怎样用unity3d实现机械臂建模来抓取物体和放下？

RecursiveFrog 发表于 2022-1-16 07:09

谢邀
人在工地，刚下板筋网
这确实是一个很好的问题，我这边大概花了2h，用3dsMax撸了个手子的模型，然后去Unity里做了下核心功能，效果如下

https://www.zhihu.com/video/1464725159672623104
<hr/>抓取放下物体不过是一个动添更新父子树+Collider碰撞检测的简单问题，没什么技术含量的

这个问题最核心的地方，是如何根据末端机械手的目标位置（要抓取的目标物体），反向求解出机械臂父链节点的姿态，并实现机械臂的动画效果
在动画模式上区别于传统的角色关键帧动画(Key-Frame Animation)，这里就需要我们使用计算动画(Caculate Animation)的模式
因为机械臂要抓取的目标点可能是空间内的任意位置，无法通过关键帧动画进行预制作+实时采样输出，而是需要我们实时的根据所需的目标点来生成机械臂的动画
在运动模式上，机械臂的各个节点呈父子关系嵌套，会形成FK(Front Kinematics)正向运动效应，父节点的运动会影响子节点相对世界的运动(父--->子)，但在动画解算中，我们却是要根据末端子节点的位置，来解算父链节点的姿态(子--->父)，也就是所谓的IK(Inverse Kinematics)逆向运动学

求解链状体的逆向运动学是一个很复杂的问题，因为往往是有无穷多解的，很难给出一个线性的解析式
（请想象一下你拿着一条锁链的两端，锁链并没有因为你拿着两端就被完全固定，它中间的链节仍可以随意振动）
这里用到了一种比较主流的，基于迭代的求解方法，被称作CCD(Cyclic Coordinate Descent)循环坐标下降法
它的思路如下：

如果最终我们找到了某一个符合要求的姿态，那么一定满足，所有父链节点与末端节点的连线均指向目标点

每一次迭代，我们从父节点到子节点进行一次遍历，每个节点要旋转的角度，等于该节点指向末端的向量，与该节点指向目标点的夹角

每个节点旋转完成后，都保证它与末端节点的连线能够指向目标点
但每个节点旋转过后，会破坏其它节点的指向性
不过在多次迭代之后，依托于初始状态的限制，以及我们遍历节点的顺序的限制，整个链状体的姿态会逐渐收敛向一个唯一的最终结果上
<hr/>ok核心功能的实现思路大致如上所述
当然具体细节方面的话，我们得创造一套bones骨骼节点来使用CCD迭代计算结果，完成后再将arms机械臂节点通过Update插值匹配到结果上从而形成动画
bones骨骼节点是要比arms机械臂节点多一个小末端节点的，这个节点用于指示和目标点的匹配，并和其它父节计算指向向量
以及要特别注意约束问题，我们这里只是做了一个简单的平面内的CCD计算，建模时要注意把机械臂建在一个平面内，机械臂的节点轴心要调整对位，在计算旋转时，也要注意将向量/位置投影到本地的坐标平面内部进行计算
诸如此类的细节问题就有点太多了...不便展开了，这篇点赞能上去再更吧，说不定都没人看呢，明天还要上工地实习呢早点睡了（咕咕咕）

贴一下控制机械臂的C#脚本代码
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class CCDCon : MonoBehaviour//机械臂控制脚本
{

//CCD控制

Transform pbone;//骨骼承台节点

int depth = 0;//节点深度- 脚本所在的物体是承台，往下depth数量的节点为机械臂

int ccdDepth = 5;//CCD迭代次数

float rotateTime = 3.0f;//旋转匹配时间

float nowTime = 0;//当前时间

List<Transform> bones;//骨骼节点

List<Transform> arms;//臂节点

Transform bonePoint;//骨骼末端点

List<Quaternion> baseRotation;//初始旋量

List<Quaternion> armRotation;//机械臂节点的初始旋量

//状态相关

public enum ArmState
{
   rotate, //正在旋转
   stati //已静止
}

ArmState armState = ArmState.stati;

public ArmState AState {
   get {
         return armState;
   }
}

private void Awake()
{
   arms = new List<Transform>();
   bones = new List<Transform>();
   baseRotation = new List<Quaternion>();
   armRotation = new List<Quaternion>();

   Transform pre = gameObject.transform;
   Transform preb = pbone.transform;

   armRotation.Add(gameObject.transform.rotation);

   for (int i = 0; i < depth; ++i) {
         pre = pre.GetChild(0);
         preb = preb.GetChild(0);

         arms.Add(pre);
         bones.Add(preb);
         baseRotation.Add(preb.transform.localRotation);
         armRotation.Add(pre.transform.localRotation);
   }

   bonePoint = preb.GetChild(0);//骨骼末端点

}

Vector3 bonetopoint;//骨骼指向末端点向量
Vector3 bonetotar;//骨骼指向目标点向量
Vector3 vec;
float angle;//旋转角度
Vector3 axis;//转轴

public void ccdgo(Vector3 p)//解算CCD尝试够到世界坐标p位置
{

   if (armState == ArmState.rotate)
         return; //如果正在旋转应忽略

   //骨骼承台对准
   pbone.LookAt(new Vector3(p.x, pbone.transform.position.y, p.z), Vector3.up);

   //骨骼节点初始化旋转
   for (int i = 0; i < depth; ++i)
         bones.transform.localRotation = baseRotation;

   //

   //CCD解算骨骼节点
   for (int i = 0; i < ccdDepth; ++i) { //迭代次数

         for (int j = 0; j < depth; ++j) { //依次计算每根骨骼的旋量

            vec = bones.InverseTransformPoint(bonePoint.position);//转入本地坐标
            bonetopoint = new Vector3(vec.x, 0, vec.z).normalized;//Y轴强制归0，化为平面内旋转

            vec = bones.InverseTransformPoint(p);//转入本地坐标
            bonetotar = new Vector3(vec.x, 0, vec.z).normalized;//Y轴强制归0，化为平面内旋转

            angle = Vector3.Angle(bonetopoint, bonetotar);

            axis = Vector3.Cross(bonetopoint, bonetotar).normalized;//通过叉积计算转轴，注意预先确认向量顺序和正旋顺序（Unity左手系要用左手螺旋）

            bones.Rotate(axis, angle);

         }

   }

   //操作机械臂节点匹配

   //机械臂直接匹配
   //gameObject.transform.rotation = pbone.rotation;

   //for (int i = 0; i < depth; ++i)
   // arms.rotation = bones.rotation;

   //设置状态 Update 插值匹配

   armState = ArmState.rotate;
   nowTime = 0;

   armRotation = gameObject.transform.rotation;//记录承台旋量

   for (int i = 1; i <= depth; ++i)
         armRotation = arms.localRotation;

}

public void ccdReset() //复位
{
   if (armState == ArmState.rotate) return;//如果正在旋转应忽略

   //对准承台
   pbone.rotation = gameObject.transform.rotation;

   //骨骼复位
   for (int i = 0; i < depth; ++i)
         bones.localRotation = baseRotation;

   //设置状态 Update 插值匹配

   armState = ArmState.rotate;
   nowTime = 0;

   armRotation = gameObject.transform.rotation;//记录承台旋量

   for (int i = 1; i <= depth; ++i)
         armRotation = arms.localRotation;
}

float lerp;
private void Update()
{
   if (armState == ArmState.rotate) {//正在旋转匹配的
         nowTime += Time.deltaTime;
         if (nowTime >= rotateTime) { //匹配已经完成
            armState = ArmState.stati;

            gameObject.transform.rotation = pbone.rotation;

            for (int i = 0; i < depth; ++i)
               arms.localRotation = bones.localRotation;
         }
         else {
            lerp = nowTime / rotateTime;

            gameObject.transform.rotation = Quaternion.Slerp(armRotation, pbone.rotation, lerp);

            for (int i = 1; i <= depth; ++i)
               arms.localRotation = Quaternion.Slerp(armRotation, bones.localRotation, lerp);
         }
   }
}

}

这里是Randy
大四即将毕业的土木狗，希望能成为优秀的傀儡师（动作TA）
2022/01/12

TheLudGamer 发表于 2022-1-16 07:12

BlaXuan 发表于 2022-1-16 07:16

为实现机械臂的末端随之前的关节转动而转动的效果，可以采用父子关系实现这种父臂带动子臂动的效果。所有物体依次成父子关系排列。在hierarchy栏里排成一大长串。也可以直接在hierarchy栏中拖动，也可以在脚本中实现父子关系。

页: [1]

Unity开发者联盟's Archiver

怎样用unity3d实现机械臂建模来抓取物体和放下？