- [連載 0]Vrep入門介紹
- [連載 1]Vrep小車模組化——前進和轉向
- [連載 2]Vrep小車模組化——内嵌腳本
- [連載 3]Vrep小車模組化——matlab控制
- [連載 4]Vrep導入三維模型——PUMA560機械臂
- [連載 5]Vrep--Matlab Robitic Toolbox--PUMA560機械臂控制
- [番外 1]Vrep小車機械臂抓取
- [Lib庫 1]CoppeliaSim差分避障小車的Simulink實作 (B站視訊講解)
- [Lib庫 2]CoppeliaSim機械臂抓取的Simulink實作 (B站視訊講解)
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知乎專欄：Vrep機器人動力學模組化仿真
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算法都是非常标準基礎的。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。
本節主要介紹如何将三維模型，導入到vrep中，vrep自帶例程中這部分講的實在是太爛，條理不清楚，我這裡抛磚引玉，用動畫和截圖的方式将過程記錄下來，并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，但是由于宣傳少、使用者少，我現在所知道的國内也就十幾所大學有用到的，而且大部分是研究所學生。依稀記得大學用adams非常痛苦，MSC公司的軟體設計不僅其醜無比，而且正版費用特别高，是以才做此教程，為vrep的推廣盡自己的一點貢獻。
此教程是基于
vrep 3.5.0版本制作的，初學可以先安裝此版本進行學習，後面再使用更新的版本。（舊版下載下傳連結：連結：https://pan.baidu.com/s/1PIl5t-Pwx2dawOIHfzDelA提取碼：qirx）
本節介紹
在推出連載1之後，很多同學問我貼紙是怎麼制作的，本節就介紹如何将三維模型導入到vrep中，并進行不同的處理。這個示例采用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。
- 本節先介紹如何将三維模型導入到vrep中并建立實際仿真模型；
- 下一節介紹PUMA560得DH矩陣描述，控制機械臂實作一定功能；
- 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：
- 導入前準備工作
- 導入模型并簡單處理
- 提取關鍵特征，添加運動關節
- 提取實體特征
step1 準備工作
首先要在模組化軟體中建立機械臂模型，我這裡用的是soildworks，模組化完的效果如下圖：
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！！-
導入過程是一個體力活，前期的一點問題可能會導緻後面非常麻煩！！！
首先，上圖的模組化結果是“不可以”直接導入到vrep。因為在導入過程中，vrep會保留原來的坐标系關系，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于比較随意的狀态，這對于vrep這種軟體後期調整起來非常麻煩，是以我們要提前調整好機械臂的位置，使其處于一個便于調整的位置，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）
至于怎麼調整，一般團隊裡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。
- 現在已經準備好了要導入的模型（本節例程模型請點選），那麼需要轉成什麼格式呢？vrep支援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
格式最友善，而且大部分的模組化軟體可以很容易轉成stl格式，本文也是基于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
檔案-另存為-儲存類型（stl）
圖4 導出stl過程
導出stl格式之後，會在檔案夾中生成檔案，這裡需要注意的是有的軟體導出後是一個stl檔案（将裝配體整體導出），soildworks導出的一堆stl檔案（每個零件單獨一個檔案）。如果是一個檔案的話，後面會增加一步，不要緊的。
好，到這裡導入工作已經完成了，接下來我們将stl檔案導入到vrep中。
Step2 導入模型并簡單處理
點選菜單欄中的
file - Import - Mesh..
，具體見圖5，找到剛才導出的stl檔案，快捷鍵
Ctrl + a
選擇所有的stl檔案，然後點選确定。此時會彈出一個對話框，由于模組化軟體的坐标系和vrep的不一樣，這裡選擇Y軸朝上，點選
OK
完成導入，導入的結果見圖7。
圖5 導入stl檔案
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，如果你的模組化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 将一個整體分解成多個零件
vrep導入過程會随機的改變顔色，是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，将一些零件進行命名，同時将不需要的一些零件删掉。我們發現導入12個零件，先浏覽一遍導入的零件（見圖9），發現底座上安裝了六個螺栓（見圖10），對于仿真是沒有用處的，是以删掉。
圖9 浏覽一遍導入的零件
圖10 對仿真無用的螺栓
現在将剩下的零件進行重命名，便于識别。我們用
puma560_link0_vision
作為起始，依次命名，命名結果如圖11.（對應中間檔案名稱為：vrep4_puam560_step2_1.ttt）
圖11 将零件重命名
Step3 提取關鍵特征，添加運動關節
上面的任務都比較簡單，接下來将是一大堆體力活，我們要從導入模型中提取出圓柱體進而确定回轉關節位置。
實際上stl檔案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于形狀特殊，其自身坐标系有可能發生不同程度的旋轉，是以最好的辦法是從中間提取出vrep常用的primitive shape，即可用于後面的動力學仿真，也可以比較好的限制後續的坐标位置。
注意 ：由于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，是以建議直接用 vrep4_puam560_step3_1.ttt
圖12 stl導入後為三角形組合
這裡講一個我自己的方法，我一般是比較喜歡将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。是以我們先
建立一個scene
，命名為
puma560_backup
，将
puma560_link1_vision
拷貝到這個新檔案中，我們要從上面提取出兩個圓柱體，進而找到機械臂的前兩個回轉軸。
選擇
puma560_link1_vision
，點選工具欄左邊的按鈕（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：
- 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進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。
- 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便于後續使用。
- 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，第一種是直接在視窗中選擇三角形，選擇之後會改變顔色，也可以在左邊的浏覽視窗選擇。我們先選擇編号從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，是以說是體力活……）點選提取圓柱體（Extract cylinder），點選确定，生成第一個圓柱體。由于這裡選擇的是一個底面，是以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
此時在模型樹裡可以看到多出一個Cylinder的實體，我們現在添加一個關節，将其位置與提取出來的圓柱體進行重合。按照圖16的訓示（這裡分别提供了動圖和靜态圖，友善大家看）進行操作，确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 将關節與提取出圓柱體進行重合（動圖）
圖16 将關節與提取出圓柱體進行重合（靜态操作）
獲得了第一個關節的位置之後，将其重命名為
puma560_joint1
，将其拷貝回到原來的檔案中，這樣第一個關節就完成了。
現在擷取第二個關節，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
。也将其複制回到原來的檔案中，此時檔案中應該是圖17中的結果，（對應中間檔案名稱為：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
由于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，是以直接放在寶貝連結的
Step3提取關節.docx
文檔中，大家自己打開看吧，就不占用教程篇幅了。
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 提取實體特征
上面的工作基本完成了運動學的部分，接下來的内容主要用來完善動力學的部分。由于導入的stl檔案是mesh屬性，實際上僅僅是一層薄殼，不具備動力學特征（品質和轉動慣量，就是你點開始仿真，并不會自由落體），而且如果直接用導入模型的話由于細節太豐富，是以極大的影響仿真速度，一般都會将其簡化成vrep自帶的primitive shape或者是凸面結構（凹面結構實體引擎可能産生很詭異的現象）
在這裡，考慮到機械臂的特性，我們将模型提取出為凸面體(convex shape)，因為機械臂工作狀态一般旁邊不會有障礙物，是以用凸面體來來檢測碰撞雖然占用了更多體積，但是一般情況并不會影響結果。
Step4_1 提取凸面體結構
由于提取凸面體會直接替換原來的結構，是以我們将機械臂的
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，對剩餘的其他元件執行同樣的操作。
提取凸面體結構
操作完成後，将各個部件重命名為
puma560_link0
到
puma560_link5
，此時可以得到下圖：（對應檔案名為
vrep4_puam560_step4_1_backup.ttt
）
全部提取為凸面體結構
設定動力學屬性
此時電機開始仿真發現仍然沒有自由落體，因為還沒有設定動力學屬性。接下來我們設定凸面體的
品質
和
respondable
的屬性。這裡從**``puma560_link1
**開始，根據下圖設定動力學屬性，注意
local respondable mask`是僅點第一個對勾。
設定link1的動力學屬性
根據同樣的方式設定link2——link5的動力學屬性，唯一差别為
local respondable mask
依次點第二個對勾、第三個對勾……例如第link5的屬性為：（對應檔案為
vrep4_puam560_step4_1_backup2.ttt
）
link5的動力學屬性
完成上述步驟之後，可以點選仿真按鈕，應該會看到自由落體的情況。将這些凸面體拷貝回到原來的檔案中，重新調整模型樹，按照如下的方式進行排列，确定依賴關系，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，是以我們要将其隐藏起來，操作看下圖（注意選擇多個凸面體的時候按住
Ctrl鍵
）
隐藏凸面體
此時點選仿真，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：（注意要設定一下關節扭矩，預設2.5Nm太小了，這裡先設定為100Nm）
設定電機為位置控制模式
（對應最終檔案名稱為：vrep4_puam560_step4_2.ttt）
結語
這篇從準備内容到最後形成文稿，花費了我差不多兩周左右的業餘時間，真是内容有點多，以至于後面Step4裡我都沒有具體講，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~~
有同學說加載不了二維碼，我直接放微信号大家搜尋吧，微信号是monkey61_1，歡迎交流哈
https://u.wechat.com/MIXGPFx3pmLt0sF7d6MEh-w (二維碼自動識别)