（机械电子工程专业论文）基于三维虚拟环境机器人运动仿真及离线编程技术研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 本文透过对机器人及其工作环境的几何模型的控制和操作，在离线的情况下完成了机 器人工作过程的路径规划、轨迹规划及编程，并建立了机器人运动仿真模型，实现了机器 人工作过程三维图形仿真，对编程结果迸行了检验。该种编程方法具有简单直观、成本低 廉、安全可靠、高效省时、真实可信的特点，是提高工作质量、提高编程效率和实现集成 的一个保证。 本文对三维图形仿真及离线编程系统的关键技术进行了研究，包括以下几个方面： 分析了机器人各个关节之间的位置和姿态之间的关系，建立了机器人运动学的数学模 型。利用m a t l a b s i m u l i n k 完成了机器人运动学的二次建模，建立了机器人运动学的仿真 模型。并用实例验证了仿真模型的正确性。 利用机器人及工件的三维虚拟模型，结合工作特点提取了工作特征信息，经过对特征 信息进行处理，采用离线编程的方法对机器人上胶工作实现路径规划。经过分段路径规划， 得到了机器人工作过程中喷枪所经过的空间中一系列路径点的位置和姿态。 在分析研究现有碰撞检测方法的基础上，结合机器人工作环境的特点，提出了一种方 法，完成了机器人工作过程中的碰撞检测，确保了规划出的路径为安全无碰撞的路径。 对机器人上胶工作过程中的两种运动方式点到点运动( p t p ) 和连续路径运动 ( c p ) 进行了轨迹规划。结合路径各段的运动特点，完成了机器人工作的轨迹规划。对 时间分配( 到达每个路径点时刻的确定) 和插补方法等问题进行详细深入研究。提出的变 距插补方法，可以大大减少计算量。针对直角空间轨迹规划的几何问题，提出了简便的解 决方法。 建立了机器人仿真模型，并且进行了三维图形的运动仿真。仿真逼真再现了机器人工 作时的运动过程。且在仿真过程中实现了对路径规划和轨迹规划结果的检验。设计开发的 六自由度旋转关节机器人三维图形运动仿真系统，可以对机器人的正运动学问题、逆运动 学问题、工作过程中的动作及运行的轨迹进行仿真。 关键词：运动学路径规划轨迹规划图形仿真离线编程碰撞检测 浙江理工大学硕士学位论文 s t u d yo ns i m u l a t i o no fr o b o tm o t i o na n d o f f - l i n ep r o g r a m m i n gb a s e do n 3 dv i r t u a lr e a l i t y a b s t r a c t n 蛇3 ds i m u l a t i o no fr o b o t sh a sp l a y e da l li m p o r t a n tr o l ei nt h er e s e a r c ho fr o b o t s 。b y c o n t r o l l i n ga n do p e r a t i n gg e o m e t r ym o d e l i n go fr o b o ta n dv i r t u a le n v i r o n m e n t a l ，t h i sp a p e r f i n i s h e dt r a j e c t o r yp l a n n i n ga n dp a t hp l a r m i n ga n do f f - l i n e p r o g r a m m i n g ，m o d e l e dt h e s i m u l a t i o no fr o b o tm o t i o na n di m p l e m e n t e ds i m u l a t i o no f r o b o tm o t i o nb a s e do n3 dg r a p h i c s t ov e r i f yt h eo u t c o m eo f p r o g r a m t h i s w a yo f p r o g r a m h a sal o tc h a r a c t e r i s t i c , s u c ha ss i m p l e , s t r a i g h t , l o w - c o s t , o nt h es a f es i d e i tp r o v i d e sap l e d g et oi m p r o v ep r o g r a m m i n ge f f i c i e n c ya n d r e a l i z ei n t e g r a t i o n t h i sp a p e rc a r r i e do u ta l li n i t i a lr e s e a r c ho l lk e yt e c h n i q u ef o rs i m u l a t i o no fr o b o tm o t i o n a n d o f f - l i n ep r o g r a m m i n gb a s e do n3 dv i r t u a lr e a l i t y i ta n a l y z e dt h er e l a t i o n sb e 脚e e np o s i t i o na n ds t a n c eo fs i xj o i n t sa n dm o d e l e dt h em a t h e m a t i c s s i m u l a t i o no fr o b o tk i n e m a t i c s t h e n i tu t i l i z e dm a t l a b s i m u l i n kt os e tu pas i m u l a t i o n s y s t e m t h es i m u l a t i o np r o v e dt h ev a l i d i t yo f t h em e t h o d m a k i n gu s eo ft h e3 dd u m m ym o d e l so fr o b o ta n dw o r k p i e c oa n dc o m b i n i n g 、i t l lt a s k c h a r a c t e r i s t i c ，t h i sp a p e rp i c k e d - u pa n dd e a lw i t ht h ei n f o r m a t i o no ft a s kc h a r a c t e r i s t i ca n d f i n i s h e dp a t hp l a n n i n gf o rt h et a s kt h a ta d o p t i n gi n d u s t r yr o b o tt og e l a t i n i z eo nt h es h o et r e ea n d s o l e b yp a t h - p l a r m i n g , i tg e tt h ep o s i t i o na n ds t a n c en f as e r i e so f p a t hs p o t s o nt h eb a s i so fa n a l y s i so fc u r r e n tc o l l i s i o nd e t e c t i o nm e t h o d s ，t h i sp a p e rb r o u g h tf o r w a r da w a y t of u l f i l lc o l l i s i o nd e t e c t i o no f r o b o tw o r kp r o c e s st os e c u r i t yp a t h i no r d e rt oe n s u r em o t i o ns m o o t ha n ds t e a d yo fr o b o ti np r o c e s s p r pt r a j e c t o r yp l a r m i n ga n d c pt r a j e c t o r yp l a n n i n gw e r ed o n ei nt h i sp a p e r c o m b i n i n gw i 也t h ec h a r a c t e r i s t i c so f e a c hp a r t o fp a t h , t h ep a p e rc o m p l e t e dt r a j e c t o r yp l a n n i n go fr o b o tt a s k i ta l s ol u c n b r a t e do nk e y t e c h n i q u e ，s u c ha st i m ed i s t r i b u t i n ga n di n t e r p o l a t i o nm e t h o d t h i sp a p e rs a tu pt h es i m u l a t i o no fr o b o ta n ds i m u l a t e dr o b o tw o r kp r o c e s s ，w h i c hr e a l i s t i c a l l y d e m o n s t r a t e dt h em o t i o np r o c e s so fr o b o ta n dv e r i f i e dt h er e s u l t so fp a t hp l a n n i n ga n d t r a j e c t o r yp l a n n i n g i td e s i g n sam o t i o ns i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do n3 dg r a p h i c sf o r6 rr o b o t , w h i c hc a nd e m o n s t r a t ea n dv e r i f yt h ep r o g r a mf o rp o s i t i v ea n di n v e r s ek i n e m a t i c s ，p a t h p l a n n i n ga n dt r a j e c t o r yp l a n n i n g k e yw o r d ：k i n e m a t i c s ：p a t hp l a n n i n g ；t r a j e c t o r yp l a n n i n g ：g r a p h i c ss i m u l a t i o n ：o f f - l i n e p r o g r a m m i n g ；c o l l i s i o nd e t e c t i o n i l 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：每3 金j 学 日期：加司年弓月l 日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密口 。 学位论文作者签名：每3 庶j 学 日期：枷1 年月1 日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名：嘲眦 日期：卅年；月1 日 浙江理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 i 研究背景和意义 机器人技术是建立在机械，微电子、控制、计算机、人工智能技术等基础上的一门机 电一体化的高新技术自从2 0 世纪6 0 年代初美国u n i m a t e 第一台示教再现型机器入问世以 来，在短短几十年的时间中，机器人技术得到了迅速的发展，其中主要是工业机器人。工 业机器人是一种对生产条件和生产环境的适应性和灵活性很强的柔性自动化设备。在技术 发达国家中，工业机器人已在生产中得到了广泛的应用。自从6 0 年代机器人进入工业领域 以来，世界各国历年累计销售机器人总台数在2 0 0 4 年达到了1 5 0 万台【i 】。工业机器人的应用 使产品质量及生产率得到了很大提高，并且由于机器人是一种能适应产品迅速更新换代的 柔性自动化设备，它的应用大大缩短了新产品的投产周期，从而提高了产品在市场上的竞 争力。在2 l 世纪，机器人技术将继续是科学与技术发展的一个热点 2 1 。工业机器入发展至 今。已经成为- - n 新学科、一项新技术，也是增长最快的新产业之一例。2 0 0 4 年全球工业 机器人投资增长1 7 2 0 0 5 年前半年机器人订单增长1 3 据预测2 0 0 5 年到2 0 0 8 年全球工 业机器人平均增长率将2 6 【i 】。拥有工业机器人数量的多少已经成为评价一个国家自动化 程度高低的重要标志之一1 4 】。 在我国，工业机器人从最初使用到现在已经2 0 年了，其使用已经由最初的试验性质到 逐步发展成为企业核心装备，促进了我国制造业技术水平的提高。2 0 0 4 年全年国产工业机 器人数量( 主要指在国内生产和组装的) 突破1 4 0 0 台，产值突破8 亿元人民币嘲。进口机器 人数量超过9 0 0 0 台，进口额达到2 6 亿美元( 约2 2 亿元人民币，此数据不包括进口的成套 生产线中所含工业机器人数量) 翻。进口工业机器人占据了我国整个工业机器人市场份额 的2 3 强。国内各个工业机器人厂家都呈现出产销两旺的局面。截至2 0 0 4 年底，我国工业 机器人市场已经突破3 0 亿元人民币。现阶段，我国工业机器人正逐步发展成为一种有影响 力的产业【5 1 。但是我国的机器人起步较晚，与国外发达国家相比还有一定的距离。在国家 的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，机器人行业在我国迅速发展，一批国产工 业机器人和智能机器人产品在国内各个行业广泛应用，涌现出一大批机器人技术的研究人 才 6 1 。国家“8 6 3 ”计划已将沈阳新松机器人公司、哈尔滨博实自动化公司、一汽集团涂装 技术中心、北京机械工业自动化所机器人中心、大连贤科机器人公司等九家大的研发机构 确立为智能机器人主题的9 个产业化基地 6 1 。在机器人研制生产方面，我国已经具备了初步 的规模，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配等机器人 6 1 。 浙江理工大学硕士学位论文 机器入在现代工业制造过程中的应用臼趋广泛，它的使用效率和经济性在很大程度上 决定于它的编程方法。目前多数机器人仍然采用传统的在线示教法编程。这对一些中小型 企业来说，由于他们的产品寿命周期短、生产任务更迭快而导致的频繁编程占去了机器人 大量的有效工作时间，从而大大降低了它的使用效率，无法体现其优越性。而且机器人运 动轨迹的精度，在没有视觉传感器跟踪的情况下，基本上依赖于操作者在示教时的耐心细 致和目测精度。随着机器人应用到中小批量生产以及所完成任务复杂程度的增加，这种示 教编程方式已很难满足生产要求。解决此问题的有效途径之一，就是采用离线编程，把机 器人从在线编程中解放出来，从而提高其使用效率和生产过程的自动化水平，降低成本。 1 2 机器人编程技术概述 机器人是一个可编程的机械装置，其功能的灵活性和智能性很大程度上决定于机器人 的编程能力。由于机器人应用范围的扩大和所完成任务复杂程度不断增加，机器人工作任 务的编制已经成为一个重要问题。通常，机器人编程方式可分为在线编程和离线编程【刀 1 2 1 在线编程 在线编程通常指示教再现( t e a c h i n g - p l a y i n g ) 法，该方法在工业机器人中得到广泛应 用。其示教方式有手把手示教( w a l k t h r o u g h ) 和示教盒示教( l e a d - t h r o u g h ) 两种嗍。手把 手示教时，操作者牵引装有力力矩传感器的机械手末端，根据任务要求使末端按一定 位姿运动，实现示教过程，使用示教盒示教时，通过示教盒控制机器人的运动，使之末端 执行器移动到需要的位姿上，把每一位姿信息存储起来，经过编辑，并再现示教过的动作。 虽然示教的每个位姿是离散的，但经过机器人控制柜内的控制模块对示教点进行曲线拟 合，从而连续再现工作过程。示教再现方法的优点是简单、容易实现，比较成功应用在一 些只需要简单运动轨迹的场合，是目前工业机器人的基本工作方式。在机器人所要完成的 任务不很复杂，以及示教时间相对工作时间来说比较短的情况下，在线示教编程是有效可 行的1 9 1 。 机器入在线示教编程简单方便，适用于大批量生产，所完成的任务简单单一，但是随 着机器人适用任务的扩展和所完成任务的复杂程度的提高，在中小批量的生产中，用示教 编程就很难实现。其在实际生产应用中存在着如下缺陷1 1 0 1 ： 编程占用机器人的作业时间； 机器人的在线示教编程过程繁琐、效率低； 很难规划复杂的运动轨迹以及准确的直线运动； 编程质量取决于编程员的经验，且编程员处于机器人工作空间的危险环境中； 2 浙江理工大学硕士学位论文 机器人系统是一个相对独立的单元，难与其它系统或生产过程实现无缝集成。 基于以上原因，现在通用的工业机器人均设有离线编程接口，离线编制的机器人程序 可以通过这个接口装入机器人控制器。国外的一些大学和科研机构开发了适用于不同需 要的离线编程系统。 1 2 2 离线编程 离线编程是指机器人应用程序的编制通过外部独立的计算机进行，无需机器人本身及 其控制系统的参与。 第一代产业用机器人大多采用示教再现工作方式，无论采用手把手示教或控制盒示 教，都需要机器人停止原来的工作，而再现时往往不能满足要求，需反复进行示教，因此 要花费很多时间，这对于生产效率很高的柔性制造系统( m s ) 和计算机集成制造系统( c i m s ) 来说，让整条生产线停下来等待机器人调试是不可能的，因此脱离生产线独立对机器人进 行编程的技术即离线编程技术出现了。作为一个离线编程系统，一般应具有以下特点： 能用专门语言或通用语言编写出机器人的运动程序； 能用计算机造型系统迸行动态模拟仿真，对运动程序进行测试； 能把运动程序转换成机器人的控制指令； 对该运动程序进行在线操作，进一步检查测试运动轨迹。 离线编程技术对于提高机器人的使用效率和工作质量，提高机器人的柔性和机器人的 应用水平都有重要的意义，机器人要在f m s 和c i m s 中发挥作用，必须依靠离线编程技术的 开发与应用。 根据编程人员定义工具运动的控制级别，可将离线编程分为四个级别：关节级、执行 级、对象级和任务级【1 2 1 孤。 1 ) 关节级( j o i n tl e v e l )为完成所要求的运动。在关节坐标空间里，分别对机器人 的各个关节进行编程。由于给定的工作任务大多是在直角坐标空间中描述，因此关节级编 程很不直观。即使完成简单的作业，也要做运动综合才能实现，整个编程过程很不方便且 效率低。 2 ) 操作手级( m a n i p u l a t o rl e v e l )对于给定的工作任务，在直角坐标空间里进行编 程，根据操作手末端执行器的位姿，采用数学方法计算各个关节的运动量。关节级和操作 手级的编程是以机器人的运动为描述中心，通常由使机器人末端执行器从一个位置运动到 另一个位置的一系列命令组成，所以也称为动作级编程。 3 ) 对象级( o b j e c tl e v e l ) 该级别比操作手级更进一步，它不需知道操作手末端执 3 浙江理工大学硕士学位论文 行器位姿的具体信息( 末端执行器的直角坐标值) ，只要得到确定操作手末端执行器位姿的 上级信息( 比如一条焊缝的信息) ，系统自动计算末端执行器的直角坐标值，根据末端执行 器的直角坐标值完成预定的工作任务。这意味着存在一个机器人单元的世界模型，从中抽 取确定操作手位姿所需的信息，并用于运动控制。 4 ) 任务级( t a s kl e v e l )这是当前机器人编程的最高级别。任务级编程时，编程者 只给机器人直接下达执行某一确定任务的命令( 如焊接第三条焊缝) ，应用人工智能的技术 使机器人自动完成指定任务，而不需要指定机器人每个动作的细节。这不仅要求包含机 器人工作环境的世界模型数据，而且需要应用过程的知识和智能算法。 与示教编程相比，离线编程系统具有如下优点r 7 】： 减少机器人停机的时间，当对下一个任务进行编程时，机器入可仍在生产线上工作； 使编程者远离危险的工作环境，改善了编程环境： 离线编程系统使用范围广，可以对各种机器人进行编程，并能方便地实现优化编程； 便于和c a d c a m 系统结合，做至u c a d c a m r o b o t i c s 一体化； 可使用高级计算机编程语言对复杂任务进行编程； 便于修改机器人程序。 因此，离线编程引起了人们的广泛重视，并成为机器人学中一个十分活跃的研究方向。 最初的离线编程是纯文本的，虽然简易，但由于缺乏对机器人运动轨迹三维空间坐标 的直观描述，轨迹坐标及姿态参数的确定相当困难，多数情况下仍需通过机器人示教获得， 因而难以实现完全意义上的离线编程。 随着计算机图形功能的增强，基于三维图形的机器人仿真和离线编程系统得到开发和 应用。但早期由于受p c 机性能的限制，这类三维动态图形仿真软件，如r o b c a d 和i g r i p 等， 往往是在基于u n i x 或i r i x 操作系统的高性能图形工作站上开发的。虽然仿真效果好、功能 强，但成本高、操作复杂，通常面向的是一些专业技术人员。对于一般的中小型企业而言， 使用这样一套系统所需要的软硬件、运行维护以及人员培训的投入，与用机器人在线编程 所引起的生产效率的损失相比，已没有太多的优势可言，因而其实用性受到了很大的限制。 随着计算机技术的发展，如今一台普通p c 机的速度和性能就可赶上或超过早期的高性 能图形工作站。因此基于p c 的机器人三维可视化离线编程和动态仿真系统开始得到开发和 应用。目前市场上的这类软件有w o r k s p a c e s ，r o b o tw o r k s ，r o b o ts t u d i o 等等。这些软 件在对各类机器人语言的支持、三维图形模块的构建和导入、机器人运动轨迹的规划、离 线编程的操作、动态仿真等方面各有千秋，但都是基于w i n d o w s 平台开发的，因而具有一 4 浙江理工大学硕士学位论文 般w i n d o w s 应用程序的交互式图形化友好操作界面；并利用w i n d o w s 对三维图形的支持，通 过各种形式的三维图形建模或导入方法，在p c 上再现机器人的三维虚拟世界，以实现对机 器人离线编程三维运动轨迹的规划和动态仿真。 1 2 3 基于三维图形的机器人离线编程 基于三维图形的机器入离线编程系统是利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其 工作环境的几何模型，再利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在离线的情况下 进行轨迹规划。通过对编程结果进行三维图形动画仿真，以检验编程的正确性，最后将生 成的代码传到机器人控制柜，以控制机器人运动，完成给定任务。 由于枫器入三维模型被赋予了与实际机器人同样的运动学规则和同样的几何比例尺 寸，因此程序中对机器人运动轨迹的三维图形动态仿真与实际机器人的调试相比具有等效 性。但同时又具有如下显著的特点： ( 1 ) 简单直观仿真过程直接在离线编程系统中完成，仿真结果通过三维图形化动态 描述，直观易懂，能为普通用户所理解和接受。 ( 2 ) 成本低廉除计算机外不需要机器人或其它任何附加的设备，由此而消耗的成本 极其低廉。 ( 3 ) 安全可靠程序仿真时操作人员只需在计算机屏幕前观察，无需置身于实际的机 器人设备环境乃至嘈杂的生产现场，出现意外安全事故的可能性大大降低。 ：t ( 4 ) 高效省对由于计算枧运行速度离，图形功能强，动态仿真本身远比实际的机器 人程序调试要快；同时，程序的动态仿真代替机器人调试也节省了机器人本身的时间，提 高了它的使用效率。 ( 5 ) 真实可信虽然仿真系统的模型或多或少是对真实系统的抽象、简化或者理想 化，仿真结果多少带有一些理想化的成分，但只要这种理想化是在一个合理的范围内，其 仿真结果是真实可信的。 一个完整的机器人基于图形的离线编程系统，其技术构成包括以下几个方面的内容： 机器人系统的三维几何构型、运动学计算、轨迹规划、三维图形、动态仿真、用户接口、 通讯与后置处理以及误差的校正。其中三维图形仿真是机器人离线编程技术的重要内容， 因此国内外对机器入离线编程技术的研究大多集中在机器人系统三维图形仿真上。随着计 算机技术的发展，微机的价格不断下降，而性能不断的提高。原来只能在小型机、图形工 作站实现的三维图形仿真功能，现在可以很容易在个人计算机上实现。因此，可在微机上 运行的机器人离线编程系统成为主流趋势。 5 浙江理工大学硕士学位论文 基于三维图形的机器人离线编程是以c a d 和图形仿真技术为基础的技术。c a d 技术用 于在计算机中建立机器人工作单元的几何模型，为离线编程提供虚拟的编程环境。图形仿 真用于检验离线编程的正确性m ，包括用图形动态显示编程结果和进行碰撞检测等。 机器人计算机图形仿真主要有两个方面的内容：一是机器人本体的设计与研究1 孤， 包括机器入的运动学和动力学分析、工作空间分析、结构设计等；二是用于机器入应用， 包括机器人造型、运动仿真和碰撞检验等 正是由于机器人图形仿真的上述应用，机器人仿真技术很快地应用于机器人离线编程 技术的研究，开发出基于计算机图形仿真的机器人离线编程系统。 基于图形的编程实际上就是c a d c 心的方式0 4 1 。离线编程在图形环境下进行，用户 在计算机屏幕上对工作环境、机器人等进行几何造型，利用规划算法，通过对图形的控制 和操作，在离线的情况下进行机器人运动的轨迹规划，离线生成机器人程序，再通过图形 仿真模拟整个工作过程，进行程序校验和碰撞干涉校验等。图形方式主要用于人机的交互 编程和图形仿真，编程的结果一般是通用的机器人语言，经转换成特定的机器人控制语言 后，可下载到机器人上运行”】1 1 6 】。这样的系统，不仅可以在生产过程中对不同的工件进 行编程，而且对科研项目立项论证、机器人工作站设计、选购机器人及相应的辅助设备、 进行工作站的合理布置也是十分重要的工具。 文献 2 0 - 2 1 指出，设计离线编程系统应考虑以下几个方面： 1 ) 机器人的工作过程知识； 2 ) 机器人和工作环境三维实体模型； 3 ) 机器人几何学、运动学和动力学知识； 4 ) 基于1 ) ，2 ) ，3 ) 的软件系统，该系统是基于图形显示的，可进行机器人的图形仿 真； 5 ) 轨迹规划和检查算法，如检查机器人关节角超限、检测碰撞，规划机器人在工作空 间的运动轨迹等； 6 ) 传感器的接口和仿真，以利用传感器的信息进行决策和规划： 7 ) 通信功能，进行离线编程系统所生成的运动代码到各种机器人控制柜的通信： 8 ) 用户接口，提供有效的入机界面，便于入工干涉和迸行系统的操作： 9 ) 机器人及其单元标定。 对于特定工作的机器人来说，还应该包含工作参数规划内容。 文献【1 9 1 指出，要建立基于微机的机器人离线编程系统，必须首先解决两个基本问题： 6 浙江理工大学硕士学位论文 1 ) 基于微机的机器入系统c a d 快速建模方法，并使之具有较强的造型功能； 2 ) 基于微机的机器人作业任务三维图形仿真方法。 1 3 研究现状和发展趋势 1 3 1 国外研究现状 机器人离线编程与仿真系统是机器人应用与研究不可缺少的工具。国外在这方面研究 较早，自2 0 世纪8 0 年代以来，美国、英国、法国、德国、日本等许多大学实验室、研究 所、制造公司对机器人离线编程与仿真系统做了大量的研究，并取得了大量成果，其中有 些软件已经商品化。表卜i 是国外开发的具有代表性的机器人离线编程与仿真系统 2 0 - 2 2 1 。 表1 - 1 国外开发的具有代表性的机器人离线编程与仿真系统 软件包开发公司或者研究结构 r o b e xa a c h e n ，g e r m a n y g e o m a p t o k y o 。j a p a n g r a s p u n i v e r s i t yo fn o t t i n g h a m ，u k p l a c em c a u t om a n u f a c t u r i n g ，u s a r o b o t - s i m c a l m ac o r p ，u s a r o b o g r a p h i x c o m p u t e rv i s i o nc o r p ，u s a a u t o m o da n da u t o g r a m a u t os i m u l a t i o ni n c ，u s a i g r i pd e n e bi n c ，u s a r c o d e s r i ，u s a r o f a c e s c i e n c em a n a g e m e n tc o r p ，u s a x p r o b e i b mr e s e a r c hc e n t e r ，u s a r o b c a dt e c n o m a t i xc o r p ，u s a r o b o c e l l m c m a s t e ru n i v e r s i t y ，c a n a d a r o s i k a r i s r u h eu n i v e r s i t y ，c a n a d a c i m s t a t i o ns t l m ai n c ，u s a w o r k s p a c e r o b o ts i m u l a t i o ni n c ，u s a s m a r u n i v e r s i t yd ep o i t i e r s ，f r a n c e r o b c a d 是美国t e c n o m a t i x 公司2 0 世纪八十年代推出的大型工业机器人离线编程 与仿真系统，九十年代更加完善 3 1 。该软件可用于机器人结构设计、工作单元设计和离线 编程，是一个界面友好、功能较全的机器人离线编程与仿真系统。它已在汽车行业中得到 广泛的应用，美国福特、德国大众、意大利菲亚特等汽车公司均使用r o b o c a d 作为汽 车生产线机器人离线编程系统。 r o b o c a d 的主要功能有：二维、三维几何造型，图形拓扑运算、图形变换，并提 供标准几何协议，可以快速建立机器人的几何模型和运动学模型；提供了丰富的机器人库， 方便机器人工作单元设计，进行机器人本体干涉检验、可达性测试：生成机器人工作点、 对路径进行示教；提供交互式生成和使用编辑器编辑两种方法；机器人作业程序动态图形 7 浙江理工大学硕士学位论文 仿真、机器人与环境碰撞检验；提供了十几种机器人控制语言接口，具有机器人作业程序 的上载和下载功能。 i g r i p ( i n t e r a c t i v eg r a p h i c sr o b o ti n s t r u c t i o np r o g r a m ) 是美国d e n e b 公司推出的交互式 机器人图形编程与仿真软件，为工作单元的设计、运行、分析等提供一种互动的、三维图 形仿真工具，并可对工作单元进行生产周期分析、碰撞检验等。i g r i p 可在s i g 、l i p 、 s u n 等工作站( u n 系统) 上运行，其微机版可在w m d o w s 上运行。 w o r k s p a c e 是r o b o ts i m u l a t i o n 公司开发的，是第一个商品化的基于微机的机器人仿 真与离线编程软件。该软件最新版本采用了a c i s 作为建模核心，与一些基于微机的c a d 系统如a u t o c a d 做到了很好的数据交换。 p l a c e ( p o s i t i o nl a y o u tc e l le v a l u a t o r ) 是由m c a u t o 公司开发的机器人软件模块。它 是早期比较著名的机器人软件之一，可用于设计、评价机器人制造单元和机器人离线编程 【2 4 l 。 1 3 2 国内研究现状 在国内，自二十世纪八十年代中期以来，我国的一些大学和研究所开始从事机器人仿 真与离线编程技术的研究。根据开发方式不同，机器人仿真与离线编程技术的研究主要分 为两类：完全自主开发和基于某个通用c a d 系统的二次开发。表卜2 是国内各单位对机器 人离线编程与仿真技术研究的统计1 4 1 表卜2 国内各单位对机器人离线编程与仿真技术研究的统计 单位开发方式硬件平台主要作用 华南理工大学自主微机离线编程，通用 华南理工大学 自主微机 离线编程，装配 哈尔滨工业大学自主工作站仿真及离线编程，通用 上海交通大学 二次微机 图形仿真，通用 北京航空航天大学自主微机离线编程，p u m a 2 6 2 清华大学 自主微机 图形仿真，通用 浙江大学自主微机离线编程，装配 沈阳自动化所自主工作站离线编程，双机器人装配 洛阳工学院自主微机图形仿真，通用 石帛帅泡大字二次微机 离线编程，通用 h o l p s s 是华中理工大学自主开发的机器人仿真模块。它包括机器人语言处理模块、 运动学及规划模块、机器人及环境的三维构形模块、通信模块、主控模块和传感器仿真模 块等，采用了面向对象技术来开发。该系统采用机器人语言进行编程，没有充分结合c a d 图形的特点来编程。 8 浙江理工大学硕士学位论文 哈尔滨工业大学的付宜利研究了基于动态图形仿真的机器人离线编程技术，此工作是 在s g i - i - 作站上进行的。该文的研究对象为基于3 d 动态图形仿真的机器人离线编程技术。 该文在对国内外机器人仿真与离线编程技术研究状况进行综述和分析的基础上，深入研究 了工业机器人离线编程的相关理论和关键技术，提出了一些新的思想和方法，研制出一个 面向实用的机器入离线编程系统。主要内容包括：机器入通用几何建模器的开发、机器人 运动学建模与逆运动学求解、机器人离线编程语言及编译器实现、机器人工作单元碰撞检 测技术研究等。 从上面国内外的研究现状可以看出，国外商业化的机器人离线编程与仿真软件提供了 几何造型、图形仿真、离线编程、碰撞检测、程序上下载等功能。与国外实用化的机器人 离线编程与仿真系统相比，我国的机器人离线编程与仿真技术还有很大的差距，主要表现 在以下几点鸭 1 ) 几何建模国外系统的几何建模功能比较强，且与其他外部c a d 系统具有数据交 换接口。这是因为国外部分系统在几何建模上投入比较大。如r o b c a d 、i g r i p 等，也 有部分系统通过购买现有建模核心如a c e s 等进行开发，如w o r k s p a c e 。国内自主开发的 系统都是完全自己开发几何建模功能，由于投入小而功能不完善，且不具有与其他外部 c a d 系统的数据交换接口，从而导致系统人机界面不友好、功能差以及图形效果差等问题。 2 ) 专业化国外系统除提供通用性的功能之外，为了提高编程效率，往往在通用系 统之上开发专业化的模块，如i g r i p 中的点焊、弧焊等。而国内的通用系统则无专业化 模块。 3 ) 标定国外系统大多将标定作为主要模块之一，而国内还缺少这方面的研究。 4 ) 机器人程序下载国外商品化系统都有多种机器人的接口，可以方便地上，下载 机器人程序。而国内系统还主要停留在仿真阶段，缺少与实际机器人的接口。很少关于机 器人程序下载与执行的报道。 1 3 3 机器入离线编程技术的发展趋势 近年来，国内外许多大中型企业都装备了自动化加工设备和计算机辅助设备与系统。 同时，c a d c a m 技术已趋于成熟，其高效便捷的建模手段和集成技术，使之成为工业机器 入编程中的有力工具。这些设备和系统为工业机器人的离线编程技术的研究和推广提供了 基本的硬件和软件条件，使离线编程的实用化成为研究重点。 机器人离线编程技术对工业机器人的推广应用及其工作效率的提高有着重要意义，离 线编程可以大幅度节省制造时间，实现计算机的实时仿真，为机器人编程和调试提供安全 9 浙江理工大学硕士学位论文 灵活的环境，是机器人开发应用的研究方向。 1 4 论文主要研究内容 离线编程技术是联系机器人几何建模、工作信息获取、路径规划、三维图形运动仿真 和碰撞检测的桥梁，是提高工作质量、提高编程效率和实现集成的一个保证。一个完整的 机器人离线编程系统主要包含系统的建模、图形仿真、工作信息获取、路径规划、工作参 数的规划与设置、机器人工作程序的生成和标定等内容。其中三维实体建模与运动仿真是 实现可视化的基础，也是离线编程的基本要求。根据对机器人离线编程与仿真系统的研究 现状的分析本文对基于三维图形仿真的机器人离线编程技术进行研究，主要内容如下： ( 1 ) 建立枫器入几何模型，运动学模型 机器人几何模型是进行机器人三维图形仿真和机器人离线编程的基础。进行机器人几 何建模主要有两种途径：一种是直接利用辅助库函数，用计算机编程语言建模。辅助库提 供了建立一些简单实体的函数，遇到简单实体时可以使用。但是考虑到辅助库中绘制实体 的函数，规定过死。开发难度比较大。需要掌握大量的计算机图形学知识，开发周期较长， 建模过程非常烦琐。另一种是利用商品化图形软件c a d 系统作为图形支撑来完成建模。商 品化的c a d 软件如a u t o c a d 、u o 、s o l i d - w o r k 等，具有很强的三维绘图能力，用它来完 成辅助建模工作是十分合适的。现在大多机器人公司的网站上有本公司机器人的c a d 模 型，可以直接从其网站上下载，只需选择所用的机器人型号即可得到机器人几何三维模型。 本文中所用的机器人三维几何模型就是从生产厂家的网站上下载的。 在机器人仿真与离线编程系统中，机器人运动学模型是进行机器人仿真与离线编程的 前提，是机器人运动学分析与几何造型、图形仿真间的桥梁。机器人本体的运动学分析是 对杆件、传感器等机器人的各个部件和作业环境内的对象等设置坐标系，并分析这些坐标 系之闻的位置和姿态的关系，杼件坐标系的选择有多种方法，最常用的方法是 d e n a v i t h a r t e n b e r g 方法( 简称沪h 法) 。 机器人运动学所涉及的闯题是机器人末端相对于固定在基体上的参考坐标系的运动 位置、速度和加速度的问题，而不涉及引起运动的力和力矩，他分为机器人正解运算和反 解运算。其中机器人正解是指已知机器人各关节转角和结构参数，求末端执行器相对于参 考坐标系的位姿，显然机器入结构不同，其正解也不同。机器人反解是已知末端执行器的 位姿矩阵，反求其各关节角度，一般机器人的反解运算是求解一组非线性的超越方程，而 且求解结果并不唯一，但由于在机构方面存在约束条件，必须将超出机器人工作范围的解 去除，剩下的便是有效解。在几组有效解中，需确定一组最优解。一般求最优解的原则有： l o 浙江理工大学硕士学位论文 在工作过程中各关节转角绝对值之和最小；工作过程中功耗最小。利用m a t l a b 强大 的数值计算与图形功能、简单易用的开放式可扩展环境以及功能强大的控制能力，本文在 m a t l a b 中完成了机器人运动学模型的建立。 ( 2 ) 建立工作环境三维虚拟模型( 包括工件的虚拟模型) ；机器人模型和工作环境模型 的导入 工作环境模型是机器人工作过程仿真、路径规划、碰撞检测的基础。只有建立符合实 际的工作环境模型( 包括工件的虚拟三维模型) ，才能提取符合实际的工件参数、得到工 作过程的约束条件。本文是在m a t l a b 中对机器人模型进行控制和仿真。故需要将机器 人几何模型，工作环境模型导入到m a t l a b 中去。对于m a t l a b 不能识别和控制的c a d 模型类型，需要将其转换为可识别和控制的c a d 模型类型，并修改其中的一些参数，以 达到理想的仿真效果。 ( 3 ) 提取工件参数，结合工作要求生成工作过程的限制条件 机器人工作过程是在满足一定工作约束条件下的完成某一特定任务的工作过程。提取 工件参数，生成工作过程的限制约束条件的成败直接关系到机器人工作任务顺利实施与 否。工件参数信息的提取是进行路径规划的基础，也是离线编程的难点之一。 ( 4 ) 基于三维虚拟模型，以控制工件位置和姿态为目标，进行机器人路径规划、轨迹规 划及编程 路径定义为机器人位形的一个特定序列，而不考虑机器人位形的时间因素。路径规划 的任务就是在具有障碍物的环境内按照一定的评价标准，寻找一条从起始状态( 包括位置 和姿态) 到达目标状态( 包括位置和姿态) 的无碰撞路径。机器人轨迹是指机器人在运动过程 中的位移、速度和加速度。轨迹与何时到达路径中的每个部分有关，强调了时问性。轨迹 规划是根据作业任务的要求，计算出预期的运动轨迹。 机器人大多经过示教再现的方法来实现机器人编程。示教过程工作量大，且示教的路 径点的精度不高。本文由工件的c a d 模型导出工作过程中的路径点，可以免去示教过程， 减轻工作人员的工作量，而且得到的路径点的精度也比较高。根据工作特点，把工作过程 中路径为三个部分：从初始位置到上胶开始点；上胶过程；上胶结束返回初始点。第一部 分路径要求；满足初始点的位姿和上胶开始点的位姿，无碰撞。满足条件的路径有很多， 以耗能最少或者耗时最短等某一指标为目标，选出其中一个为该部分工作路径。第二部分 路径规划，找出机器人完成上胶过程的空间运动几何轨迹( 包括路径轨迹上各个点的位置 和姿态) 。第三部分路径规划和第一部分一样，也是找出满足某一目标的路径。两部分路 浙江理工大学硕士学位论文 径的端点一样，但是起止点不一样。另外虽然上胶