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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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第 2 6 卷 VO1 26 第 1 期 NO1 计 算机 工程 与 设计 Co mp u t e r E n g i n e e ri n g a n d De s i g n 2 0 0 5 年 1 月 J an 2 00 5 面向对象的机器人仿真与监控系统 马志 强 ， 陈一 民 ， 汪 地 ( 上海大学 计算机工程与科学学院， 上海 2 0 0 0 7 2 ) 摘 要 ： 通 过对机 器人 的几何建模 和运 动学建模 进行 了研 究 ， 论 述 了使 用V C 6 0 语 言作 为开发 平 台， 以 O p e n G L三维显 示 技术完成三维可视化 ，以 V R ML作为外部机器人模型表示，实现运行时可交互的机器人三维实时图形仿真 系统的开发 技术 与方 法。 系统通 过 网络 与机 器人控制 器进行通信 ， 实时接 收机 器人控制 器发 来的状 态数据 ， 将 它们 动 态地以三 维模 拟方 式显示 ， 用户 能够动 态地监 视机 器人 的运 动状 态 ， 在 必要 时对机 器人 的动作进行控 制 ， 为其它机 器人 的研 究提供 通 用的仿 真与模拟 平 台。 关键 词 ： 机 器人仿真 ；O p e n G L ；机 器人 建模 ；面向对 象 中图法分类号： T P 3 9 1 9 文献标识码： A 文章编号： l 0 0 0 7 0 2 4 ( 2 0 0 5 ) 0 l 一 0 0 7 5 0 4 O b j e c t o ri e n t e d r o b o t s i mu l a t i o n a n d mo n i t o ri n g s y s t e m MA Zh i - q i a n g ， CHEN Yi - mi n ， WANG Di ( C o l l e g e o f C o mp u t e r E n g i n e e r i n g a n d S c i e n c e ，S h a n g h a i Un i v e r s i t y ,S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ro b o t g e o me t r y mo d e l i n g ， k i n e ma t i c s mo d e l i n g a nd r o b o t n o u me n o n a r e an a l y z e d ， an d t h e t e c h ni q u e an d me t h od i mp l e me n t i ng e x e c u t a b l e i n t e r a c t i v e r o b o t 3 D s i mu l a t i o n b a s e d o n the wi n d o ws p l a t f o r m are d e s c rib e d ， u s i n g Op e n GL f o r 3 D v i s u a l i z a t i o n i n c o mb i n a t i o n wi t h VRML for e x t e ma l r o b o t r e p r e s e n t a t i o n d e tai l e d Th i s s y s t e m h a s t h e c a p a c i t y o fs i mu l a t i n g t h e mo t i o n o f an i n d u s t r i a l r o b o t i n r e a l t i me Co n n e c t e d wi t h t h e r o b o t c o n t r o l l e r v i a n e t wo r k ， t h e s y s t e m C an r e c e i v e the s tat us d a t a o f t h e r o b o t an d d i s pl a y the m i n 3 D s i mu l a t i o n mod e Us e r s C an mo n i t o r d y n a mi c a l l y t h e b e h a v i o r o ft h e r o b o t ， a n d C an c o n tro l d i r e c t l y t h e a c t i n g o f the r o b o t i f n e c e s s a r y T h e s y s t e m C an s i mu l a t e d i ffe r e n t r o b o t t y pe for r o b o t i c r e s e arc h O 腕 r t o u n i v e r s a l s i mu l a t i o n an d mo ni t o rin g fia t Ke y w o r d s ：r o b o t s i mu l a t i o n ；O p e n G L ；r o b o t m o d e l i n g ；o b j e c t o ri e n t e d l 引 言 随着计算机技术的迅猛发展 ， 对机器人通用性、 开放性的 要求越来越高 ， 为适应上述要求， 我们建立了一种通用的基于 网络和 wi n d o ws 9 T操作系统的机器人仿真系统 。该机器 人仿真系统采用O p e n GL ( Op e nG r a p h i c s L i b r a r y ) 图形库进行开 发， 能够实时模拟机器人的运动， 并且通过 网络与机器人控制 器相连， 仿真系统能实时接收机器人控制器发来的状态数据， 动态地 以三维模拟方式显示 ，因此用户 能够通过 网络动态地 监视机器人的运动状态 ， 并能对机器人的动作进行远程控制。 2 0世纪 9 0 年代中后期， 在机器人仿真领域又取得 了明显 的进展 ，由美 国德克萨斯大学机器人研究小组和 Ne w t o n i u m 公司开发商业化的三维模型动画包 R o b o Wo r k s 能用一些基本 的图元交互式的建立三维模型，同时它还能用于实时交互控 制， 允许外部的程序通过 T C P I P网络协议和它连接 以控制仿 真模型 。 国内， 清华大学、 哈尔滨工业大学等单位也都结合 自 己的实验环境开展 了机器人 系统图形仿真等方面 的研究，并 取得 了一些科研 成果。以我们 自行研制的通用式机器人控制 器为基础，我们也开展 了这方面的研究工作 。但我们以往开 发的仿真系统就存在着通用性不高，当需要对所仿真 的机器 人对象改变时，必须对机器人仿真与监控程序从源代码级别 进行改变，才能反映不同机器人的运动学关系 。为此建立了 机器人的通用类， 只要改变机器人运动学模型的配置文件， 就 可以仿真不同型号的机器人。 本文将对机器人仿真 系统 开发中的一些关键技 术：如 Op e n GL三维显示技术： 机器人几何模型建模技术： 运动学模 型建模技术等进行说 明。 2 机器人建模技术 机器人的运动是由关节的运动所引起 的， 而关节的位置 是由连杆的长度和排列方式所决定，与连杆的具体形状 并没 有太大的关系。因而，我们在研究机器人的运动机理或称为 机器人运动学分析时， 可以对机器人进行某种抽象， 将连杆抽 象为一条直线 ， 而将 关节抽象为一点， 对分析结果不会产生影 收稿 日期：2 0 0 4 一 o 1 O 8 。 基金项目：上海市科委基金项 目 ( 0 1 5 1 1 5 0 4 2 ) 。 作者简介：马志强 ( 1 9 7 7 一 ) ，男，河南周L 1 人，硕士生，研究方向为多媒体技术： 陈一民 ( 1 9 6 1 一 ) ，男，教授，博士生导师，研究方向为多媒体 技术、计算机网络和机器人控制。 一7 5 维普资讯 响。但是为了真实地仿真机器人的动作 ，在进 行三维显示时 又必须使每个杆件尽可能与实物完全一致，这样才能达 到仿 真的 目的， 这 一过程又可称为几何建模 。对机器人的建模实 际上可分为机器人运动学建模和机器人几何建模两部分。 2 1 机器 人几何 建模 进行机器人图形建模主要有两种途径：一种 是直接用计 算机编程语言建模 。这样开发难度比较大 ，需要掌握大量的 计算机 图形学知识， 编程过程繁琐 ， 开发周期较长。另一种 是 利用商品化 图形软件作为图形支撑来实现 。其优 点是程序的 内核较 小， 可靠性高， 程序 的可移植性和系统的可扩充性好。 为了保证程序具有 良好的可移植性和可靠性 ，本文采用了在 O p e n G L中使用 S o l i d Wo r k s 实体建模的数据文件方法。 VR ML语言( Vi r t u a l R e a l i t y Mo d e l i n g L a n g u a g e ) 是目前在 We b上广泛使用的三维 图形标准 ， 目前许多 C AD软件都具备 了读入和输 出该种格式文件的功能 。V R ML是 AS C I I 码文本 方式的文件 ， 通常将一个复杂形体表示成一个个小的三角形， 数据格式通常都是 由两组数据组成， 一组为节 点的三维坐标 ， 另一组表示节点之间拓扑关系。 2 2 机器 人运动 学建模 机器人的运动学分析( k i n e ma t i c a n a l y s i s ) 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 析这些坐标系之问的位置 ( p o s i t i o n )和姿态 ( o r i e n t a t i o n ) 的关 系。杆 件 坐标 系的选 择 有 多种 方法 ，但 最 常用 的 方法 是 D e n a v i t Ha r t e n b e r g方法 ( 简称 D H法) 。 图 l 和图 2为采用 D H法选取杆件坐标 系和杆件参数的 示意 图。对于任意一个连杆 i ， 其位 置与姿态可由4个参数来 描述。其中， 描述连 杆 i 本身属性 的参数有 2个， 它们是连杆 长度 a 和连杆扭角a 。 描述通过关节 i 相连的连杆 i 和连杆 i l 关系的两个参数分别为沿关节 i 轴线的两个公垂线 的距离 d 荚 扦 忭 J 扦 一7 6 一 美 荚 嚣 +I 图 l 转 动关节 锋 + I 图 2平移 关节 l + l 与夹角0 。由连杆 i l系到 i 系的变换为： T =R o t ( Z ， 0 。 ) T r a n s ( O ， 0 ， d O T r ans ( a ， 0 ， 0 ) R o t ( X， m ) ( 式 l 1 ) 与此类 似可 以递推完成各连杆坐标系 的变换。假设 T 表示连杆 P到连杆 q的变换， 则连杆 0 ( 底座) 到连杆 q的变换 可表示为 T ， 显然下列递推式成立 ： T o I = T T o 2 = To ， T2 = TlT2 T o 3 = To 2 T 3 =TI T 2 T3 T = T T = T 。 T T 3 T ( 式 l 一 2 ) 若末端连杆为连杆 n ，则 T 为底座到末端执行器的变换 式 。由以上递推式可求出从底座到末端执行器间任意连杆 的 变换式 。只要每个杆件依照如前所述 的方法选取坐标系来进 行建模，并给定每个杆件的4个参数 ， 就能根据 以上递推式， 在相应位置正确绘制出各个连杆的姿态 。只要实时给出当前 每个连杆的参数， 就能够完成机器人运动过程的实时模拟。 3 系统 实现 如 图3所示，本系统采用模块化设计方法和面 向对象 的 程序设计方法， 共分为 5大模块 。 图 3 机 器人 仿真 与监控 系统结构 图 几何模型输入模块 ： 仿真软件读入图形数据文件 ， 识别 文件格式，建立起各零件数据信息 。包括零件上组成三角面 片的每个点的坐标、 颜色 、 方 向矢量， 以及点的组合信息。 运动学模型输入模块 ： 从机器人运动学模型 的描述文 件读取机器人的关节数据，修改描述文件就可以仿真不同型 号的机器人 ， 而不需要修改仿真 系统的源程序 。 图形仿真模块，根据模型输入模块所获取 的机器人 的 模型数据来绘制机器人 图形并根据网络通信模块接受到的机 器人状态数据来进 行运动仿真 。 网络通信模块，用于同机器人控制器和仿真数据发生 器通信。接受机器人的状态数据并将控制指令发出去 。 人机交互模块， 主要完成对菜单和对话框世界的响应 ， 实现人机交互过 程。 3 1 基于 Op e n G L的三维 图形 仿真 O p e n G L是由S G1 公司开发的可独立于窗 口系统、 操作系 统和硬件环境的图形开发环境三维 图形库。O p e n GL 包括 大 约 l 2 0多条不同的命令 ，用来定义 3 D物体和交互式 3 D应用 的操作 ， 基于O p e n GL开发的大量应用系统 已广泛地应用于科 学计算可视化 、 C AD CA M、 图像处理 、 地理信息系统、 虚拟现 实等领域 。 整个 O p e n G L的基本工作流程如图 4所示。 图 4所示为 Op e n GL的基本工作流程 。其 中几何顶点数 维普资讯 几 卜 运 算 器H l 光 栅 化 图像像 素 数据 显示列表 图形操作卜 _ 一l 纹理映射 图 4 Op e n GL的工作流程 据包括模型 的顶点集 、 线集、 多边形集， 这些数据经过流程图 的上部 ， 包括运算器、 逐个顶点操作等； 图像数据包括象素集 、 影像集 、 位图集等， 图像象素数据 的处理方式与几何顶点数据 的处理方式是不 同的， 但它们都经过光栅化、 逐个片元 ( F r a g me n t ) 处理直至把最后 的光栅数据写入帧缓冲器。在 O p e n GL 中的所有数据包括几何顶点数据和图像数据都可以被存储在 显示列表 中或者立 即可 以得 到处理。 O p e n G L要求把所有的几何图形单元用顶点来描述运算 器和逐个顶点操作都可以针对每个顶点进行计算和操作 ，然 后进行光栅化形成 图形片元； 像素数据、 像 素操作结果存储在 纹理内存中 ， 再与几何顶点操作一样光栅化形成图形片元。 整个流程操作的最后 ，图形片元都要进行一 系列的逐个 片元操作， 这样最后 的像素值送入帧缓存实现图形的显示。 整个 O p e n GL的功能封装在 C O p e n GL V i e w类 中， 第 l ， 完 成图形系统的初始化设置 ， 包括窗口设置、 视 口设置、 坐标原 点设置 、 投影方式设置 、 视点设置和 图形初始化等工作： 第 2 ， 完成机器人几何模型的读取 ： 第 3 ， 根据机器人几何模型和运 动学模型绘制机器人图形并根据 网络通信模块接受到的机器 人状态数据来进行运动仿真。 3 2 通 用的 机器人 类 如 图 5所示 为通用的机器人类 C R o b o t ， 它读取机器人运 动学模型描述文件，根据参数建立建立一个通用的机器人运 动学模型。只要修 改描述文件 ，就可 以仿真不同型号的机器 人 。 它建立一个链表， 链表 中的一个结点表示一个关节类 。 关 节类包括关节的类型 m n J o i n t t y p e 、D H参数初值 m Ce n t e r P a r a 、 当前关节控制变量值 m d C o n t r o l P a r a 和当前 关节的变换 矩阵 m S t a t e Ma t r i x 。 图 5 通用 的机 器人 类 3 3 网 络通信 的 实现 Wi n d o ws S o c k e t s 规范以 U C B e r k e l e y大学 B S D U NI X中 流行的 S o c k e t 接 口为范例定义了一套 Mi c o s o fl Wi n d o w s下网 络编程接 口。B S D套接 口是一种 内部进程间的通信机制，已 成为 网络编程的通用接 口。 针对传输 的数据需要连续数据流 ， 且需保证数据可 靠的特点， 我们选择流式S o c k e t 方式 ， 编程直 - _厂 接采用通用 S o c k e t 的方案 。 S o c k e t 的编程 逐 点 H帧 缓 冲 区 l 原 理 基 于 套 接 字 的 系 统 调 用 。 应 用 程 序 一 一 首先必须通过调用 S o c k e t ( ) lJ 建套接字 。 然后调用 B i n d ( ) 将套接字地址与所创建 的 套接字联系起来 通过C o n n e c t ( ) 和A c c e p t ( ) 建立套接字 的连接， L i s t e n ( ) 用于面 向连 接的服务器 ， 表示它愿意接受连接， L i s t e n ( ) 需在 Ac c e p t ( ) 之前建立调用。当一个连 接建立后， 可 以传输数据 了， 常用 的系统 调用有 S e n d ( ) 和 R e c v O。最后调用 C l o s e S ock e t ( ) 关闭套接字 ， 并释放所分配给套接字的资源。 由于 s o c k e t 进行传输 的是字节流( b y t e s t r e a m) ， 必须在其 t- 定义 自己的高层协议 ，才能实际用于状态数据 的传送。协 议单元 由一个单元头和若干个记录， 以及终结符组成 ， 为方便 起见， 所有协议单元都 以字符方式传送 ， 整数 以及浮点数都转 换为字符 串进行传送。记录的个数是可变 的，以适应不同场 合的需要。例如， 远程仿真监控系统调用机器人指令文件后， 传送给住主控计算机时 ，由于一个文件一般会包含若干条指 令， 这些指令将组成一个协议单元， 而记录的个数则表明这个 协议单元所包含的指令个数。单元头和记录与记录之间由记 录分隔符 来进行分隔。每条记录通常分为两个域，域之 间 用域分隔符 隔开。 第 1 个域表示本记录的具体类 型， 例如是 数据还是命令， 具体为什么命令等。我们直接采用一个 3 2位 整数值来表示， 由接受方将它转换成相应 的记录类型 。第 2 个域为该记录的具体数据，数据间用域 内分隔符隔开。下面 为一个协议单元的具体实例。 2 # COM MAND+ t r a c e ；h o me &ABS 0LUTEDE G + l 0 0 0 0 ； 3 0 4 5 ； 9 2 6 6 ； 6 7 1 0 ； 2 5 8 5 ” 2 ” 表示该单元中有两条记录 ， ” ” 为分隔符，标志着第 l 条记录的起始。 ” C OMMAND” 表示该记录为命令； ” t r a c e h o me ” 为命令的具体内容， 打开捕捉功能， 并执行回位操作 。 & 为记 录分隔符 ， 表示第 1 个记录 已结束， 下面将开始第 2个记录。 ABS OL UT ED E G 表示该记录为绝对角度坐标数据 。分隔符 后面为具体的绝对坐标 的具体实际，各数据间用内部分隔符 为 ； 隔开。整个单元 由终结符 结束 。 由于系统随时可能需要进行数据的发送和接收以得到需 要的信息，应用程序之 间的数据传输很频繁且不 定时。而系 统义要求数据 的传输不能消耗过多的系统资源 ，不能妨碍用 户界面上的操作和显示 。这里可 以使用 多线程实现多任务并 行， 达到系统的要求。 首先如前所述 的调用 s o c k e t ( ) ， b i n d ( ) ， l i s t e n ( ) 函数 ， 建立套 接字做好接收准备， 然后需要调用 i o c t l ( s e r v e r s o c k ， F I ONB I O & f l a g ) ； 设置主套接字为非阻塞式套接字F D S E T ( s e r v e r s ock , &r e a d f d s ) ； 打开主套接字 的读监听位接着调用 p t h r e a d c r e a t e ( &t i d ， NU L L ， ( v o i d ) &S r v F u n c ， NUL L ) ； 0 建后台工作线程 S r v F u n c 0。 这 时，服 务方通信的初始化完成返回避免 由于通信造成主程 序阻塞， 不能对机器人进行控制， 妨碍用户界面上的操作和显 示的结果 。具体的通讯在后台工作线程 S r v F u n c ( ) 中进 行， 它 完成下述循环 的过程： wh i l e ( 1 ) 一7 7 维普资讯 s e l e c t ( MAXC O N NE C T I O N， &r i d s ， &w f d s ， Ue f d s ， U t i me O u t ) ； 调用s e l e c t ， 等待某个事件发生； 或新客户连接的建立； 或是数 据 、 F I N或 RS T的到达 。 其中 MAxC 0 NN E C T 1 0 N表示最 多可 以连接的客户机的数量 ， 参数 T i me Ou t 定时器的值 为0 ， 表示 立 即返回。 I f ( F D_I S S E T ( s e r v e r s o c k ， &r f d s ) ) 有新客户连接， 建立 连接 。 c o n n f d = a c c e p t ( s e r v e r s o c k ， &c l i a d d r ， &c l i e n t ) ； 调用 a c c e p t ， 建立与客户机 的连接 f 0 r ( j = 0 ； i MAxC 0 NNE C T 1 0N； j + + ) 检查所有的连接 i f ( c l i e n t i ma x f d ) M a xf d = c o n n f d ； I f ( i ma x i ) Ma x i = i ； c l i e n d 用户队列 中最 大客户标号。 f o r ( i = 0 ； i - ma x i ； i + + ) 检 查所有连接 的客户。 i f ( ( s o c k f d = c l i e n t i 0 ) c o n t i n u e ； 连接的套接字已经关 闭 ， 返 回 。 i ff F D_l s s E T ( s o c k f d ， &r s e t ) ) 套接字可读 s r v Re c e i v e ( s o c k f d ， b u f , 3 2 ) ； 调用函数 S r v Re c e i v e 进 行读取处理 。 4 应 用 实例 如 图6、 图 7所示分别为 P t 6 0 0的运动学模型描述文件和 P t 6 0 0仿真与监控 界面。 仿真与监控系统能够从描述 文件中读 取机器人 的运动学模型参数， 想要改变机器人模型只要修改这 个描述文件而不需要对机器人仿真与监控程序从源代码级别 进行改变 。 仿真与监控系统显示 3个视图， 用户可以根据需要 打开新的视图， 也可以将显示窗口任意关闭。 对于打开的每个 窗口， 能够 自由设置窗口的大小， 也可以在窗口中对机器人进 行自由缩放( 通过按动 和“ k ”