基于VR技術(shù)的采摘機器人動力學(xué)仿真分析.pdf

基于VR技術(shù)的采摘機器人動力學(xué)仿真分析 朱富麗 楊 磊 劉志龍 河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)院 鄭州 河南信息統(tǒng)計職業(yè)學(xué)院 鄭州 摘 要 在采摘機器人的設(shè)計時 為了提高其動力學(xué)設(shè)計的效果 將 R技術(shù)引入到了設(shè)計過程中 采用計算機 軟件創(chuàng)設(shè)虛擬環(huán)境 支持對采摘機器人動力學(xué)進行仿真 并具有數(shù)字化展示功能 可以更好的將產(chǎn)品的初步設(shè)計 展示給設(shè)計者和客戶 使產(chǎn)品具有更好的整體性和協(xié)調(diào)性 為了驗證方法的可靠性 以采摘機器人底座的設(shè)計 為例 對其設(shè)計效果以及設(shè)計耗時進行了測試 測試結(jié)果表明 采用 R技術(shù)可以成功的實現(xiàn)采摘機器人動力學(xué) 設(shè)計 且仿真設(shè)計的周期較短 效率更高 還能獲得更高的用戶滿意度 對于采摘機器人產(chǎn)品的可視化設(shè)計的研 究具有重要的意義 關(guān)鍵詞 采摘機器人 動力學(xué) 仿真分析效果 R技術(shù) 可視化 結(jié)構(gòu)識別 中圖分類號 S225 TP242 文獻標(biāo)識碼 A文章編號 1003 188X 2021 03 0030 05 0 引言 采摘機器人的動力學(xué)設(shè)計是一個具有極大潛力的 研究方向 在采摘機器人功能日趨完善的今天 完美 的動作可以不斷地提高機器人采摘設(shè)備的市場競爭 力 在進行采摘機器人動力學(xué)設(shè)計時 不僅要考慮動 力學(xué)的整體協(xié)調(diào)性 還要考慮人機協(xié)調(diào)和采摘作業(yè)環(huán) 境的協(xié)調(diào) 因此在具體設(shè)計時要對采摘機器人動力學(xué) 的仿真分析設(shè)計進行不斷的調(diào)整 在采摘機器人動 力學(xué)設(shè)計參數(shù)沒有確定之前 借助虛擬設(shè)計環(huán)境對產(chǎn) 品的初步設(shè)計進行展示 將有助于產(chǎn)品動力學(xué)設(shè)計的 完善 提高產(chǎn)品的仿真分析效果 1 現(xiàn)代農(nóng)機動力學(xué)創(chuàng)新設(shè)計 R是 i tu l Re lity的縮寫 即虛擬現(xiàn)實 在 世紀(jì) 年代由美國拉尼爾提出來 含義是利用軟件 技術(shù)和各種控制設(shè)備 在計算機上生成可以交互的三 維沉浸感的環(huán)境 對真實世界進行虛擬仿真模擬 R 技術(shù)利用計算機創(chuàng)建的實體行為仿真和三維動態(tài)視 景 讓用戶沉浸在計算機創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中 可以將 產(chǎn)品的動力學(xué)仿真分析形象逼真的表現(xiàn)出來 讓用戶 充分了解新產(chǎn)品 還可以對產(chǎn)品進行虛擬裝配 以驗 證產(chǎn)品總體的可裝配性 R技術(shù)具有三個重要的特征 包括沉浸性 交互 收稿日期 6 基金項目 河南省教育廳人文社會科學(xué)研究一般項目 JH 作者簡介 朱富麗 女 山東菏澤人 實驗師 碩士 m il yongo sin cn 性和想象性 其中 沉浸性是指用戶完全沉浸于虛擬 環(huán)境中 無論是聽覺還是視覺或者嗅覺等 在進行采 摘機器人動力學(xué)設(shè)計時 更容易讓用戶體驗到新產(chǎn)品 的魅力 交互性是指人和計算機創(chuàng)建的虛擬環(huán)境可 以進行交流 人通過行為和動作 對虛擬環(huán)境中的事 物產(chǎn)生影響 虛擬環(huán)境通過響應(yīng)將信息反饋給用戶 想象性是指用戶在進行虛擬環(huán)境的體驗時 要充分發(fā) 揮主觀想象力 想象自己在真實的世界中 以充分體 驗虛擬環(huán)境 以采摘機器人為例 在進行采摘機器人的動力設(shè) 計時 設(shè)計師開始更加注重機器人的仿真分析效果 而不單純是枯燥的作業(yè)機械 在顏色設(shè)計上也更加注 重動力給人的視覺沖擊效果 圖 為壽光蔬菜科技博 覽會上展出的西紅柿機器人 圖 西紅柿采摘機器人 Fig Tom to picking obot 年 月 農(nóng)機化研究 第 期 該采摘機器人是在壽光十四屆中國蔬菜科技博覽 會上展出的采摘機器人 外部形狀具有人形形狀 擁 有更加形象逼真的仿真分析效果 在進行采摘機器 人外部形狀造型和動力搭配時 為了得到更好的仿真 分析效果和視覺沖擊力 可以采用 R技術(shù)首先進行 虛擬仿真展示效果 然后通過效果的反饋對產(chǎn)品進行 修改 其流程如圖 所示 圖 采摘機器人動力學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計 Fig T e st uctu e nd colo design of picking obot 采用 R虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以對設(shè)計好的產(chǎn)品動力 和結(jié)構(gòu)進行展示 無論是設(shè)計人員還是客戶都可以對 產(chǎn)品的動力學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計指出缺點和不足 然后 根 據(jù)這些缺點和不足對采摘機器人的動力學(xué)和動力進 行修改 再將修改好的材質(zhì)機器人動力學(xué)和動力利用 R技術(shù)進行展示 通過不斷的反饋和修改 最終使材 質(zhì)機器人具有客戶滿意的動力學(xué)和動力效果 使設(shè)計 產(chǎn)品更容易被驗收 2 產(chǎn)品動力學(xué)仿真分析設(shè)計 決定產(chǎn)品動力學(xué)的一個重要因素是產(chǎn)品的動力參 數(shù)和仿真 產(chǎn)品的動力結(jié)構(gòu)需要協(xié)調(diào)一致 盡量不要 互相割裂 讓人產(chǎn)生結(jié)構(gòu)混亂的支離破碎的感覺 同 時 產(chǎn)品動力學(xué)不同結(jié)構(gòu)之間要有機結(jié)合 注意設(shè)計 的視覺心理平衡 也要兼顧人機和環(huán)境的統(tǒng)一及時尚 性等 視覺心理的平衡 動力的仿真分析和心理平 衡具有密切的關(guān)系 只有動感達到心理平衡的要求 才會產(chǎn)生動力協(xié)調(diào)統(tǒng)一的效果 動力的強弱仿真分 析會對動力的分布面積 位置等產(chǎn)生重要的影響 如 將強勁的動力放在上邊 柔弱的動力放在下邊 則會 產(chǎn)生較強的安全感 如果按照相反的方式來放置 則 會增加產(chǎn)品的動感 一般來說 進行動力設(shè)計時 按 照上輕下中和上虛下實的原則 可以增加產(chǎn)品的整體 感和立體化仿真分析效果 人機與動力的協(xié)調(diào) 產(chǎn)品動力設(shè)計一個非常 關(guān)鍵要考慮的因素是人機的和諧統(tǒng)一 如果設(shè)計的效 果好 對于保證人的健康安全 提高工作效率具有重 要意義 相反會產(chǎn)生疲勞 緊張和沉悶等心理 進而影 響工作 在采摘機器人產(chǎn)品動力設(shè)計時 應(yīng)使仿真具 有一定的動感性 提高操作者操作的準(zhǔn)確性 使采摘 機器人的操控人員具有較高的反應(yīng)速度 在保證采摘 質(zhì)量的前提下 提高采摘效率 產(chǎn)品動力與環(huán)境的統(tǒng)一 產(chǎn)品動力設(shè)計時還 要考慮的一個重要因素是與環(huán)境的協(xié)調(diào)性 產(chǎn)品的動 力和環(huán)境的統(tǒng)一可以讓操作者具有較為愉悅的工作 心情 否則會讓人產(chǎn)生心神不安寧的效果 在采摘機 器人設(shè)計時 要重復(fù)考慮作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性 也要根 據(jù)待采摘農(nóng)作物的結(jié)構(gòu) 使采摘機器人和作物結(jié)構(gòu)即 要協(xié)調(diào) 又要有較強的可識別性 以便遠程操控人員 更好地控制采摘機器人 在采摘機器人動力的初步設(shè)計時 為了提高動力 學(xué)動力的設(shè)計效率 可以采用 R虛擬技術(shù) 利用軟件 環(huán)境對其結(jié)構(gòu)之間進行修改 在修改之前需要對結(jié)構(gòu) 進行識別 識別流程如圖 所示 圖 結(jié)構(gòu)識別流程示意圖 Fig T e flow di g m of colo ecognition 通過結(jié)構(gòu)平衡原理對動作對象的結(jié)構(gòu)進行識別 后 可以得到結(jié)構(gòu)的灰度值 在 R系統(tǒng)中對動力進行 改變時 可以采用灰度線性變換的方法 圖像的灰度 年 月 農(nóng)機化研究 第 期 變換主要是將采集得到的一個圖像灰度值函數(shù)f x y 利用一個變換函數(shù)g T f 轉(zhuǎn)換為新的灰度函數(shù) g x y 表達式為 g x y T f x y 如式 所示 如果想改變某一個部分的顏色 可 以對其灰度進行線性拉伸 假設(shè)圖像f i j 灰度范 圍是 a b 通過線性變換后可以得到圖像g i j 的 范圍為 a b 如圖 所示 圖 圖像顏色灰度變換示意圖 Fig T e G y sc le t nsfo m tion of im ge colo 采用線性變換可以某個區(qū)域的結(jié)構(gòu)的灰度值進行 修改 將區(qū)域內(nèi)的灰度強行變成a和b 從而得到采摘 機器人動力學(xué)動力需要的設(shè)計顏色 其中 g i j 與 f i j 之間的關(guān)系為 g i j a b a b a f i j a 在實際進行顏色變換時 需要變換的范圍很多是 非線性的 需要引入非線性變換方法 本次采用對數(shù) 變換方法 其表達式為 g i j a ln f i j b lnc 其中 a b c為調(diào)整系數(shù) 當(dāng)顏色需要調(diào)整的范 圍較大時 可以采用指數(shù)變換的形式 即 g i j bc f i j a 灰度變換的方法還有很多 在 R虛擬環(huán)境中可 以根據(jù)采摘機器人產(chǎn)品動力學(xué)動力設(shè)計的實際需要 選擇合理的方法 3 采摘機器人產(chǎn)品動力學(xué)和色度設(shè)計 為了實現(xiàn)基于 R技術(shù)的采摘機器人產(chǎn)品動力學(xué) 仿真分析設(shè)計 需要借助于虛擬仿真軟件 當(dāng)前最常 使用的虛擬環(huán)境創(chuàng)設(shè)軟件主要有 utodesk S owc se utodesk ds x Design和R ino 犀牛 等 utodesk S owc se是一款設(shè)計可視化軟件 對于 產(chǎn)品的動力學(xué)和一些可以操縱的地方 該軟件可以輕 松地進行改變 并集成了光纖跟蹤功能 可以展示出 空間感和環(huán)境等特征因素 從而實現(xiàn)產(chǎn)品的特征傳 播 utodesk ds x Design是一款虛擬渲染的軟件 可以為用戶提供逼真的圖像設(shè)計和展示功能 還可以 對產(chǎn)品的樣機進行數(shù)字化設(shè)計 給產(chǎn)品的設(shè)計過程帶 來了極大的便利 R ino可以在Windows系統(tǒng)中建立 編輯 分析和 轉(zhuǎn)換 URBS曲線 曲面和實體的三維多功能建模軟 件 不管設(shè)計的產(chǎn)品是具體的還是抽象的 R ino都可 以快速的生成虛擬模型 具有較強的虛擬表現(xiàn)能力 如圖 圖6所示 當(dāng)前采摘機器人的設(shè)計動力學(xué) 和色度設(shè)計往往比較簡單 一般都是追求功能上的設(shè) 計 當(dāng)采摘功能日趨完善后 需要考慮產(chǎn)品的動力學(xué) 和動力設(shè)計 以使機器人具有更好的綜合競爭能力 圖 采摘機器人示意圖 Fig Picking obot di g m 圖6 仿真分析動力學(xué)設(shè)計 Fig 6 t ppe nce design 年 月 農(nóng)機化研究 第 期 以采摘機器人底座的設(shè)計為例 在進行底座設(shè)計 時 可以綜合采用前述的 R軟件 將底座設(shè)計為流線 型 使用較強的黑色作為底部顏色 使產(chǎn)品展示出了 更好的動感性 達到了較好的仿真分析效果 如表 所示 對使用和不使用 R技術(shù)的產(chǎn)品動 力學(xué)設(shè)計周期進行了對比 可以看出 采用 R技術(shù)可 以有效的縮短產(chǎn)品動力學(xué)設(shè)計的周期 提高設(shè)計效 率 表 設(shè)計周期對比 T ble Design cycle comp ison天 設(shè)計編次使用 R技術(shù)設(shè)計周期不使用 R技術(shù)設(shè)計周期 6 6 6 6 6 6 為了進一步驗證采用 R技術(shù)的優(yōu)勢 對采摘機器 人動力學(xué)設(shè)計效果完成后的客戶滿意度進行了對比 如表 所示 由對比結(jié)果可以看出 采用 R技術(shù)可以 獲得更高的客戶滿意度 從而驗證了方法的可靠性 表 客戶滿意度對比 T ble Custome s tisf ction cont st 設(shè)計編次使用 R技術(shù)客戶滿意度不使用 R技術(shù)客戶滿意度 6 6 6 6 6 4 結(jié)論 為了提高采摘機器人產(chǎn)品動力學(xué)動力仿真分析設(shè) 計的效率 將 R技術(shù)引入到了采摘機器人的設(shè)計過 程中 并通過軟件創(chuàng)設(shè)虛擬環(huán)境的方法 對采摘機器 人產(chǎn)品動力學(xué)結(jié)構(gòu)進行修改和展示 有效提高了動力 學(xué)的仿真分析設(shè)計效果 為了驗證該方法的可行性 以采摘人的底座設(shè)計為例 對采摘機器人動力學(xué)動力 仿真分析效果的設(shè)計進行了測試 并對設(shè)計周期和用 戶滿意度進行了統(tǒng)計 測試和統(tǒng)計結(jié)果表明 R虛 擬技術(shù)可以成功的對采摘機器人產(chǎn)品的動力學(xué)和色 度進行設(shè)計 且具有周期短 效果高的優(yōu)點 可以獲得 更高的客戶滿意度 參考文獻 李震 張帆 吳明帥 等 Civil D與 nf wo ks三維協(xié)同設(shè) 計在總圖專業(yè)中的應(yīng)用 J 油氣儲運 6 6 6 6 孫靚 盧大瑋 劉亮 等 面向三維立體動畫制作的視差可 視化調(diào)節(jié)方法設(shè)計與實現(xiàn) J 計算機輔助設(shè)計與圖形 學(xué)學(xué)報 田子建 雷婧 劉社育 等 煤礦特種作業(yè)人員安全培訓(xùn)面 臨的問題與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用 J 中國煤炭 王進豐 李南輝 王寧 基于C T O P 的水電 工程三維協(xié)同設(shè)計 J 人民長江 6 劉德建 劉曉琳 張琰 等 虛擬現(xiàn)實技術(shù)教育應(yīng)用的潛 力 進展與挑戰(zhàn) J 開放教育研究 6 6 石巧 侯建霞 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在口腔診療操作培訓(xùn)中的應(yīng) 用 J 國際口腔醫(yī)學(xué)雜志 6 麥王向 張朝霞 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在腦卒中患者步態(tài)康復(fù)中 的應(yīng)用進展 J 中國康復(fù)理論與實踐 6 王同聚 虛擬和增強現(xiàn)實 R R 技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用 與前景展望 J 數(shù)字教育 高建洪 胡志華 孫涌 基于 R 的交互虛擬產(chǎn)品展示 技術(shù) J 蘇州大學(xué)學(xué)報 自然科學(xué)版 姜學(xué)智 李忠華 國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀 J 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報 自然科學(xué)版 賀雪晨 趙彥 基于 R 的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在世博會場 館模型中的應(yīng)用 J 現(xiàn)代電子技術(shù) 6 張玉 黃新周 江明耿 等 農(nóng)業(yè)機械標(biāo)貼設(shè)計淺談 J 裝備制造技術(shù) 田金 田雪 竇元晨 現(xiàn)代農(nóng)機設(shè)計中的機械動力學(xué)創(chuàng)新 J 南方農(nóng)機 6 王崢 陳童 虛擬現(xiàn)實的概念及其技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成 J 現(xiàn) 代傳播 夏紅霞 劉春燕 鄒承明 基于Di ect D的虛擬三維場景 漫游系統(tǒng)實現(xiàn) J 計算機與信息技術(shù) 6 劉勇奎 圖形裁剪算法研究 J 計算機工程與應(yīng)用 周寧 趙雁南 楊澤紅 基于虛擬現(xiàn)實的中國古建筑虛擬 年 月 農(nóng)機化研究 第 期 重建 J 6 馮文博 羅維亮 數(shù)字媒體仿真分析專業(yè) 技術(shù) 仿真分 析 培養(yǎng)體系研究 J 現(xiàn)代裝飾 理論 6 6 盧潔 游運華 馬燕 等 基于 R 的動物解剖虛擬實 驗的交互設(shè)計 J 計算機仿真 66 6 楊衛(wèi)平 禹亮 張偉 等 基于 D的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng) 的研究 J 電腦知識與技術(shù) 葛文慶 徐建成 工程制圖模型虛擬實驗系統(tǒng)研究與實 現(xiàn) J 中國石油大學(xué)學(xué)報 自然科學(xué)版 6 6 盧宇 陳宏敏 賴恒 等 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在光學(xué)實驗教學(xué) 中的應(yīng)用 J 福建師范大學(xué)學(xué)報 自然科學(xué)版 6 李自力 虛擬現(xiàn)實中基于圖形與圖像的混合建模技術(shù) J 中國圖像圖形學(xué)報 6 6 鮑彥如 任長明 J v D實現(xiàn) R 瀏覽器的新途徑 J 計算機應(yīng)用研究 王紅兵 虛擬現(xiàn)實技術(shù)回顧與展望 J 計算機工程與應(yīng) 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 農(nóng)機化研究 第 期