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基于 PLC 机器人 本体 设计 论文 DWG 图纸 外文 翻译 文献 综述 开题 报告

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l 3 8 计算机应用研究 2 O O 3年 机器 人仿 真通 用试 验 平 台的设计 与 实现 林晋 ，柳长安 ，吴克河 ，徐燕 ，刘克勤 ( 华北电力大学计算机科学与技术系，北京 1 0 2 2 0 6 ) 摘要：阐述 了建立一种通用的机器人仿真试验平台的方法。首先介绍 了v c+ + 6 0 ， O p e n G L和 M A I Y A 6 0三种软件各 自的优点； -g次把这三者的优点结合起 来， 建立通用的机 器人仿真试验平台； 曩后通过建 立移动操作手的运动仿真 系统为例 ， 证 明了这种试验平台的优越性和有效性。 关键词 ：机 器人仿真；通用试验平台；V C+ +6 O ；O p e n G L ；M A T I A B 6 0 中圈 法分 类号 ：T P 2 4 2 ；T P 3 9 1 1 文献标 识码 ：A 文章编 号 ：1 0 0 1 3 ( 2 0 0 B ) l 0 0 l 3 8 0 3 De s i g n a n d I mp l e me n t a t i o n o f Un i v e r s a l E x p e ri me n t a l P l a tf o r m i n R o b o t i c S i mu l a t i o n L I N J i n ，L I U C h g- g n ，WU K e - h e ，X U Y a h ，L I U K e - q i I l ( 及 矿 & t a r , T h n o o g y， N o r t h Or h a E * c P o w e r V n a m t y， &咖 1 0 2 2 0 6 ， ) A 嘣：T h i s p r e s e n t s a m e t h o d o l o g y f o r 衄t m i v s a l既p e r i I 唧l t a l p l a tf o r m i n i x b o c s i n m h fi o n 1 r n s t ，w e蛔加c h l c e c l 1眦 s a t V C+， O p e n G L a n d MA I L A B 6 0 ， v e l y A c c o r d i n g t o t h e i r f u n c t i o m， s e c o n d l y ，a u n i v e a m l 国 p l i s c r e a t e di nl l3 lo t i c s i n m l a t io n A t l a s t b u t n ol e s s ， t h e v a l i d i t y a n d a d v a n t a g e 0 f t | l em e t h o d o l o g y珥m m e db y 衄啦a 0 p l a | l I l i I lg 8 i l m 0 l 1 0 f am o b i l em mp r s y s t e m 1 ： Ro b o t i c 叽 ； U n i v e r s a lE x p e r i me n t a l P i a t f t mn ； V C +6 0； O I z L ； MA a l AB6 0 1 引言 目前 ， 通过仿真试验来研究机器人 的各种性能和特 点， 已经是机器人理论研究必备方法之一 。同时 ， 仿真 试验结果也为制造机器人提供 了有效的参考依据。因 此， 机器人仿真系统对理论和实践的价值、 意义及作用 是显而易见的。例如仿真系统利用计算机 的计算功能 和可视化手段， 模拟机器人的动态特性 ， 有助于研究人 员理解机器人的工作空间的形态及性能参数， 揭示机器 人的运动学、 动力学及有效的控制算法等， 从而解决在 机器人设计、 制造和运行过程 中的问题 ， 避免直接操作 实体可能造成的事故和不必要的损失。 在国外， 已经实现 了许 多专 门的机器人仿真平台， 如 R o b o C A D等 ， 但在国内还没有成型的通用机器人仿真 系统， 因此， 建立机器人仿真试验平台是促进机器人研 究的有效途径。本文经过对各种有效技术的比较 ， 充分 考虑 V C+ + 6 0 ， O p e n G L和 M A T L A B 6 0 三 种软件 各 自的 优点， 阐述了建立通用机器人仿真试验平 台的编程环境 和方 法 。 2 V C+6 0 ， Op e n GL ， MA T L A B6 0的功能 M A 1 f I A B是一种功能强大的数学计算软件， 并且 随 着各种工具箱的增加 ， 其仿真功能和编程功能等也与 13 俱增。由于在机器人的研究 中， 所处理的数据和对各种 收稿 日期：2 o 0 2 0 9 1 9 ；修返 日期 ：2 0 0 3 0 1 2 4 数据的计算量都很大， 而且大都是关于矩阵的运算， 因 此， MA T L A B是最佳的计算工具 1 。 V C+ +则是微软设计的一款强大的程序设计系统 ， 并且 V c+ +6 0与其它开发工具相结合 已经形成一个 无所不包 的开发工具套件- 2 J 。将 M A I L A B与v C+ +6 0 结合起来 ， 充分发挥它们各 自的优点， 就可以建立一个 开放式的、 编程效率极高的开发环境。鉴于对仿真系统 的持续开发的考虑 ， 本文采用了 M A T L A B 6与V C+ + 6这 种混合编程的方式。这种方式的基础就是建立一个连 接好的编程环境， 在这种环境 中充分利用 M A I L A B的数 学计算功能和仿真功能等的编程效率 ， 然后利用V C+ + 6 0的强大控制功能将它们编译到V C+ +6 0的工程 中。 对于仿真图形演示部分 ， 本文采用 了 O p e n G L的图形功 能 。 O p e n G L 是一个开放的三维图形软件包 ， 独立于窗口 系统 和操 作 系统 ， 具 有 良好 的可 移植 性 ， 也具 有 强大 的 二维和三维 图形处理能力， 如图元造型、 着色 、 光照、 阴 影 、 运动模糊性、 隐藏面消除、 动画等 ， 几乎已经成为行 业的图形标准- 3 J 。它为开发快速高效、 低成本的图形软 件提 供 了有力 的工具 。另外 ， 机 器人 环 境 中一般 采用 齐 次坐标 变换 的方法。同样 O p e n G L图形库所包含 的变 换 ： 基本变换( 平移 、 旋转、 缩放 、 镜像 ) 和投影变换( 正交 投影 、 透视投影) r E 采用相 同的坐标变换方法 ， 因此， 这 正适合机器人的三维图形仿真。 将 M A T L A B6 0 ， O p e n G L和V c+ + 6 0 这三者结合起 来 ， 充分发挥它们各 自的优点和特长， 无论是从开发效 维普资讯 第 1 O期 林晋等 ： 机器人仿真通用试验平 台的设计与实现 1 3 9 率和程序功能的实现， 还是开发速度和程序的可扩充性 等， 对机器人仿真系统开发将具有显而易见的优越性 。 3 试验平台的配置和实现方法 V C + +调用 N A T L A B功 能 的实 现 接 口主要 有 两 种 J ： 通过启 动 NA T L A B的引擎 E n g i n e ， 以 N A T L A B作 为后 台 处 理 ， 利 用 E n g i n e函数 调 用 N A T L A B的 强 大 功 能。但 这 种 方 法 脱 离 不 了 NA T L A B运 行 环 境 ， 对 N A T L A B具有依赖性。利用 NA T L A B的外部接 口或 M a t C o m等方式。它们与V C+ +具有 良好的接 口， 只要包 含必要的库文件和头文件， 并经过合适的配置 ， 即可实 现对 NA T L A B的 * M， * m e x等文 件 的调用 ， 而 毋 需运 行 M A T L A B ， 速度和效率 明显比第一种方法快得多。本 文采用第二种方法， 运用了 N A T L A B的外部接 口， 生成 独立可执行的程序 ， 并与V C+ +6 0连接， 在V C+ +6 0 的 MF C项 目空间中充分运用 N A T L A B的C C+ +数学函 数库， 以及 N A T L A B语言构成的 * M文件程序等， 来构 造一个高效率、 可扩充的仿真系统试验平 台。 3 1 实验平台编程环境的配置 本文将 M A T L A B 6 0兼 容 到 V C+ +6 0的 I D E环 境 中， 然后对编程环境作进一步的优化配置， 其步骤如下 ： ( 1 ) 为了实现三维真实感 图形演示 ， 将 O p e n G L配置 到V C+ +的项 目空间 中。 在项 目设置对话框( 1 j e c t S e t d n g s ) 的连接( L i n k ) 选项 卡 的 O b j e c t L i b r a r y M o d u l e s 文本 框 中添加 O p e r , g l 3 2 1 i b ， G l u 3 2 1 i b ， G l a u x 1 i b ( 或 G l u t h ) 。 将 下 列 语 句 包 含 到 使 用 图 形 的类 文 件 中： #I n e l u d e g l g 1 | ，# I n c l u d e g l g l u | ，# I n c l u d e g l g l a u x h ， ，或 G l u t h 。此时就可 以利用 O p e n G L三维图形库 建立 通用 的三维模 型。 依据需要， 创建视图用于三维场景和机器人的运 动演示等三维真实感图形， 以及各种机械零件的图形库 等。如果 需 要 其 它 一 些 简 化 图 形 ， 也 可 使 用 M A T L A B C C+ + G r a p h i c s L i b r a r y 图形库 ， 这样可以大大提高编程 的效率 ， 并能缩短开发周期。 ( 2 ) 配置 N A T L A B 6 0到 V C+ +6 0创 建 的项 目中。 以使用的 M A T L A B6 1 安装在 F ： 盘上为例。 创建一个工作空间和一个合适 的项 目， 并经过修 改以适合 自己的应用 。 配置库和 L i b文件的路径。在 T o o l s的工具栏 中 选择 O p t i o n s ； 在 O p t i o n s 对话 框 中的 D i r e c t o r i e s 标 签 页 中 的 S h o w D i r e c t o r i e s f o r选 择 ： I n c l u d e F i l e s 。 在 下 面 的 D i r e c t o ri e s中添 加 N A T L A B库 文件 路径 ， 添加上 ： F ： MA T I AB 5 P1 E XT ER N I NCL UDE：F： NATL AB 6P 1 E X T E R N I N C L U D EC P P ， 然后 在 S h o w D i r e c t o r i e s f o r 选 择 ， 在 D i r e c t o r i e s 中添 加 ： F ： N A T I AB 6 P 1B WI N 3 2 MB UI I DOP T S； F：NATI AB 6P 1 E XTE RN I NCL 皿 E C P P ； F ： M A T I AB 6 P 1 E X T E R NI N C L U D E等相 关 的 库文件和 L i b 文件的所有路径 。 在上面提到 的同一属性 页 O p t i o n s 的 同一 页 中的 S h o w D i r e c t o r i e s f o r 列表中选择 ： L i b r a r y F i l e s ， 在 D i 】【e c i e s 中添 加 L i b文 件 ： F ：N A T I AB 6 P 1E X I l g R N L I B W I N3 2MI CROS OFt ； F：MAT I AB6 P1EX I l g RN L I B W I N3 2 MI CROS OFt NS VC 6 0；F： NAI I AI t 6 P1 EXT ERN LI BWI N3 2； F：MA AB 6 PlE 1 【 N m 等 的路 径 ， 然 后 在 S h o w D i rec t o r i e s f o r中选 择 ： E x e c u t a b l e F i l e s ， 在 D i r e c t o r i e s中 添 加 ： F ：NA T I AB 6 P 1B I N WI N 3 2 ； F | N A T I A B 6 P 1| B I N | WI N 3 2| M B U I I J ) O F I S等 路径 。 配置项 目的 S e t t i n g 设置项。在菜单项 P e c t S e t t i n g 的对话框中， 进人C C+ +属性页， 在 C a 嘲孵选 择 ： C o d e C , e n e r a t i o n ， 然后在 U s e R u n - T i m e 确认使 用： M u l t i t h r e a d e d D u或 O e b u g M u l t i t h r e a d e d D U ， 可依据需 要确定。 关于 M a k e d e 文件依据所用的工程项 目的需要进 行编写与否 ， 或进行其它相关 的设置 ， 还要把所使用的 N A T L A B6 0的 M l i b文件添加到项 目空间中。 安装 完 N A T L A B 6 1后， 一定 要 把 M A T I AB的 C C+ +数学函数库安装上 。如果需要图形演示， 也可以 安装 使 用 N A T L A B C C+ + G r a p h i c s ， 并 配 置 N A T L A B的编译器 ， 即在 M A T I AB提示符 下： l 洲 S e t u p ， 依据提示进行配置。本文选 择 了： l i e l i s o f t V i s u a l C C+ +v e r s i o n 6 0 ， 并 自动 安 装 上 了： N A T I A B V i s u a l S t u d i o A d d - i n 。这个插件简化了 N S V C 对 M文件 的调用， 可以自动把 M文件集成到 V i s u a l C + +的工程文件中， 实 现了与 N S V C的完全集成。把 它加人 到V C+ +6 0 I D E 中， 就可产生一个相应的工具条和在生成新项 目的对话 框中有一个 ： N A T L A B项 目向导 ， 从而可 以生成 M A T I AB 的C C+ +项 目， 达到与 V C 6 0的一种更为完美的混合 可视化 编程 。 ( 3 ) 按照上面的配置过程设置完系统后 ， 一定要经 过测试项 目， 结合下面说明的编程方法进行测试 ， 以确 定各文件路径 、 配置项和参数等的完善， 避免各种外部 引用 等错误 。 ( 4 ) 编程环境 的优化。对 于编程环境的优化问题， 要依据工程项 目的需要， 结合项 目本身的优化， 才能达 到整体效果。在一般情况下， 上面的做法也能够做到将 N A T L A B与 V C+ +6 0的完 美结 合， 已经能 够 发挥 出 V C + +6与 N A T L A B6 ， O p e n G L各 自的特点和优势 。 3 2 仿真平台的编程方法 依据上面所配置的编程环境， 采用的编程方法是 ： ( 1 ) 利 用 上 面方 法 配 置 到 V C+ + I D E中 的 M A T I A B V i s u a l S t u d i o A d d i n 插件 ， 直接调用 M A T I AB语言函数文 件 ( M) 到 当前项 目。 ( 2 ) 将利用 N A T I AB语言生成的功能 函数编写成 M 文件 ； 利用 M e t或 N b u i l d e 产生 C C P P文件、 同名头文 件和包裹文件( 扩展名为 C C P P 1 1 e x I r t s的文件 ) 等 ， 然后 ， 在V C+ +的工程项 目中就可以使用这些文件 。 将 M文件中由以上方法生成 的C C+ +语言函数 ， 并结 合 N A T L A B的数学函数库 的函数， 就可以在v c+ +的相 维普资讯 1 4 0 计算机应用研究 2 O O 3年 应成员函数 中调用这些函数进行编程 ， 达到C C+ +与 M 文件之间的高效混合编程。 ( 3 ) 利用 M c c和 M b u i l d对 M A T I A B的 M文件编译 产生独立可执行文件 ： e x e 。如果用 M A T L A B编写的是 一个 功 能 独 立 的 或 特 殊 的模 块 ， 就 利用 V C+ +的： S h e U e x c u t e ( ) s h e l l e x c u E X ( ) ， 写成 外部 功能调用 。这种 方 法也可 以将 V C+ +6 0的 M A T I AB内置插件所 生成 的 M A T I AB项 目工程向导产生的项 目， 经正确编译后 ， 作为 独立可执行程序进行调用。 ( 4 ) 运用 M A T L A B的 M b u i l d 命令来创建 C共享函数 库： D L L 。利用共享 函数库 ， 就可以直接在V C+ +6 0中 进行使用。 总之， 本试验平台的设计原则就是 ： 总体上， 先利用 M A T L A B编程方法组织和实现相应的各个计算功能的模 块和函数 ， 再在V C+ + 6 0的主控程序中调用 ， 然后利用 O p e n G L强大的三维图形功能进行三维动画演示。下面 通过移动操作手的运动规划为例， 运用上述方法建立试 验仿真平台系统。 移动操作手协调系统是 由安装在移动式机 器平 台 上的单个 ( 或多个) 多关节 、 具有冗余性的操作手构成的 系统。这种系统具有多关节操作手的优点 ， 也结合了移 动平台的特点 ， 使得该系统有一定的灵 活性。因而， 对 移动操作手协调系统的实用性研究就具有很大的价值 和效益。由于研究的费用 、 效率、 时间和各种条件 的限 制等 ， 也由于目前 的仿真技术 的飞速发展 ， 使得仿真方 法具有较好的效果 ， 并使得研究与实践很好地结合到一 起， 具有持续性开发的特点。本文运用上面所述的方法 搭建起一个通用的仿真试验平 台， 并实现了移动操作手 运动规划的仿真系统。 ( 1 ) 总体设计。对于移动操作手的路径规划仿真程 序的总体设计如 图 1 所示。该移动操作 手系统仿真程 序的主要模块有： 机器人零件模型库、 机器人图形绘制 模块、 控制主模块、 规划算法模块等。控制 主模块主要 由V C+ +6 0的程序完成 ， 负责对其它模块的协调和控 制以及数据转换， 机器人类 、 整个程序 的主界面等也 由 V C+ + 6 0代码完成； 规划算法模块主要 由 M A T L A B语 言完成的各种常见 的规划算法函数来实现数学计算功 能 ； 机器 人零 件模 型库 和机 器人 图形 绘制模 块 均 由 O p e n G L三维图形库 中的函数来完成。其 中的编程环境 和编程方法如前 面所述 。 图 1 移动操作手运动规划仿真系统构成 ( 2 ) 实现和逻辑设计 。在 MA T L A B 6 0中创建移 动操作手的运动规划算法 函数模块。这个模块以运动 学的正向解和反 向解等算法为原理编写出操作手 的各 关节变量和末端执行器的位姿的运动关系， 以及移动平 台的运动轨迹 和其它规划算法的实现。两者使用不 同 的、 有关联的运动算法或其它算法 ， 具体的数学算法可 参照文献 5 6 ， 也可以利用 M A T L A B的仿真功能， 先对 算法的有效性和合理性进行验证 ， 然后放到V C + +项 目 中。运用V C+ +6 0进行程序设计 ， 完成程序界 面和 控制功能函数等， 主要是 M A T L A B与 O p e n G L数据 的转 换和传递 、 控制关系、 机器人类等。利用 O p e n G L三维 图形库来完成移动操作手 的运动图形显示和各部件 的 图形建模。一方面建立移动操作手所需要 的各种部件 的图形模型函数集 ， 既可充分利用 O p e n G L的显示列表， 也可利 用功 能强 大 的建模 软件 建立 模 型， 然 后 导入 O p e n G L o如让移动操作手 自动完成抓取一个预设物体 的任务， 物体模型是球形的、 立方体形的， 还是其它特定 的形状， 可 由操作者选择 ， 但这些预选 的物体模型必须 用 O p e n G L 建好。同样 ， 移动操作手系统模型是两关节 的、 三关节的， 或是单臂、 双臂， 还是其它可选择 图像模 型， 这些都需要事先建好 ， 形成一个可利用的图形模型 库( 在用 O p e n G L建造这些模型时， 要注意各部件的接 口