基于VR技术的采摘机器人动力学仿真分析.pdf

基于VR技术的采摘机器人动力学仿真分析 朱富丽 杨 磊 刘志龙 河南牧业经济学院 郑州 河南信息统计职业学院 郑州 摘 要 在采摘机器人的设计时 为了提高其动力学设计的效果 将 R技术引入到了设计过程中 采用计算机 软件创设虚拟环境 支持对采摘机器人动力学进行仿真 并具有数字化展示功能 可以更好的将产品的初步设计 展示给设计者和客户 使产品具有更好的整体性和协调性 为了验证方法的可靠性 以采摘机器人底座的设计 为例 对其设计效果以及设计耗时进行了测试 测试结果表明 采用 R技术可以成功的实现采摘机器人动力学 设计 且仿真设计的周期较短 效率更高 还能获得更高的用户满意度 对于采摘机器人产品的可视化设计的研 究具有重要的意义 关键词 采摘机器人 动力学 仿真分析效果 R技术 可视化 结构识别 中图分类号 S225 TP242 文献标识码 A文章编号 1003 188X 2021 03 0030 05 0 引言 采摘机器人的动力学设计是一个具有极大潜力的 研究方向 在采摘机器人功能日趋完善的今天 完美 的动作可以不断地提高机器人采摘设备的市场竞争 力 在进行采摘机器人动力学设计时 不仅要考虑动 力学的整体协调性 还要考虑人机协调和采摘作业环 境的协调 因此在具体设计时要对采摘机器人动力学 的仿真分析设计进行不断的调整 在采摘机器人动 力学设计参数没有确定之前 借助虚拟设计环境对产 品的初步设计进行展示 将有助于产品动力学设计的 完善 提高产品的仿真分析效果 1 现代农机动力学创新设计 R是 i tu l Re lity的缩写 即虚拟现实 在 世纪 年代由美国拉尼尔提出来 含义是利用软件 技术和各种控制设备 在计算机上生成可以交互的三 维沉浸感的环境 对真实世界进行虚拟仿真模拟 R 技术利用计算机创建的实体行为仿真和三维动态视 景 让用户沉浸在计算机创建的虚拟环境中 可以将 产品的动力学仿真分析形象逼真的表现出来 让用户 充分了解新产品 还可以对产品进行虚拟装配 以验 证产品总体的可装配性 R技术具有三个重要的特征 包括沉浸性 交互 收稿日期 6 基金项目 河南省教育厅人文社会科学研究一般项目 JH 作者简介 朱富丽 女 山东菏泽人 实验师 硕士 m il yongo sin cn 性和想象性 其中 沉浸性是指用户完全沉浸于虚拟 环境中 无论是听觉还是视觉或者嗅觉等 在进行采 摘机器人动力学设计时 更容易让用户体验到新产品 的魅力 交互性是指人和计算机创建的虚拟环境可 以进行交流 人通过行为和动作 对虚拟环境中的事 物产生影响 虚拟环境通过响应将信息反馈给用户 想象性是指用户在进行虚拟环境的体验时 要充分发 挥主观想象力 想象自己在真实的世界中 以充分体 验虚拟环境 以采摘机器人为例 在进行采摘机器人的动力设 计时 设计师开始更加注重机器人的仿真分析效果 而不单纯是枯燥的作业机械 在颜色设计上也更加注 重动力给人的视觉冲击效果 图 为寿光蔬菜科技博 览会上展出的西红柿机器人 图 西红柿采摘机器人 Fig Tom to picking obot 年 月 农机化研究 第 期 该采摘机器人是在寿光十四届中国蔬菜科技博览 会上展出的采摘机器人 外部形状具有人形形状 拥 有更加形象逼真的仿真分析效果 在进行采摘机器 人外部形状造型和动力搭配时 为了得到更好的仿真 分析效果和视觉冲击力 可以采用 R技术首先进行 虚拟仿真展示效果 然后通过效果的反馈对产品进行 修改 其流程如图 所示 图 采摘机器人动力学和结构设计 Fig T e st uctu e nd colo design of picking obot 采用 R虚拟现实技术可以对设计好的产品动力 和结构进行展示 无论是设计人员还是客户都可以对 产品的动力学和结构设计指出缺点和不足 然后 根 据这些缺点和不足对采摘机器人的动力学和动力进 行修改 再将修改好的材质机器人动力学和动力利用 R技术进行展示 通过不断的反馈和修改 最终使材 质机器人具有客户满意的动力学和动力效果 使设计 产品更容易被验收 2 产品动力学仿真分析设计 决定产品动力学的一个重要因素是产品的动力参 数和仿真 产品的动力结构需要协调一致 尽量不要 互相割裂 让人产生结构混乱的支离破碎的感觉 同 时 产品动力学不同结构之间要有机结合 注意设计 的视觉心理平衡 也要兼顾人机和环境的统一及时尚 性等 视觉心理的平衡 动力的仿真分析和心理平 衡具有密切的关系 只有动感达到心理平衡的要求 才会产生动力协调统一的效果 动力的强弱仿真分 析会对动力的分布面积 位置等产生重要的影响 如 将强劲的动力放在上边 柔弱的动力放在下边 则会 产生较强的安全感 如果按照相反的方式来放置 则 会增加产品的动感 一般来说 进行动力设计时 按 照上轻下中和上虚下实的原则 可以增加产品的整体 感和立体化仿真分析效果 人机与动力的协调 产品动力设计一个非常 关键要考虑的因素是人机的和谐统一 如果设计的效 果好 对于保证人的健康安全 提高工作效率具有重 要意义 相反会产生疲劳 紧张和沉闷等心理 进而影 响工作 在采摘机器人产品动力设计时 应使仿真具 有一定的动感性 提高操作者操作的准确性 使采摘 机器人的操控人员具有较高的反应速度 在保证采摘 质量的前提下 提高采摘效率 产品动力与环境的统一 产品动力设计时还 要考虑的一个重要因素是与环境的协调性 产品的动 力和环境的统一可以让操作者具有较为愉悦的工作 心情 否则会让人产生心神不安宁的效果 在采摘机 器人设计时 要重复考虑作业环境的复杂性 也要根 据待采摘农作物的结构 使采摘机器人和作物结构即 要协调 又要有较强的可识别性 以便远程操控人员 更好地控制采摘机器人 在采摘机器人动力的初步设计时 为了提高动力 学动力的设计效率 可以采用 R虚拟技术 利用软件 环境对其结构之间进行修改 在修改之前需要对结构 进行识别 识别流程如图 所示 图 结构识别流程示意图 Fig T e flow di g m of colo ecognition 通过结构平衡原理对动作对象的结构进行识别 后 可以得到结构的灰度值 在 R系统中对动力进行 改变时 可以采用灰度线性变换的方法 图像的灰度 年 月 农机化研究 第 期 变换主要是将采集得到的一个图像灰度值函数f x y 利用一个变换函数g T f 转换为新的灰度函数 g x y 表达式为 g x y T f x y 如式 所示 如果想改变某一个部分的颜色 可 以对其灰度进行线性拉伸 假设图像f i j 灰度范 围是 a b 通过线性变换后可以得到图像g i j 的 范围为 a b 如图 所示 图 图像颜色灰度变换示意图 Fig T e G y sc le t nsfo m tion of im ge colo 采用线性变换可以某个区域的结构的灰度值进行 修改 将区域内的灰度强行变成a和b 从而得到采摘 机器人动力学动力需要的设计颜色 其中 g i j 与 f i j 之间的关系为 g i j a b a b a f i j a 在实际进行颜色变换时 需要变换的范围很多是 非线性的 需要引入非线性变换方法 本次采用对数 变换方法 其表达式为 g i j a ln f i j b lnc 其中 a b c为调整系数 当颜色需要调整的范 围较大时 可以采用指数变换的形式 即 g i j bc f i j a 灰度变换的方法还有很多 在 R虚拟环境中可 以根据采摘机器人产品动力学动力设计的实际需要 选择合理的方法 3 采摘机器人产品动力学和色度设计 为了实现基于 R技术的采摘机器人产品动力学 仿真分析设计 需要借助于虚拟仿真软件 当前最常 使用的虚拟环境创设软件主要有 utodesk S owc se utodesk ds x Design和R ino 犀牛 等 utodesk S owc se是一款设计可视化软件 对于 产品的动力学和一些可以操纵的地方 该软件可以轻 松地进行改变 并集成了光纤跟踪功能 可以展示出 空间感和环境等特征因素 从而实现产品的特征传 播 utodesk ds x Design是一款虚拟渲染的软件 可以为用户提供逼真的图像设计和展示功能 还可以 对产品的样机进行数字化设计 给产品的设计过程带 来了极大的便利 R ino可以在Windows系统中建立 编辑 分析和 转换 URBS曲线 曲面和实体的三维多功能建模软 件 不管设计的产品是具体的还是抽象的 R ino都可 以快速的生成虚拟模型 具有较强的虚拟表现能力 如图 图6所示 当前采摘机器人的设计动力学 和色度设计往往比较简单 一般都是追求功能上的设 计 当采摘功能日趋完善后 需要考虑产品的动力学 和动力设计 以使机器人具有更好的综合竞争能力 图 采摘机器人示意图 Fig Picking obot di g m 图6 仿真分析动力学设计 Fig 6 t ppe nce design 年 月 农机化研究 第 期 以采摘机器人底座的设计为例 在进行底座设计 时 可以综合采用前述的 R软件 将底座设计为流线 型 使用较强的黑色作为底部颜色 使产品展示出了 更好的动感性 达到了较好的仿真分析效果 如表 所示 对使用和不使用 R技术的产品动 力学设计周期进行了对比 可以看出 采用 R技术可 以有效的缩短产品动力学设计的周期 提高设计效 率 表 设计周期对比 T ble Design cycle comp ison天 设计编次使用 R技术设计周期不使用 R技术设计周期 6 6 6 6 6 6 为了进一步验证采用 R技术的优势 对采摘机器 人动力学设计效果完成后的客户满意度进行了对比 如表 所示 由对比结果可以看出 采用 R技术可以 获得更高的客户满意度 从而验证了方法的可靠性 表 客户满意度对比 T ble Custome s tisf ction cont st 设计编次使用 R技术客户满意度不使用 R技术客户满意度 6 6 6 6 6 4 结论 为了提高采摘机器人产品动力学动力仿真分析设 计的效率 将 R技术引入到了采摘机器人的设计过 程中 并通过软件创设虚拟环境的方法 对采摘机器 人产品动力学结构进行修改和展示 有效提高了动力 学的仿真分析设计效果 为了验证该方法的可行性 以采摘人的底座设计为例 对采摘机器人动力学动力 仿真分析效果的设计进行了测试 并对设计周期和用 户满意度进行了统计 测试和统计结果表明 R虚 拟技术可以成功的对采摘机器人产品的动力学和色 度进行设计 且具有周期短 效果高的优点 可以获得 更高的客户满意度 参考文献 李震 张帆 吴明帅 等 Civil D与 nf wo ks三维协同设 计在总图专业中的应用 J 油气储运 6 6 6 6 孙靓 卢大玮 刘亮 等 面向三维立体动画制作的视差可 视化调节方法设计与实现 J 计算机辅助设计与图形 学学报 田子建 雷婧 刘社育 等 煤矿特种作业人员安全培训面 临的问题与虚拟现实技术的应用 J 中国煤炭 王进丰 李南辉 王宁 基于C T O P 的水电 工程三维协同设计 J 人民长江 6 刘德建 刘晓琳 张琰 等 虚拟现实技术教育应用的潜 力 进展与挑战 J 开放教育研究 6 6 石巧 侯建霞 虚拟现实技术在口腔诊疗操作培训中的应 用 J 国际口腔医学杂志 6 麦王向 张朝霞 虚拟现实技术在脑卒中患者步态康复中 的应用进展 J 中国康复理论与实践 6 王同聚 虚拟和增强现实 R R 技术在教学中的应用 与前景展望 J 数字教育 高建洪 胡志华 孙涌 基于 R 的交互虚拟产品展示 技术 J 苏州大学学报 自然科学版 姜学智 李忠华 国内外虚拟现实技术的研究现状 J 辽宁工程技术大学学报 自然科学版 贺雪晨 赵彦 基于 R 的虚拟现实技术在世博会场 馆模型中的应用 J 现代电子技术 6 张玉 黄新周 江明耿 等 农业机械标贴设计浅谈 J 装备制造技术 田金 田雪 窦元晨 现代农机设计中的机械动力学创新 J 南方农机 6 王峥 陈童 虚拟现实的概念及其技术系统构成 J 现 代传播 夏红霞 刘春燕 邹承明 基于Di ect D的虚拟三维场景 漫游系统实现 J 计算机与信息技术 6 刘勇奎 图形裁剪算法研究 J 计算机工程与应用 周宁 赵雁南 杨泽红 基于虚拟现实的中国古建筑虚拟 年 月 农机化研究 第 期 重建 J 6 冯文博 罗维亮 数字媒体仿真分析专业 技术 仿真分 析 培养体系研究 J 现代装饰 理论 6 6 卢洁 游运华 马燕 等 基于 R 的动物解剖虚拟实 验的交互设计 J 计算机仿真 66 6 杨卫平 禹亮 张伟 等 基于 D的网络虚拟实验系统 的研究 J 电脑知识与技术 葛文庆 徐建成 工程制图模型虚拟实验系统研究与实 现 J 中国石油大学学报 自然科学版 6 6 卢宇 陈宏敏 赖恒 等 虚拟现实技术在光学实验教学 中的应用 J 福建师范大学学报 自然科学版 6 李自力 虚拟现实中基于图形与图像的混合建模技术 J 中国图像图形学报 6 6 鲍彦如 任长明 J v D实现 R 浏览器的新途径 J 计算机应用研究 王红兵 虚拟现实技术回顾与展望 J 计算机工程与应 用 Dynamic Simulation Analysis of Picking Robot Based on VR Technology u Fuli ng ei iu ilong Hen n Unive sity of nim l Husb nd y nd conomics engz ou C in Hen n oc tion l College of nfo m tion St tistics engz ou C in Abstract n o de to imp ove t e effect of its dyn mic design R tec nology is int oduced into t e design p ocess in t e design of picking obot T is met od uses compute softw e to c e te vi tu l envi onment to suppo t t e dyn mics simu l tion of picking obot nd s t e function of digit l displ y t c n bette s ow t e p elimin y design of t e p oduct to designe s nd custome s nd m ke t e p oduct bette n o de to ve ify t e eli bility of t e met od t king t e design of t e picking obot b se s n ex mple t e design effect nd time consuming e tested T e test esults s ow t t t e dy n mic design of t e picking obot c n be successfully e lized by using R tec nology T e simul tion design cycle is s o te t e efficiency is ig e nd t e use s tisf ction is ig e t c n be seen fo t e picking obot p oducts T e e se c of c emic l design is of g e t signific nce Key words picking obot dyn mics simul tion n lysis effect R tec nology visu liz tion st uctu e ecognition 年 月 农机化研究 第 期