麻煩！！！
   首先，上圖的建模結果是「不可以」直接導入到vrep。因為在導入過程中，vrep會保留原來的坐標系關係，也就是說導入到vrep中就是和圖1中的樣子一樣的，具體可以看圖2，從圖2中可以看出各個臂處於比較隨意的狀態，這對於vrep這種軟體後期調整起來非常麻煩，因此我們要提前調整好機械臂的位置，使其處於一個便於調整的位置，見圖3。

圖2 調整前的機械臂 soildworks視圖（左） vrep視圖（右）

圖3 調整後的機械臂 soildworks視圖（左） vrep視圖（右）

至於怎麼調整，一般團隊里都有搞機械的小夥伴，和他們說一下要求就可以了，把該對齊的面對齊就可以了。

1. 現在已經準備好了要導入的模型（本節常式模型請點擊購買），那麼需要轉成什麼格式呢？vrep支持好幾種三維格式的導入，但是就我自己的使用體驗來說，轉成STL格式最方便，而且大部分的建模軟體可以很容易轉成stl格式，本文也是基於stl格式進行講解。
   不同的軟體導出的stl格式也是需要注意的，以soildworks為例，選擇文件-另存為-保存類型（stl），在選項里選擇精細選項。如果你是新手並且模型的規模較小的話，建議選擇精細模式，否則你需要根據需求選擇精細程度。

圖4 導出stl過程

導出stl格式之後，會在文件夾中生成文件，這裡需要注意的是有的軟體導出後是一個stl文件（將裝配體整體導出），soildworks導出的一堆stl文件（每個零件單獨一個文件）。如果是一個文件的話，後面會增加一步，不要緊的。

好，到這裡導入工作已經完成了，接下來我們將stl文件導入到vrep中。

Step2 導入模型並簡單處理

點擊菜單欄中的file - Import - Mesh..，具體見圖5，找到剛才導出的stl文件，快捷鍵Ctrl + a選擇所有的stl文件，然後點擊確定。此時會彈出一個對話框，由於建模軟體的坐標系和vrep的不一樣，這裡選擇Y軸朝上，點擊OK完成導入，導入的結果見圖7。

圖5 導入stl文件

圖6 導入後的對話框

圖7 PUMA650導入後結果

從模型樹上可以看到，導入的模型按照不同的零件已經分開，如果你的建模軟體導入的是一個整體的話，需要增加一步操作，具體見圖8。

圖8 將一個整體分解成多個零件

vrep導入過程會隨機的改變顏色，所以你導入進來的樣子可能和我的不一樣。

完成導入後需要整理一下零件，將一些零件進行命名，同時將不需要的一些零件刪掉。我們發現導入12個零件，先瀏覽一遍導入的零件（見圖9），發現底座上安裝了六個螺栓（見圖10），對於模擬是沒有用處的，因此刪掉。

圖9 瀏覽一遍導入的零件

圖10 對模擬無用的螺栓

現在將剩下的零件進行重命名，便於識別。我們用puma560_link0_vision作為起始，依次命名，命名結果如圖11.（對應中間文件名稱為：vrep4_puam560_step2_1.ttt）

圖11 將零件重命名

Step3 提取關鍵特徵，添加運動關節

上面的任務都比較簡單，接下來將是一大堆體力活，我們要從導入模型中提取出圓柱體從而確定迴轉關節位置。

實際上stl文件導入進來的是一堆三角形組合，見圖12，可見我們需要從這些三角形中提取出圓柱體，然後利用圓柱體去定位關節位置。主要原因是導入後的模型由於形狀特殊，其自身坐標系有可能發生不同程度的旋轉，因此最好的辦法是從中間提取出vrep常用的primitive shape，即可用於後面的動力學模擬，也可以比較好的約束後續的坐標位置。

注意：由於vrep不同電腦下導入結果的會有細微差異，影響後面的具體操作，因此建議直接用vrep4_puam560_step3_1.ttt這個文件作為起始文件，大家後面的操作從這個文件開始。

圖12 stl導入後為三角形組合

這裡講一個我自己的方法，我一般是比較喜歡將要調整的模型拷貝到一個備用的scene，這樣所有操作都在這個備用的scene中，避免改壞東西。因此我們先新建一個scene，命名為puma560_backup，將puma560_link1_vision拷貝到這個新文件中，我們要從上面提取出兩個圓柱體，從而找到機械臂的前兩個迴轉軸。

選擇puma560_link1_vision，點擊工具欄左邊的按鈕（見圖13），打開實體編輯界面。

圖13 實體操作按鈕

圖13 實體操作動圖

實體編輯界面具有三種操作：

1. 三角形編輯模式（Triangle edit mode）：這個模式下三角形是可見的，可以用來操作三角形從而提取出你需要的形狀，常見的形狀有長方體、圓柱體和球體。
2. 頂點編輯模式（Vertex edit mode）：這個模式下可以編輯頂點，用來調整模型的形狀，還可以通過頂點生成dummy便於後續使用。
3. 邊編輯模式（Edge edit mode）：這個模式下用來編輯邊，可以從這裡提取出邊緣的形狀。

3.1 提取joint1和joint2

我們這裡主要使用第一種三角形編輯模式，現在提取第一個圓柱體，我們這裡直接選擇這個關節的底面，選擇這個面上所有的三角形，對用滑鼠挨個選擇。選擇有兩種方式，第一種是直接在窗口中選擇三角形，選擇之後會改變顏色，也可以在左邊的瀏覽窗口選擇。我們先選擇編號從251至298的三角形。（摁住Ctrl鍵，滑鼠挨個單擊，貌似沒有其他的快捷方式，所以說是體力活……）點擊提取圓柱體（Extract cylinder），點擊確定，生成第一個圓柱體。由於這裡選擇的是一個底面，因此生成的圓柱體高度幾乎為零。根據圖15，退出形狀編輯模式。

圖14 選擇第一個底面

圖15 退出形狀編輯模式

此時在模型樹里可以看到多出一個Cylinder的實體，我們現在添加一個關節，將其位置與提取出來的圓柱體進行重合。按照圖16的指示（這裡分別提供了動圖和靜態圖，方便大家看）進行操作，確定好第一個關節的位置。

如果大家對上述操作不是很熟練的話，請看連載1中圖7的操作。

圖16 將關節與提取出圓柱體進行重合（動圖）

圖16 將關節與提取出圓柱體進行重合（靜態操作）

獲得了第一個關節的位置之後，將其重命名為puma560_joint1，將其拷貝回到原來的文件中，這樣第一個關節就完成了。

現在獲取第二個關節，依然是使用puma560_link1_vision,進入形狀編輯模式，選擇Triangle 203 ——Triangle 250，提取第二個圓柱體，利用上述同樣操作，得到第二個轉動關節puma560_joint2。也將其複製回到原來的文件中，此時文件中應該是圖17中的結果，（對應中間文件名稱為：vrep4_puam560_step3_1.ttt）

圖16 提取第二個圓柱體

圖17 整理好前兩個關節

3.2 提取其他關節

由於後續提取其他關節為重複工作，提取過程與提取joint1和joint2類似，因此直接放在寶貝鏈接的Step3提取關節.docx文檔中，大家自己打開看吧，就不佔用教程篇幅了。

提取其他關節說明

至此，已經完成全部的關節添加工作，也是本教程中最繁瑣的一項任務。

Step4 提取實體特徵

上面的工作基本完成了運動學的部分，接下來的內容主要用來完善動力學的部分。由於導入的stl文件是mesh屬性，實際上僅僅是一層薄殼，不具備動力學特徵（質量和轉動慣量，就是你點開始模擬，並不會自由落體），而且如果直接用導入模型的話由於細節太豐富，所以極大的影響模擬速度，一般都會將其簡化成vrep自帶的primitive shape或者是凸面結構（凹面結構物理引擎可能產生很詭異的現象）

在這裡，考慮到機械臂的特性，我們將模型提取出為凸面體(convex shape)，因為機械臂工作狀態一般旁邊不會有障礙物，因此用凸面體來來檢測碰撞雖然佔用了更多體積，但是一般情況並不會影響結果。

Step4_1 提取凸面體結構

由於提取凸面體會直接替換原來的結構，因此我們將機械臂的puma560_link0_vision到puma560_link5_vision六個結構拷貝到一個新的scene中，先選擇puma560_link0_vision，執行下圖的操作（Edit->Morph selection into convex shapes），這樣就得到了第一個實體，對剩餘的其他組件執行同樣的操作。

提取凸面體結構

操作完成後，將各個部件重命名為puma560_link0到puma560_link5，此時可以得到下圖：（對應文件名為vrep4_puam560_step4_1_backup.ttt）

全部提取為凸面體結構

設置動力學屬性

此時電機開始模擬發現仍然沒有自由落體，因為還沒有設置動力學屬性。接下來我們設置凸面體的質量和respondable的屬性。這裡從**``puma560_link1**開始，根據下圖設置動力學屬性，注意local respondable mask`是僅點第一個對勾。

設置link1的動力學屬性

根據同樣的方式設置link2——link5的動力學屬性，唯一差別為local respondable mask依次點第二個對勾、第三個對勾……例如第link5的屬性為：（對應文件為vrep4_puam560_step4_1_backup2.ttt）

link5的動力學屬性

完成上述步驟之後，可以點擊模擬按鈕，應該會看到自由落體的情況。將這些凸面體拷貝回到原來的文件中，重新調整模型樹，按照如下的方式進行排列，確定依賴關係，如下圖：

整理好的模型樹

我們發現拷貝回來的凸面體很醜，直接影響我們觀看的心情，因此我們要將其隱藏起來，操作看下圖（注意選擇多個凸面體的時候按住Ctrl鍵）

隱藏凸面體

此時點擊模擬，發現機械臂會立即垮掉，原因是因為添加的關鍵無法提供足夠的扭矩保持平衡，我們這裡打開關節的位置控制模式，如下圖：（注意要設置一下關節扭矩，默認2.5Nm太小了，這裡先設置為100Nm）

設置電機為位置控制模式

（對應最終文件名稱為：vrep4_puam560_step4_2.ttt）

結語

這篇從準備內容到最後形成文稿，花費了我差不多兩周左右的業餘時間，真是內容有點多，以至於後面Step4里我都沒有具體講，實在是抱歉。但是也是恭喜大家能看到結尾，應該看完這篇文章的對vrep應該是真愛吧，我留一個微信，大家可以加我，歡迎多多交流~~

有同學說載入不了二維碼，我直接放微信號大家搜索吧，微信號是monkey61_1，歡迎交流哈

https://u.wechat.com/MIXGPFx3pmLt0sF7d6MEh-w (二維碼自動識別)

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