软体机械臂3D仿真系统

基于PyQt5和pyqtgraph的软体机械臂实时3D仿真系统，支持GPU加速、实时可视化、状态保存和图片导出功能。

项目简介

本项目实现了一个完整的软体机械臂仿真系统，包含：

• 实时3D可视化（基于PyQt5和pyqtgraph）
• 正运动学计算（支持PCC模型）
• GPU/CPU双模式计算
• 弯曲角度控制（0-180度）
• 弯曲方向控制（0°, 120°, 240°）
• 状态固定和恢复功能
• 自动视角优化（避免重叠）
• 图片导出功能

功能特点

1. 实时3D可视化

• 基于pyqtgraph的OpenGL渲染
• 实时显示机械臂的3D结构
• 白色背景，便于观察
• 平滑的动画效果（60 FPS）

2. 灵活的弯曲控制

• 弯曲角度控制：0-180度（滑块精度0.1度）
• 弯曲方向控制：0°, 120°, 240°（对应三个电机方向）
• 任意段选择：可以选择1-14号气囊中的任意一个作为柔性段

3. 状态管理

• 固定状态：可以固定任意段的弯曲状态
• 状态恢复：切换柔性段时自动恢复之前的状态
• 清除功能：可以清除所有固定状态

4. 图片导出

• 一键保存当前状态为图片
• 自动优化视角，避免重叠
• 使用气囊中心位置作为坐标点
• XYZ轴统一分度，便于观察

5. 性能优化

• GPU加速：支持CUDA加速计算（需要PyTorch和CUDA）
• 平滑动画：插值实现平滑过渡效果
• 高效渲染：优化的网格生成和渲染

安装要求

必需依赖

pip install PyQt5
pip install pyqtgraph
pip install numpy
pip install matplotlib

可选依赖（GPU加速）

pip install torch
# 需要CUDA支持（如果使用GPU）

完整安装

pip install PyQt5 pyqtgraph numpy matplotlib torch

使用方法

启动仿真器

python pyqt5_simulator.py

基本操作

1. 选择柔性段：

   • 在"柔性段选择"下拉框中选择要控制的段（1-14号气囊）

2. 调整弯曲角度：

   • 使用"弯曲角度 θ"滑块调整角度（0-180度）
   • 实时显示当前角度值

3. 调整弯曲方向：

   • 在"弯曲方向 φ"下拉框中选择方向（0°, 120°, 240°）

4. 固定状态：

   • 点击"固定当前状态"按钮，固定当前段的弯曲状态
   • 固定后，该段会保持当前弯曲角度和方向

5. 保存图片：

   • 点击"保存图片"按钮
   • 选择保存路径
   • 系统会自动优化视角并生成图片

6. 其他功能：

   • 重置：重置所有状态
   • 随机配置：随机生成一个配置
   • 清除所有固定：清除所有固定状态

状态显示

右侧控制面板显示：

• 当前柔性段编号
• 弯曲角度（度）
• 曲率（1/m）
• 弯曲方向（度）
• 末端执行器位置（X, Y, Z，单位：cm）

文件结构

pythonProject/
├── pyqt5_simulator.py          # 主仿真器（PyQt5界面）
├── unified_model.py            # 统一模型（正运动学、GPU支持）
├── arm_parameters.py           # 机械臂物理参数
├── arm_visualizer.py           # 3D可视化工具（网格生成）
├── space_definition.py         # 空间定义（关节空间、任务空间、驱动空间）
├── visualization.py            # 2D可视化工具（matplotlib）
├── simple_image_generator.py   # 简化图片生成器（保存图片）
├── test_model.py               # 模型测试脚本
└── README.md                   # 本文件

核心模块说明

1. pyqt5_simulator.py

主仿真器，包含：

• PyQt5用户界面
• 实时3D显示（pyqtgraph OpenGL）
• 控制面板（滑块、按钮等）
• 状态管理

2. unified_model.py

统一模型，包含：

• 正运动学计算（PCC模型）
• GPU/CPU支持
• 关节空间到任务空间转换

3. arm_parameters.py

物理参数配置：

• 气囊尺寸（1-6号：10cm高，7-14号：5cm高）
• 材料参数（刚度等，PVC材质）
• 驱动参数（电机方向、绳半径等）

4. arm_visualizer.py

3D可视化工具：

• 圆柱体网格生成
• 弯曲圆柱体网格生成（带压缩效果）
• 平滑连接处理

5. simple_image_generator.py

图片生成器：

• 简化的3D可视化
• 自动视角优化
• 统一坐标轴分度

技术细节

坐标系定义

• Z轴：向下为正（机械臂从顶部向下延伸）
• X轴：指向0°方向
• Y轴：指向90°方向
• 顶部固定：机械臂顶部位置固定
• 底部初始位置：底部初始在(0, 0, 0)

PCC模型

使用Piecewise Constant Curvature（分段恒定曲率）模型：

• 每个柔性段视为恒定曲率的圆弧
• 曲率：kappa = theta / L（theta为弯曲角度，L为段长度）
• 弯曲方向：相对于电机方向的局部坐标系

压缩效果

弯曲时的压缩效果：

• 压缩方式：高度压缩（不是半径压缩）
• 压缩范围：0.6-0.85（内侧压缩更多）
• 内外层：内外层都压缩，内侧压缩更多

视角优化算法

保存图片时自动优化视角：

1. 测试多个视角组合（仰角10-60度，方位角0-360度）
2. 计算投影后的点对距离
3. 检测重叠（距离小于阈值）
4. 选择重叠最少、分布最均匀的视角

使用示例

示例1：基本使用

from pyqt5_simulator import SoftArmSimulator
from PyQt5.QtWidgets import QApplication
import sys

app = QApplication(sys.argv)
simulator = SoftArmSimulator()
simulator.show()
sys.exit(app.exec_())

示例2：使用模型计算

from unified_model import UnifiedSoftArmModel
import numpy as np

# 创建模型（使用GPU）
model = UnifiedSoftArmModel(use_gpu=True)

# 设置柔性段（4号气囊）
model.set_flexible_segment(4)

# 设置弯曲角度和方向
# 弯曲角度：60度 -> 曲率 = 60度 / 段长度
segment_length = model.arm_params.segment_heights[3]  # 4号气囊长度
bending_angle_rad = np.radians(60)
kappa = bending_angle_rad / segment_length
phi = np.radians(0)  # 0度方向

model.set_joint_state(kappa, phi)

# 计算正运动学
T_EE, T_list = model.forward_kinematics()
print(f"末端位置: {T_EE[:3, 3]}")

示例3：保存图片

from simple_image_generator import generate_simple_arm_image_from_simulator

# 从仿真器生成图片
output_path = generate_simple_arm_image_from_simulator(simulator, 'output.png')
print(f"图片已保存到: {output_path}")

参数说明

机械臂参数

• 气囊数量：14个圆环形气囊
• 1-6号气囊：高度10cm，外径5cm，内径3cm
• 7-14号气囊：高度5cm，外径5cm，内径3cm
• 总长度：1.0m
• 电机方向：0°, 120°, 240°（三个方向）
• 绳半径：5cm

控制参数

• 弯曲角度范围：0-180度
• 弯曲方向：0°, 120°, 240°（离散）
• 曲率范围：0-50.0 1/m（根据段长度自动计算）

注意事项

1. GPU加速：

   • 需要安装PyTorch和CUDA
   • 如果没有GPU或CUDA不可用，会自动切换到CPU模式

2. 坐标系：

   • 内部计算使用Z轴向下为正
   • 显示时已翻转，便于观察

3. 固定状态：

   • 固定状态会保存在内存中
   • 切换柔性段时会自动恢复固定状态

4. 图片保存：

   • 图片使用matplotlib生成
   • 自动优化视角，避免重叠
   • 使用气囊中心位置作为坐标点

常见问题

Q: 如何启用GPU加速？

A: 确保安装了PyTorch和CUDA，程序会自动检测并使用GPU。

Q: 为什么保存的图片和显示不一致？

A: 图片使用气囊中心位置，而显示使用段端点。两者略有差异是正常的。

Q: 如何调整视角优化参数？

A: 修改simple_image_generator.py中的find_best_view_angle函数参数。

Q: 如何修改机械臂参数？

A: 修改arm_parameters.py中的ArmParameters类。

开发信息

• 开发环境：Python 3.11
• 主要框架：PyQt5, pyqtgraph
• 计算引擎：NumPy, PyTorch (可选)
• 可视化：pyqtgraph (OpenGL), matplotlib

许可证

本项目仅供学习和研究使用。

更新日志

最新版本

• 支持弯曲角度控制（0-180度）
• 自动视角优化
• 统一坐标轴分度
• 使用气囊中心位置生成图片
• 顶部固定，底部初始位置在(0,0,0)

联系方式

如有问题或建议，请通过项目仓库提交Issue。