[连载 4]Vrep导入三维模型——PUMA560机械臂

monkey61

发布时间 2021.09.22阅读数 7220 评论数 0

恭喜大家完成[连载0]——[连载3]的基础教程，通过教程的学习相信大家已经可以控制小车的运动了吧^_^，现在就让我进入另一个有意思的领域——机械臂。放在最前面和大家提一个醒，不要觉得自己不是搞机械臂的，你就不去研究机械臂，实际上机械臂的很多算法都是非常标准基础的。比如你要研究人形机器人，每条胳膊和腿就可以看成一条机械臂。
本节主要介绍如何将三维模型，导入到vrep中，vrep自带例程中这部分讲的实在是太烂，条理不清楚，我这里抛砖引玉，用动画和截图的方式将过程记录下来，并总结一些我使用的经验，希望能让大家快速入门。

前言

vrep是一个很好的工具，大家如果开始使用之后更能体会的到，但是由于宣传少、用户少，我现在所知道的国内也就十几所大学有用到的，而且大部分是研究生。依稀记得本科用adams非常痛苦，MSC公司的软件设计不仅其丑无比，而且正版费用特别高，所以才做此教程，为vrep的推广尽自己的一点贡献。

此教程是基于vrep 3.5.0版本制作的，初学可以先安装此版本进行学习，后面再使用更新的版本。（旧版下载链接：链接：https://pan.baidu.com/s/1PIl5t-Pwx2dawOIHfzDelA提取码：qirx）

本节介绍

在推出连载1之后，很多同学问我贴纸是怎么制作的，本节就介绍如何将三维模型导入到vrep中，并进行不同的处理。这个示例采用PUMA560的模型，PUMA560机械臂是多本机器人书籍中介绍的一种机械臂，资料也非常多。

本节先介绍如何将三维模型导入到vrep中并建立实际仿真模型；
下一节介绍PUMA560得DH矩阵描述，控制机械臂实现一定功能；
再下一节介绍如何利用Matlab Robotic Toolbox，来控制机械臂

本节的安排如下：

导入前准备工作
导入模型并简单处理
提取关键特征，添加运动关节
提取实体特征

完整的例程模型请点击

step1 准备工作

首先要在建模软件中建立机械臂模型，我这里用的是soildworks，建模完的效果如下图：

图1 PUMA560机械臂模型

请注意，下面的经验很重要！！！我就不全部加粗了！！

导入过程是一个体力活，前期的一点问题可能会导致后面非常麻烦！！！
首先，上图的建模结果是“不可以”直接导入到vrep。因为在导入过程中，vrep会保留原来的坐标系关系，也就是说导入到vrep中就是和图1中的样子一样的，具体可以看图2，从图2中可以看出各个臂处于比较随意的状态，这对于vrep这种软件后期调整起来非常麻烦，因此我们要提前调整好机械臂的位置，使其处于一个便于调整的位置，见图3。

图2 调整前的机械臂 soildworks视图（左） vrep视图（右）

图3 调整后的机械臂 soildworks视图（左） vrep视图（右）

至于怎么调整，一般团队里都有搞机械的小伙伴，和他们说一下要求就可以了，把该对齐的面对齐就可以了。

现在已经准备好了要导入的模型（本节例程模型请点击），那么需要转成什么格式呢？vrep支持好几种三维格式的导入，但是就我自己的使用体验来说，转成STL格式最方便，而且大部分的建模软件可以很容易转成stl格式，本文也是基于stl格式进行讲解。
不同的软件导出的stl格式也是需要注意的，以soildworks为例，选择文件-另存为-保存类型（stl），在选项里选择精细选项。如果你是新手并且模型的规模较小的话，建议选择精细模式，否则你需要根据需求选择精细程度。

图4 导出stl过程

导出stl格式之后，会在文件夹中生成文件，这里需要注意的是有的软件导出后是一个stl文件（将装配体整体导出），soildworks导出的一堆stl文件（每个零件单独一个文件）。如果是一个文件的话，后面会增加一步，不要紧的。

好，到这里导入工作已经完成了，接下来我们将stl文件导入到vrep中。

Step2 导入模型并简单处理

点击菜单栏中的file - Import - Mesh..，具体见图5，找到刚才导出的stl文件，快捷键Ctrl + a选择所有的stl文件，然后点击确定。此时会弹出一个对话框，由于建模软件的坐标系和vrep的不一样，这里选择Y轴朝上，点击OK完成导入，导入的结果见图7。

图5 导入stl文件

图6 导入后的对话框

图7 PUMA650导入后结果

从模型树上可以看到，导入的模型按照不同的零件已经分开，如果你的建模软件导入的是一个整体的话，需要增加一步操作，具体见图8。

图8 将一个整体分解成多个零件
vrep导入过程会随机的改变颜色，所以你导入进来的样子可能和我的不一样。

完成导入后需要整理一下零件，将一些零件进行命名，同时将不需要的一些零件删掉。我们发现导入12个零件，先浏览一遍导入的零件（见图9），发现底座上安装了六个螺栓（见图10），对于仿真是没有用处的，因此删掉。

图9 浏览一遍导入的零件

图10 对仿真无用的螺栓

现在将剩下的零件进行重命名，便于识别。我们用puma560_link0_vision作为起始，依次命名，命名结果如图11.（对应中间文件名称为：vrep4_puam560_step2_1.ttt）

图11 将零件重命名

Step3 提取关键特征，添加运动关节

上面的任务都比较简单，接下来将是一大堆体力活，我们要从导入模型中提取出圆柱体从而确定回转关节位置。
实际上stl文件导入进来的是一堆三角形组合，见图12，可见我们需要从这些三角形中提取出圆柱体，然后利用圆柱体去定位关节位置。主要原因是导入后的模型由于形状特殊，其自身坐标系有可能发生不同程度的旋转，因此最好的办法是从中间提取出vrep常用的primitive shape，即可用于后面的动力学仿真，也可以比较好的约束后续的坐标位置。

注意：由于vrep不同电脑下导入结果的会有细微差异，影响后面的具体操作，因此建议直接用vrep4_puam560_step3_1.ttt这个文件作为起始文件，大家后面的操作从这个文件开始。

图12 stl导入后为三角形组合

这里讲一个我自己的方法，我一般是比较喜欢将要调整的模型拷贝到一个备用的scene，这样所有操作都在这个备用的scene中，避免改坏东西。因此我们先新建一个scene，命名为puma560_backup，将puma560_link1_vision拷贝到这个新文件中，我们要从上面提取出两个圆柱体，从而找到机械臂的前两个回转轴。
选择puma560_link1_vision，点击工具栏左边的按钮（见图13），打开实体编辑界面。

图13 实体操作按钮

图13 实体操作动图

实体编辑界面具有三种操作：

三角形编辑模式（Triangle edit mode）：这个模式下三角形是可见的，可以用来操作三角形从而提取出你需要的形状，常见的形状有长方体、圆柱体和球体。
顶点编辑模式（Vertex edit mode）：这个模式下可以编辑顶点，用来调整模型的形状，还可以通过顶点生成dummy便于后续使用。
边编辑模式（Edge edit mode）：这个模式下用来编辑边，可以从这里提取出边缘的形状。

3.1 提取joint1和joint2

我们这里主要使用第一种三角形编辑模式，现在提取第一个圆柱体，我们这里直接选择这个关节的底面，选择这个面上所有的三角形，对用鼠标挨个选择。选择有两种方式，第一种是直接在窗口中选择三角形，选择之后会改变颜色，也可以在左边的浏览窗口选择。我们先选择编号从251至298的三角形。（摁住Ctrl键，鼠标挨个单击，貌似没有其他的快捷方式，所以说是体力活……）点击提取圆柱体（Extract cylinder），点击确定，生成第一个圆柱体。由于这里选择的是一个底面，因此生成的圆柱体高度几乎为零。根据图15，退出形状编辑模式。

图14 选择第一个底面

图15 退出形状编辑模式

此时在模型树里可以看到多出一个Cylinder的实体，我们现在添加一个关节，将其位置与提取出来的圆柱体进行重合。按照图16的指示（这里分别提供了动图和静态图，方便大家看）进行操作，确定好第一个关节的位置。

如果大家对上述操作不是很熟练的话，请看连载1中图7的操作。

图16 将关节与提取出圆柱体进行重合（动图）

图16 将关节与提取出圆柱体进行重合（静态操作）

获得了第一个关节的位置之后，将其重命名为puma560_joint1，将其拷贝回到原来的文件中，这样第一个关节就完成了。

现在获取第二个关节，依然是使用puma560_link1_vision,进入形状编辑模式，选择Triangle 203 ——Triangle 250，提取第二个圆柱体，利用上述同样操作，得到第二个转动关节puma560_joint2。也将其复制回到原来的文件中，此时文件中应该是图17中的结果，（对应中间文件名称为：vrep4_puam560_step3_1.ttt）

图16 提取第二个圆柱体

图17 整理好前两个关节

3.2 提取其他关节

由于后续提取其他关节为重复工作，提取过程与提取joint1和joint2类似，因此直接放在宝贝链接的Step3提取关节.docx文档中，大家自己打开看吧，就不占用教程篇幅了。

提取其他关节说明

至此，已经完成全部的关节添加工作，也是本教程中最繁琐的一项任务。

Step4 提取实体特征

上面的工作基本完成了运动学的部分，接下来的内容主要用来完善动力学的部分。由于导入的stl文件是mesh属性，实际上仅仅是一层薄壳，不具备动力学特征（质量和转动惯量，就是你点开始仿真，并不会自由落体），而且如果直接用导入模型的话由于细节太丰富，所以极大的影响仿真速度，一般都会将其简化成vrep自带的primitive shape或者是凸面结构（凹面结构物理引擎可能产生很诡异的现象）
在这里，考虑到机械臂的特性，我们将模型提取出为凸面体(convex shape)，因为机械臂工作状态一般旁边不会有障碍物，因此用凸面体来来检测碰撞虽然占用了更多体积，但是一般情况并不会影响结果。

Step4_1 提取凸面体结构

由于提取凸面体会直接替换原来的结构，因此我们将机械臂的puma560_link0_vision到puma560_link5_vision六个结构拷贝到一个新的scene中，先选择puma560_link0_vision，执行下图的操作（Edit->Morph selection into convex shapes），这样就得到了第一个实体，对剩余的其他组件执行同样的操作。