（计算机应用技术专业论文）基于autocad平台的四轴关节型机器人专用离线编程系统.pdf

北京机i 】噍t 业自功化研究所颂l 岸位论丘 基于a u t o c a d 平台的四轴关节型机器人专用离线编程系统 摘要 本课题应用v b 为系统丌发工具，通过利用a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术对 a u t o c a d 进行二次7 r 发，建立了一个基于a u t o c a d 平台的叫轴关节型机器人离线 编程系统，实现了机器人二维平面作业图形轨迹的自动生成及机器人的j 维动念 仿真。该四轴关节型机器人可广泛应用于裁剪、切割、涂胶及喷涂等作业。 本论文具体研究内容如下： 1 介绍了应用a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术对a u t o c a d 进行二次丌发的方法， 利用该方法成功实现了从c a d 模块中提取机器人作业对象的图形几何数据信息， 并通过对提取出来的几何数据信息进行处理，确定了机器人术端执行器( 手部) 沿机器人作业路径作业时的姿态，实现了机器人的作业规划。可根据机器人作业 规划得到的相关数据，生成m o t o m a n 机器人的可执行j b i 文件； 2 根据机器人作业规划得到的相关数据，通过四轴机器人运动学分析及轨 迹规划，自动生成了机器人作业轨迹。可依据机器人作业轨迹数据生成p m c 卡 运动程序： 3 再次应f ja e t v e xa u t o m a t i o n 技术对a u t o c a d 进行：次丌发，实现了 a u t o c a d 环境l l 机器人参数化一维儿何实体建模，并根士l c 乍成的机器人作业轨 迹，实现了机器人作业过程三维町视化动念仿真，以验证机器人作业轨迹，l 成的 限确性。 最终建立了一个基于a u t o c a d 平台的机器人离线编程系统，该系统可实现机 器人作业轨迹的自动生成及机器人动念仿真。 关键词：机器人；离线编程：轨迹；a u t o c a d _ 二次丌发 北京机槭l 业r i 功化研究所倾l j 学位论丘： o f f - l i n ep r o g r a m m i n gs y s t e m so ft h e4 - a i x sj o i n t e dr o b o t b a s e do na u t o c a d a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，u s i n gv ba sp r o g r a m m i n gd e v e l o p m e n tt o o l s ，a p p l y i n g a c t i v e xa u t o m a t i o n t e c h n o l o g y f o r t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to f a u t o c a d ，t h eo f f 一1 i n ep r o g r a m m i n gs y s t e mo f4 - a i x sj o i n t e dr o b o tb a s e do n a u t o c a dh a sb e e ne s t a b l i s h e dt og e tt h er o b o tt r a j e c t o r ya u t o m a t i c a l l y a n dt od i s p l a yt h et h r e e d i m e n s i o n a ld y n a m i cs i m u l a t i o no fr o b o tf o rt h e 4 - a i x sj o i n t e dr o b o t t h e4 一a i x sj o i n t e dr o b o th a sb e e nu s e dw i d e l yi n c u t t i n g ，g e l a t i n i z i n g ，a n ds p r a yp a i n t i n g i nt h i sp a p e r i l i a i nr e s e a r c hw o r ki si n v o l r e di nt h ef o l l o w e da s p e c t s ： i nt h ef i r s tp a r t ，a c t i v e xa u t o m a t i o n ，a st h et e c h n o l o g yf o r t h e s e c o n d a r yd e v e i o p m e n to fa u t o c a d ，h a sb e e ni n t r o d u c e dt og e n e r a t er o b o t p a t ha n dt og a i ng e o m e t r yd a t ao fd r a w i n gf r o ma u t o c a d t h r o u g hd e a li n g w i t ht h eg e o m e t r yd a t ao fd r a w l n gf r o ma u t o c a d ，t h eo r i e n t a t i o no f e n d - e f f e c t o ro fr o b o th a sb e e na c h i e v e d t h e r e f o r e ， r o b e tj o bs c h e m e s h a sb e e nr e a l i z e d a c c o r d i n gt od a t aw i t ht h er o b o tj o bs c h e m e t h e t o t o m a n 1 b if i l eh a sb e e np r o d u c t e d i nt h es e c o n dp a r t ，a c c o r d i n gt ot h ed a t a o ft h ep o s i t i o na n d o r i e n t a t i o n ，r o b o tt r a j e c t o r yh a sb e e ni m p l e m e n t e d t h r o u g hd e a li n gw it h t h ed a t ao fr o b o tt r a j e c t o r y ，t h ep m a cp r o g r a mh a sb e e np r o d u c t e d i nt h et h ir dp a r t ，m a k i n gu s eo ft h et e c h n o l o g yf o r t h es e c o n d a r y d e v e l o p m e n to fa u t o c a da g a i n ，t h et h r e e d i m e n s i o f l a lm o d e io fr o b o th a s b e e ne s t a b ii s h e da n dt h r e e d i m e n s j o n a ld y n a m i cs i m u l a t i o no fr o b o th a s b e e ni m p l e m e n t e d ： f in a ii y t h eo f l 卜一ii n ep r o g r a m m in gs y s t e me l 4 - a i x sj o i n t e dr o b o tb a s e d o na u t o c a dh a sb e e nr e a ii z e dt og e tr o b o tt r a j e c t o r ya u t o m a t ic a ll ya n d t od is p la yl h ed y n a m i cs i m u l a t i o ne l 。r o b o t k e y w o r d s ：r o b o t ：o t 卜ii n op r o g r a m m i n g ：1 r a j e c t o r y ：s e c o n d a r yd e v e o p m e n t 0 f 叭o c a d 北京h l 城l 一业 j 动化埘， 所倾i 学位论史 插图清单 图2 1 机器人轨迹控制过程1 6 图2 2 ：【具坐标系姿念变换示意图1 8 图2 3 笛卡儿空日j 直线轨迹规划2 0 图2 4 笛卡儿空日j 直线轨迹规划流程图2 1 图2 5 笛卡儿空日j 圆弧轨迹规划2 2 图2 6 笛卡儿空日j 圆弧轨迹规划流程图2 3 图3 1 离线编程系统结构2 6 图4 ia u t o c a d 对象模型树。3 4 图4 2a u t o c a d 二次丌发的步骤一3 9 图4 3 结构体变量数组e m i t y m c s s a g e r a r r a y 结构示意图4 3 图4 4 遍历选择集并提取作业图形几何数据信息流程图4 3 图4 5 提取机器人作业几何图形数据信息的方法流程图4 4 图4 6 机器人机构示意图5 0 图5 1 系统模块划分5 1 图5 2 人机界面5 2 图5 - 3 机器人作业时手部姿态示意f j 5 4 图5 4 卣线l 鍪i 形时机器人手j ： l ；姿念示意图5 4 图5 5 机器人作业规划流程图5 8 图5 6 机器人机构示意图5 9 图5 7 机器人三维仿真效果图6 0 图5 8 控制机器人三维几何模型动态仿真流程图6 l 图5 9 机器人直线作业轨迹规划流程图6 5 图5 1 0 机器人劂弧作业轨迹规划流程图6 6 图5 1 l 系统使用流程图6 8 图5 1 2 离线编程系统的a u t o c a d 环境i f l 绘制作业刚形6 9 图5 1 3 人机界i 所机器人各f i ：件长度参数6 9 图5 1 4 人机界嘶机器人速度参数一6 9 图5 15 机器人仿真环境7 0 i 冬i5 1 6 乍成机器人作q k 路杼 图5 1 7 机器人作业动念仿真 ，7 0 7 1 北京机械r 业白功化州彳c 所坝i ：学位论上 表格清单 表1 1 国外主要机器人离线编程与仿真系统3 表1 2 国内机器人离线编程与仿真技术的研究4 表2 1p u m a5 6 0 机器人的d h 参数l l 表 l 创建三维实体的方法4 6 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得扭撼型堂硒究簋院或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：z 叩年7 月纠日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解扭越拦堂硒宜簋院有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权扭撼抖堂丑究总院可以将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、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王磊 签字日期：汐刁年7 月；f1 3 导师签名： 签字眺叼年7 月；f 日 北京机械1 。业自动化彳所坝i ：学位论文 1 1 引言 第一章绪论 自2 0 世纪6 0 年代世界上第一台机器人研制出来以后，机器人就显示出了 强大的生命力，在短短的4 0 多年罩得到迅速发展。目前，应用最广泛的是工业 机器人，世界上的大约1 0 0 力| 台机器人中，大部分都是属于工业机器人，尤其是 在技术发达的国家，工业机器人更是广泛地应用于实际生产中。工业机器人的应 用使产品质量及生产率都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，所以它的应用大大缩短了新产品的换代周期，从 而提高了产品在市场上的竞争力。在当代工业技术革命中，工业生产r 趋向柔性 自动化方向发展，工业机器人技术已成为现代工业技术革命中的一个组成部分。 许多国家都己将机器人技术列入高技术发展计划。 在过去的几十年中，工业机器人市场币如人们曾经预测的那样发展地十分迅 速，但仍有一个问题始终困绕着人们，那就是机器人的使用很困难。其表现为， 在用户和机器人系统之日j 缺少一种适合而有效的通信方法( 即用户接口) 使用户 能指挥机器人完成预定的作业。随着一e , j k # l 器人生为广泛地应用于工业，七产l 卜l ， 用户接rj 的性能越米越受剑人们的关i e 。实际l 二，斤j 户接i - 1 的性能问题已经逐渐 成为工业机器人设计和应用中的核心问题。日 j i 已经有许多类型的机器人用j f - 接 口被丌发出来，主要分为在线示教编程( o n - l i n ep r o g r a m i n g ) 和离线编程 ( o f f l j n ep r o g r a m m i n g ) 两种方式“1 在机器人所要完成的任务不很复杂，以及示教时日j 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。随着企业对柔性要求的提高，在线示敦 编程的缺陷逐渐曝露出来，已明显不适应于当前的生产需要。机器人离线编程技 术的出现弥补了机器人在线示教编程的缺陷和不足，满足了企业对渠性生产的 需要。机器人离线编程系统是机器人编程语寺的拓展，它利用计算机图形学的成 果，建立起机器人及其【：作环境的模型，f l ：f 利刖一些规划算法，通过时图形的控 制和操作，在小使j j 实际机器人的情况卜进行轨迹规划，进而产q 三机器人运动程 序。 随荷计算机技术的发腱，c a d c a m 技术已f l 趋成熟数字化设计在i j 业界已 绛得到广泛心用基奉实现了i ：q k 俐纸设计的数字化、无纸化。f 是，人们希单 机器人也能够像毅挡机j 禾样，楸般- ：订；c a d 模型- f 歧计的f 乜f 吲纸，经机器人的 离线编袱，f 1 动小成机器人运动袢j 再，从i 町。史现c a d c a m r o b o t i c s 体化。 1 j n 域1 ：教十比，离线编wjl 仃如卜优点“j ： ( j ) 减少机器人小i ：作悱t f , q 1 对f 个f 丁i 务进 j ：编f - ! 1 1 j - ，机器人仍l - r 作化 产线i ：i 作尤j 址埘j 。h 。射jj i 父l f j c 的多台机器人化j n ：线，廊线编袱的优辨尘加 北京甘【槭l 业 j 动化研究所坝i 学位沦土 明显； ( 2 ) 编程者远离危险的工作环境； ( 3 ) 便于和c a d c a m 系统集成，做到c a d c a m r o b o t i c s 一体化： ( 4 ) 可以利用计算机高级编程语言和图形方式对复杂任务进行编程，实现复 杂运动轨迹规划以及进行路径和1 ：艺参数的优化： ( 5 ) 便于修改机器人程序。 1 2 机器人离线编程领域研究现状综述 1 2 1 机器人离线编程技术概述 机器人离线编程产生于八十年代初，可分为两类：基于文本的编程和基于图 形的编程。前者的早期研究如r o w e l 语言。它是一种专用语言，用符号束描述机 器人的动作。这种方法可提高编程效率，接受传感器信息，协调多台机器人工作， 可以引入逻辑判断、决策和规划功能。具有机器人语言编程能力的机器人通常仍 然保留示教盒功能。目前的机器人语言都是动作级和对象级语言，编程工作是相 当冗长繁重的。而且这种编程方法缺少可视性，只在很少的场合下是有效的。 基于图形的编程实际上就是c a d c a m 的方式。离线编程在图形环境f 进行， 用户在计算机屏幕上：对一i ：件、机器人等进行几何造型，利用舰划锋法，通过对 警i 形的控制和操作，在离线的情况卜进 ，机器人运动的轨迹规划，高线7 l 成机器人 程序，再通过图形仿真模拟整个加i ：过程，进行程序校验和碰撞干涉校验等。图 形方式主要用于人一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。这样的系统， 就可以在生产过程中对不同的工件进行编程。 目i i i 国内外的机器人离线编程系统摹本上都是基于图形的离线编程系统，即 为c a d c a m r o b o t i c s 体化的离线编程系统，当前国内外本领域研究发展现状 为： 1 2 2 国外机器人离线编程技术概况 机器人离线编雕0 仿真系统足机器人应j j1 j 研究小呵缺少的工具。凼外在这 方l f l i 研究较叩，ej2 0l l j = 纪8 0 年代以米，荚【日、英旧、法l 日、德l 目、 i 奉等i 1 ：多 人学实验审、研究所、制造公, z j 对机器人离线编刷j 仍真系统做了人鞋的研究， j f ：取得了人髓成粜，j 川t 仃蝗软什l 二经i i 协化。友卜l 足f q 外jj ：发的j 仃代农惟 的机器人离线编私1 j 仿真系统。 r o b c a d 址火t e c n ( ，眦iix 公r j j2 0 眦纪八l 一年代推i i 的人鹌i d k h l ； 人离 线编f 。 j 仿真系统，几i ，巫加完鲜。改软什1 , f l lj j ：机器人结构i 盐计、i 。作- n 。i t 麻机艟1 。业臼动化研究所坝i j 学位论文 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。 它己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、图彤变换，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：提供了丰富的机器入库，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：q 三成机器人工作点、 路径，进行示教：提供交互式尘成和使用编辑器编辑两种方法：机器人作业程序 动念图形仿真、机器人与环境碰撞检验：提供了卜几种机器人控制语言接几，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 h p ，s u n 等工作站( u n i x 系统) 上运行，其微机版可 在w i n d o w s 上运行。 软件包丌发公司或研究机构 r o b e x a 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 f n o t i n g h 锄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 mc a l m ac o r p ，u s a r o b o g r a p h i ) ( 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 ma u t os i m u l a t i o nl n c ，u s a i g r i p d e n e bi n c ，u s a r c o d es 对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 ei 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 lm 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 ik 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 i l m al 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 炭i - 1 围外。j 婴机器人离线编f ! f ! 。- 仿如系统 1 2 3 国内机器人离线编程技术概况 n 小j 内，f i ：i l i c 纪八i ，i ，j 9 j 以米，我川的。蝗人学嗣i 研究所j r 始从，“ 机器人仿n - 离线编椰技术的研究。i ll l i ，1 日内仃机器人仿真j 离线编f i 的r o d 尚处j ：起步阶段还没仃成弘的，。协。j e h7 f - 1 1 科技人n 此厅i f j i 造i i 较深 北京机i 嘘i 。业 1 动化研究所坝l + 学位论j 【= 现在主要用面向对象的方法在微机上丌发离线编程系统。清华大学在工作站与微 机上都作过研究，现在主要是在w in d o w s 系统上丌发。上海交大在a u t o c a d 上做 二次丌发来构成离线编程系统。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。 单位丌发方式硬件平台主要应用 华中科技大学自差微机离线编程，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 表i _ 2 国内机器人离线编榉与仿真技术的研究 1 3 机器人离线编程系统的开发及研究方法分析 1 3 1 国外机器人离线编程系统的开发及研究方法分析 国外的机器人离线编程系统研究现在已经实现了商品化，一般功能都很齐 全，在进行机器人离线编程时的交互性与仿真的实时性部比较好，大部分系统提 供建奇数据型或图形犁机器人模型的的功能h 支持离线编程和远程监控操作。 国外的机器人离线编程系统的发展方向足逼真化，实时化、多功能化，通用 化屏l 易h 化。 1 3 2 国内机器人离线编程系统的开发及研究方法分析 在峭内的j r 发平研究i f j ，楸别j i ：发，j | 文的1 i l 一，机器人仿真与离线编程技术 的研究l 三要分为眄类：一种是利j t lv c + + 殷其o p e n ( ；i 蚓肜库充伞nl i 编槲j r 发舸l 器人仿真0 离线编种系统：，；。种址坫j ：某个迎川的c a d 系统捉f j 的：次j l ：发j ： j j i ：发机器人仿艇1 ，离线编氍系统。 筇种办法址利川o p e n ( ；i 。的f j 北j 山能jv c + + 等编f j l ! 谱。冲i 结合。宪个f i l i j r 发机： 人及i ：什的叭i j 缱 5 1 | j j j 能，j i ：利川m 类阼作为o p c n ( ；i 1 jw ir l ( 1 0 w , 4 系 4 j l ：s i , ! 机械。心e j 动化埘f 究所坳l 学位沦史 统的接口编译小d l l 文件与其他应用程序调用。这种方式过于专业，丌发难度大。 第二种方式是在现有的一些c a d 软件基础上，利用其提供的二次丌发工具并 加入离线编程部分丌发出机器人仿真与离线编程系统。这样不但可以节省人力、 物力，加快j r 发速度，而且可以充分保证丌发系统的几何造型功能与图肜仿真能 力。 1 4a u t o c a d 二次开发技术概述 鉴于以上埘机器人离线编程系统丌发及研究方法的分析及讨论，本课题决定 采用基于通用c a d 软件并利用其二次丌发工具的方式丌发机器人仿真与离线编 程系统。 现有的通用c a d 软件系统有a u t o c a d 、u g 和p r o e n g in e e 等。其中，u g 是 一种c a d c a m c a e 软件系统，它为用户提供一种完全数字化的产品模型以应用于 设计、工程、分析与制造。p r o e n g i n e e r 是现代c a d 系统的代表，由它率先采 用的革命性的设计思想基于特征的参数化设计，领导了现代c a d 发展的潮 流。其主要特征功能有：全相关性、基于特征的参数化模型建模，先进的资料管 理系统和装配管理工程数据库再利用等。 a u t o c a d 是目前世界上主流的计算机辅助设计( c a d ) 软件，以其强大的通 用图形功能广泛地应用于机械、电子、建筑、化工等备个领域。a u t o c a d 价格较 低，功能强人，应用范嘲广，通j f j 怍比较强，能进行精确的模型建移，而h 还提 供了一些一二次，r 发的工具，如a u t o l i s p 、o b j e c t a r x 、a c t i v e x 等，这为用户进 行丌发提供了方便。“ 由于a u t o c a d 系统具有以上这些优点，所以奉系统最终采用在a u t o c a d 基础 上对其进行二：次丌发的方式丌发机器人仿真与离线编程系统。 1 4 1a u t o c a d 二次开发工具简介 日前有以f 几种_ 具可用来进行a u t o c a d 的二次丌发： a u t o l i s p v i s u a i 。i s p 、a d s a d s r x ，a r x o b j e c t a r x 扁ia c t i v e xa u t o m a t i o n 。 1 第。代j r 发：【具一a u t 0 1 i s p a ul o l ，l s p 是1 9 8 6 年随a u t o c a dv 2 1 8 提供的：次j r 发i ：具。它是种f ：智 能语苦，是嵌入a u t o c a d 内l ：f i ；的c ( 州m ( ) 、i s p 的一个子集。在a u t o c k d 的“：次丌 发j 【：填【| 1 ，它是唯1 的种解释删i 耳占。使 ja u t 0 1 i s p rf e 接调f j 几乎所仃的 a u t o c a d 命令。a u t o l 。i s p 语苦雎燠掣的应川之。足贸现数7 - 化绘i 冬| 砟序设汁，包 括几j 。驱动f 1 1 序和i 鼠标拖动程j 等。”个典型j 衄川就足驱动a u t o c a d 提供i d b f ；! 块构成1 ) c 1 ( o i aj o gc o n t r o li a n g t a g t ) 文件，创建r 1l 的埘话骶。 2 第：代j i ：发j ：j 卜a d s a d s ( a u i o c a i ) 1 ) e v e i o p m e n ts y h l t ，m ) 址a u “疋 i ) r l l 外始史十t 的。种j , l - j ： 北京机械r 业自动化研究所确i ：学位论立= c 语言的灵活的丌发环境。a d s 可直接利用用户熟悉的c 编译器，将应用程序编 译成可执行文件后在a u t o c a d 环境下运行，从而既利用了a u t o c a d 环境的强大功 能又利用了c 语言的结构化编程、运行效率高的优势。 3 第三代，j ：发工具一一v i u a ll i s p ，a r x 及a c t i v e xa u t o m a t i o n ( 1 ) v i s u ml s p ( v l i s p ) v l i s p 是a u t o l s p 的换代产品。它与a u t o l s p 完全兼容，并提供它所有的 功能，是新一代的a u t o c a dl i s p 语言。v l i s p 对语言进行了扩展，可以通过 m i c r o s o f ta c t i v e xa u t o m a t i o n 接口与对象交互。同时，通过实现反应器函数， 还扩展了a u t o l s p 响应事件的能力。作为丌发工具，v l i s p 提供了一个完整的 集成丌发环境( i d e ) ，包括编译器、调试器和其他工具，可以提高二次丌发的效 率。另外，v l i s p 还提供了工具用于发布独立的应用程序。 ( 2 ) a r x a r x ( a u t o c a dr u n t i m ee x t e n s i o n ) 是a u t o c a dr 1 3 之后推出的一个以c + + 语言为基础的面向对象的丌发环境和应用程序接口。a r x 程序本质上为w i n d o w s 动态链接库( d l l ) 程序，与a n t o c a d 共享地址空自j 直接调用a u t o c a d 的核心 函数，可直接访问a u t o c a d 数据库的核心数据结构和代码，以便能够在运行期日j 扩展a u t o c a d 固有的类及其功能，创建能够全面享受a u t o c a d 固有命令特权的新 命令。a r x 程序与a u t o c a d 、w i n d o w s 之日j 均采用w i n d o w s 消息传递机制直接通 讯。 o b j e c t a r x 应用程序以c + + 为肇奉丌发语占，具有面向对象编程方式的数据 可封装性、可继承性及多念性的特点，用其j r 发的c a d 软件具有模块作好、独立 性强、连接简单、使用方便、内 = i ；功能高效实现以及代码可重用性强等特点，并 且支持m f c 基本类库，能简洁高效地实现许多复杂功能。 ( 3 ) 基千a c t i v e xa u t o m a t i 0 1 3 技术丌发工具 a c t i v e xa u t o m a t i o n 是一套微软标准，以丽称为o l ea u t o m a t i o n 技术。该 标准允许通过外显的对象山一个w i n d o w s 应用程序控制另一个w i n d o w s 应用程 序，这也是面向对象编程技术的精髓所在。a u t o c a d 从r 1 4 丌始增加了作为 a c t i v e xa u t o m a t i o n 服务器应用程序的功能，使得许多面向对象编译语言和应 f 】科序可以通过a c ti v e x 与a u t o c a d 进行通信，并操纵a u t o c a d 的许多助能。 a c t i v e xa u t o m a t i o n 服务器应用程序是通过自身对象的属性、方法和事件 实现j e 功能。对缘是服务器j 越川程序简币而抽象的代表。矸i 符足用v b 、v c 、o f f i c h v b a 等从外部丌发，还足 ia u l t o c a dv b a 从内部时a u t o c a d 进行次j r 发，都是 通过渊川a u t o c a d 的对织体系结构束进行的。a u t o c a d2 0 0 0 a c t iv e xa u t o m a t i o r l 技术将a u t o c a d2 0 0 0 的符种功能封装在a u t o c a da c tiv e x 埘缘l j ，供编稗f e j l j 。 a u t o c a o2 0 0 0 - i 提供的所仃埘缘纠i 成个树肜结构，域商必胜a p p l i c a t i o n 埘 级，其他对象都足它的后代。为_ 厂似剑个特定的埘级，必须从a p p l ic a t i o i l 对缘对j er 孙进i j 遍历，“剑找剑咳特定的对象。 “iv e xa u t i t i 0 1 1 技术的完个i l l l i 川埘缘化编f i i l f 门特点，他j e j i ：发环境j 北京目t i 曛i 。业自动化研究所倾j 。学位论史 备了强大的丌发能力和简单易用的优良特点，丌发工具的选择也具有很大的灵活 性。所以，利用a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术，是极具潜力的一种丌发手段。 1 4 2a u t o c a d 二次开发工具的比较与选择 以上对a u t o c a d 的三代丌发工具分别作了简要介绍。目前，第一代的 a u t o l i s p 已能被第三代的v l i s p 完全替代，第二代的a d s 在a u t o c a d2 0 0 0 中已 不再支持，所以，第三代丌发工具将成为今后a u t o c a d 二次丌发的必然选择。而 在第三代工具中以v c + + 为基本丌发语言。的o b j e c t a r x 应用程序功能强大，可以 调用a u t o c a d 的图形库，几何库、应用库等，可以定义新实体等，但它要求丌 发者必须具备c c + + 知识，清楚面向对象编程的概念，并且了解y i s u mc + + 的使 用，同时必须具备a u t o c a d 的基本知识和使用经验，因此丌发难度较高，编程和 调试的难度较大，并且图形用户界面处理也比较麻烦：通过v b 利用a c t i v e x a u t o m a t i o n 技术进行的a u t o c a d 二次丌发，不仅简单易学，功能强大，还能实 现仅用a u t o c a d 不能或不易实现的功能和效果，例如进行三维动画模拟、图形参 数化设计等，并且图形用户界面处理简单。 本课题采用的就是通过v b 语言。利用a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术对a u t o c a d 进行二次丌发的方式丌发机器人仿真与离线编程系统。 1 5 课题研究意义 从国内外机器人离线编程系统的研究现状可以看出，国外的机器人离线编程 系统比较成熟，有许多品牌的商业化软件町供用户且功能齐全、强大，这些软件 均选择提供了几何造型，图形仿真、离线编程、碰撞检测、程序上下载等功能。 但是国外的机器人离线编程系统存在以下三方面的因素，使之不利于推广使用： 1 ) 这些系统为了满足不同客户的各种需要在通用性方面都比较好，形因为如此， 反而不能兼顾一些客户的特殊个性化要求，况且对4 般用户而言，也不一定f f j 得 上那么多的功能和机器人型号2 ) 这螳系统价格过于昂贵h 大多数要求运行在r = 作站卜。如要购买i g i r i p 软件( 含s g i 【：作站) 约仡费7 万美元国内一些中小 型企业无法圭 负起如此商的费川。3 ) 系统的易f h 性麓。软件系统的使j j 者必须 经过号rj 的培训j 能操作使j h 。 与【1 日外商q k 化的机器人离线编稚与仿真系统+ 1 1 比，我酗的机器人离线编程! j 仿真技术还宵很大的蓐足i i 【日内n ；此方晰的研究尚处j ：起步阶段，还没有成型的 产品。 叫轴天1 i 型机l 器人l 三广泛地麻川任切削、涂歧及喷涂等领域t 1 1 现阶段它们 人多数采川的怂下把f 或爪教龠1 ；教的机器人n j 线编氍斤，即f 出1 i 震川“接对 实机，j 教的订：线编f l t 厅式也采川的址f l i 改定数刷的爪敦斤j ( u i j 将机器人术端 于几行器的f 讧胃i 姿念价息以数删的肜“接输入剑机器人挣：i j i l 装胃i i i 控；洲机器 北京机械r 业自动化州了所i 晚l 学位论土= 人的运行) 。这些方式不仅效率低，而且对于一些复杂的图形根本无法完成示教 作业。另外数字化设计已经在工业界广泛使用，c a d c a m 技术己r 趋成熟，人 们希望机器人也能够像数控机床一样，能够根据在a u t o c a d 中绘制的作业图形， 经机器人离线编程的方式，自动生成机器人作业程序，实现c a d c a m r o b o t i c s 一体化。目前，国内对操作简单、可满足基本仿真功能且成本较低的基于a u t o c a d 平台的机器人离线编程系统软件有较大的需求。 一方面，国外机器人离线编程系统存在一些不利因素，而国内又无成熟的产 品；另一方面，国内对操作简单，成本较低的基于a u t o c a d 平台的机器人离线编 程系统又有较大的需求。因此，有必要丌发一种能够根据在a u t o c a d 中绘制的作 业图形自动生成机器人作业程序并能在a u t o c a d 环境中动态仿真机器人作业过 程的四轴关节型机器人离线编程系统。 1 6 课题主要研究内容 本课题应用v b 为系统丌发工具，通过利用a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术对 a u t o c a d 进行二次丌发，建立了一个基于a u t o c a d 平台的四轴关节型机器人离线 编程系统，实现了机器人二维平面作业图形轨迹的自动生成及机器人的三维动念 仿真。该四轴关节型机器人可广泛应用于裁剪、切割、涂胶及喷涂等作业。 本课题具体研究内容如f ： 1 介绍了应用a c t iv e xa u t o m a t i o n 技术对a u t o c a d 进行二次j r 发的方法， 利用该方法成功实现了从c a d 模块中提取机器人作业对象的图形几何数扭；信息， 并通过对提取出来的几何数接：信息进行处理，确定了机器人末端执行器( 手部) 沿机器人作业路径作业时的姿念，实现了机器人的作业规划。可根据机器人作业 规划得到的相关数据，生成m o t o 帕n 机器人的可执行j b i 文件； 2 根据机器人作业舰划得到的相关数据，通过四轴机器人运动学分析及轨 迹舰划，自动生成了机器人作业轨迹。可依掘机器人作业轨迹数据生成p m a c 卡 运动程序： 3 再次应用a c t j v e xa u t o m a t i o n 技术对a u t o c a d 进行二次丌发，实现了 a u t o c a d 环境中机器人参数化二：维几何实体建模，并根捌，j i 成的机器人作业轨 迹，实现了机器人作业过程j 维可视化动念仿真，以验证机器人作业轨迹7 i - 成的 i ：确性。 最终建托了一个堆ra u t o c a d 平台的机器人离线编氍系统，该系统町实现机 器人作业轨迹的自动乍成及机； 人动念仿真。 北京机械i 。业 1 动化研究所坝l 。学位论z 第二章机器人运动学基础及轨迹规划 本课题的研究对象为一关节型机器人。对于关节型机器人来说，其实质上就 是山一系列关节连接而成的空日j 连杆r 式链机构。要研究机器人，就必须对其运 动学及轨迹规划有一个基本的了解。 2 1 机器人的位姿几何原理 在研究运动学之前，先简要介绍刚体位姿几何的一种常用表示方法。刚体的 位姿可以用多种方法表示，如6 维的广义坐标、4 4 的齐次矩阵，旋量等等。 这罩采用比较常用的是4 4 齐次矩阵。对于直角坐标系 a ，空间任一点p 的位 置可用3 l 的列矢量p ( 称位置矢量) 4 p - _ ( p 。，p 。，p ，) 1 ( 2 - 1 ) 表示，其中，p x ，盱，p z 是点p 在坐标 a 中的三个坐标分量。p 的上标a 代表参考坐标系 a 。除了直角坐标系外，也可以采用圆柱坐标系或球( 极) 坐标 系柬描述点的位置。 为了规定空例某刚体b 的方位，另设。直角坐标系t b i 与此刚体陶接。 j 啦 标系 b 的三三个币位e 欠量x 。，y 。z 。十l 肘r 坐标系 a 的方向余弦组成的3 3 矩阵 ；胄a x 。y z d ( 2 2 ) 或 卜d j q i 扣。匕乏：_ j 3 ， 来表示刚体b 栩对于的方位。；月称为旋转翘! 阵，卜标a 代表参考坐标系