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关节式机器人运动过程的教学软件的开发 第 1 页 摘 要 在今天的世界中,计算机的应用已经涉及到了人们生活的各个方面,这几乎可以说是人类新的生产力的代表, 崭新的一切把人类的生活带向了一个自动化的智能空间,机器人的生命就是在计算机的广泛应用中得到了巨大的飞跃。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。机器人应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志。 计算机仿真通常是先以数学模型表征出实验系统的特性、规律,再用计算机对这些数学模型求解的过程。实际上,计算机仿真又包括模拟计算机仿真,数字计算机仿真及模拟/数字混合仿真, 而通常所说的计算机仿真指的就是数字计算机仿真。仿真技术的关键在于要抓住事物的本质,从而在计算机上再现该事物的基本特征。 码垛机器人是石油化工生产中得到普遍应用的一种简易型机器人, 它的使用大大提高工厂的生产效率。仿真技术是现代机器人技术中的一个重要领域,他为机器人的研究提供了直接的平台,许多新型机器人的出现都是仿真基础上的研究成果。 在现代教学当中, 老式和抽象的授课形式已经不能适应社会中科技的快速发展了,这就使得一种新型、直观的方式成为了一种必然。同样是因为计算机技术的快速发展,动画技术已经几乎到了可以以假乱真的地步了。所以,用动画技术去演示机器人的动作过程是一种理想的方法。而在众多的动画软件中,3DS MAX 4.0以其强大的设计功能和简易的使用方法得到了许多专业人士的厚爱, 但是在实时交互功能方面有着一定的缺陷。 在码垛机器人的动画制作中, 我充分利用了VC+6.0中OPEGL开发的各项功能。从机器人的运动数学模型到动画的制作,在克服了种种困难以后,终于成功完成了直观演示软件的开发。 关键词 : 机器人、数学模型、计算机仿真技术、动画制作、 OpenGL 关节式机器人运动过程的教学软件的开发 第 2 页 ABSTRACT In todays world, the application of computer is involving in every aspect in our life. All of that is something to stand for the new force production and is taking people to a automate intellect space. In the situation , robot is leaping with fast step. The technology of robot is synthesis with computer, cybernetic, mechanism, information space technology, A I and simulation. So, it is multiple disciplines. Exploring the robot is stand for a very important place. We can say how widely the robot is used in production is a flag of how fast the national industry developed. Computer simulation is meaning that using mathematical model to remake the quality characteristic and relationship of an experimentation model first, and then solve it. to all intents and purposes, computer simulation is inclusion analog computer simulation, numeric computer and analog numeric mix simulation. in the ordinary way, Computer simulation is we say is just meaning of numeric computer simulation. The master key of simulation technology is that we should grasp the intrinsic qualities, so that we could reappear intrinsic qualities in the computer. Robot Maduo is a simple machine what is widely used in oil chemical engineering manufacturing. The technology of computer simulation is a very important region in robotics. Most of the new model robot appearing is base on that. In present period, old-fashioned and abstractive choolteaching is not adapt to the progress of modern science, so a new king and visualized one is necessary. 3DS MAX4.0 is superiority in so much software.,but it has some lack in animation online. I make full use of the performance of VC+6.0 OpenGL in the press of design. From making the mathematical model to the completing software, I am glory of I have over come so much embarrassment . Keywords: robot, mathematical model , computer simulation, software developing , OpenGL 关节式机器人运动过程的教学软件的开发 第 3 页 目 录 第一章 前 言 . 5 1.1 课题背景 . 5 1.2 机器人的分类和应用 . 7 1.3 机器人的研究热点和发展趋势 . 9 1.4 计算机仿真技术及仿真软件 . 10 1.5 本文研究主要内容 . 14 第二章 机器人仿真运动结构和控制过程分析 . 16 2.1 机器人的运动学分析 . 17 2.2 机器人运动学的正问题和逆问题 . 20 2.3 液压驱动系统 . 24 第三章:机器人可视化仿真平台建立 . 26 3.1 OpenGL 基本概念 . 26 3.2 OpenGL 处理机制 . 26 3.3 程序的设计思想 . 27 3.4 MFC 构架下 OpenGL 运动仿真实现 . 28 3.5 基于 VC 可视化仿真平台设计 . 32 第四章:建立仿真系统三维模型 . 34 4.1 在 OpenGL 中组装机器人可视化模型 . 34 4 2 仿真模型建模代码分析 . 35 4.3 建模在实现键盘交互功能的研究 . 36 第五章:开发仿真系统软件和运动过程仿真演示 . 40 5.1 机器人三维仿真模型运动学代码开发 . 40 5.2 实现控制菜单上数据传递 . 44 5.3 设置仿真模型材质 . 47 5.4 仿真模型光照代码开发 . 48 5.5 背景环境的设置 . 49 5.6 仿真模型运动过程演示结果 . 50 关节式机器人运动过程的教学软件的开发 第 4 页 第六章:经济技术分析报告 . 53 6.1 发展课题项目的迫切需要 . 53 6.2 市场前景分析 . 53 6.3 社会效益分析 . 53 第七章:给出结论和提出有待进一步讨论的问题 . 55 7.1 结论 . 55 7.2 对进一步研究的展望 . 55 参 考 文 献 . 57 致 谢 . 58 关节式机器人运动过程的教学软件的开发 第 5 页 第一章 前 言 1.1 课题背景 当人类进入新的21世纪,人们缩关心的不再仅仅是自身的发展,还有机器人,外星人,克隆人等等。对许多人而言,“机器人”这个名词并不陌生。在古代的神话传说到现代的科学幻想小说,戏曲,电影,电视,都有着许多关于机器人精彩描述。不过现实世界中的机器人并没有神话和文艺作品中所描述的那样智勇双全,它正在迅速发展之中。 机器人这一名词最初来自捷克作家K.Capek的一部科幻剧本。 实际上它是一种既不具备人类完美器官与功能以也不具备人类外表的及其。 国际学术界至今没有对机器人做出统一公认的、文字严格的定义。不同的专家往往给以各有侧重的说法,不同国家也往往沿用各自习惯的解释。 但各种定义有一些共同之处, 即认为机器人:1像人或人的上肢,能模仿人的动作;2具有智力或感觉与识别能力;3是人造的机器或机械电子装置。 机器人形象的产生充分说明了人类对于生产先进生产工具的创造性想象和勇敢追求。人们期待着诞生一种通用、柔软、灵活的自动机械,它能模仿人的器官的功能,从事那些一直以来只有人才能很好完成的工作。根据1989年国际机器人协会,“机器人是一种能自动定位控制,可重复编程的多功能多自由度操作机,能搬运材料、零件或操持工具,用以完成各种作业”。 机器人从幻想世界真正走像现实世界是从自动化生产和科学研究的发展需要出发的。二次世界大战期间,在放射性材料的生产和处理过程中应用了一种简单的操纵器。1949年,由于生产飞机的需要,美国麻省理工学院辐射实验室开始研究数控铣床。这两种机器的出现为机器人的产生准备了技术条件。 1954年, 美国的George C.Cevol设计并制作了世界上第一台机器人试验装置,Devol巧妙地把遥控操纵器的关节型连杆机构与数控机床的伺服轴连接在一起,预定的机械手动作一经变成输入后,机械手就可以离开人的辅助而独立运行,这种机器人的主要技术功能就是“可编程”以及“示教再现”。 1960年,美国Consolidated Control公司根据Devol的技术研制处第一台机器人样机,并成立了Unimation公司,定型生产了Unimate机器人,机器人产品的正式问世标志着机器人技术开始形成。 关节式机器人运动过程的教学软件的开发 第 6 页 上实际70年代以来,机器人产业蓬勃兴起,这时的研究重点主要放在工业应用上,而电子计算机在可靠性、信息加工能力等方面的高度发展使得人工智能等前沿科学的技术成果在机器人智能化的研究领域中得到实现的可能。 人工智能界对机器人产生了浓厚的兴趣。随着自动控制理论、电子计算机和航空技术的迅速发展,从上世纪70年代中期机器人技术进入了一个新的发展阶段。 1980年以后,出现了许多的机器人产业。上世纪90年代中期以来机器人的数量逐年增加。如今,机器人产业正保持着良好的发展势头向前迈进。 按照机器人智能化程度不同,一般认为有三代机器人: 第一代机器人主要指只能以“示教再现”方式工作的机器人,示教内容为机器人操作机构的空间轨迹、作业 条件、作业顺序等。示教方法可以由操作员“手把手”直接做,或是与计算机编程结合。 第二代集群若那具有一定的感觉装置, 能获取作业环境、 操作对象的简单信息,通过计算机的处理、分析,集群若那做出一定的推理,对运动进行反馈控制,表现出低级的智能。 第三代机器人示指具有高度适应性的自治机器人,它具有多种感知功能,可进行复杂的逻辑思维,判断决策,在作业环节中独立运动,目前正处于探索阶段。 机器人的出现引起了许多科学和技术的变革, 对设计和控制领域的影响更是难以估计。不到40年的时间,机器人从无到有,现在拥有“百万大军”,在世界经济各个领域和人民生活的总多方面忠诚地为人类服务,做出了不可磨灭的贡献。今后,人类更需要与机器人的和谐共处,更离不开机器人这类得力助手和可靠朋友。 机器人仿真的研究是对机器人研究的简化与模拟,与之息息相关,并极大地推动着机器人技术的发展。随着社会的不断前进和发展,以及对机器人各种性能要求的不断提高, 机器人仿真技术必将得到长足的发展, 并被应用到越来越广阔的空间。应该说中国是最需要又最不需要机器人的国家。中国人口众多,劳动力资源丰富且廉价,从这一层面说用一个贵而笨重的机器人还不如雇一个人来的便宜,但是我国要做世界强国就必须用最少的资源作更多的事, 我们的企业必须尽可能的采用高新技术来更高效率的生产,以高竞争力取胜,这就需要很多的机器人,人是没有机器人那样的精确率,准确率和高效率的。可能会有人失业,但创造的就业机会更多,社会所的利益会更多。我相信在不久将来,机器人产业会如同汽车一样成为国家的关节式机器人运动过程的教学软件的开发 第 7 页 经济支柱产业,美国是汽车上的国度,中国可以成为站在机器人肩膀上的国家。 1.2 机器人的分类和应用 从机器人诞生到本世纪 80 年代初,机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了 90 年代,随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展,机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外,各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。 下将按工业机器人和先进机器人两条技术发展路线分述机器人的最新进展情况。 1.2.1 工业机器人 (1)机器人操作机:通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用,机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司,已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构,拓展了机器人的工作范围,加之轻质铝合金材料的应用,大大提高了机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机,使机器人操作机几乎成为免维护系统。 (2)并联机器人:采用并联机构,利用机器人技术,实现高精度测量及加工,这是机器人技术向数控技术的拓展, 为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司,日本FANUC等公司已开发出了此类产品。 (3)控制系统:控制系统的性能进一步提高,已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴,并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好,基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主,但在某些领域的离线编程已实现实用化。 (4)传感系统:激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用, 并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等, 大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。 日本KAWASAKI、 YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品。 (5)网络通信功能:日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接,使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步,也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。 关节式机器人运动过程的教学软件的开发 第 8 页 (6)可靠性:由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用,使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时,而现在已达到5万小时,几冬天可以满足任何场合的需求。 1.2.2 先进机器人 近年来,人类的活动领域不断扩大,机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比,其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性,因而对机器人的要求更高,需要机器人具有行走功能,对外感知能力以及局部的自主规划能力等,是机器人技术的一个重要发展方向。 (1)水下机器人:美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD等水下机器人已用于海洋石油开采,海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面,形成了有缆水下机器人(remote operated vehicle)和无缆水下机器人(autonomous under water vehicle)两大类。 (2)空间机器人:空间机器人一直是先进机器人的重要研究领域。目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人。如美国NASA的空间机器人Sojanor等。Sljanor是一辆自主移动车,重量为11.5kg,尺寸63048mm,有6个车轮,它在火星上的成功应用,引起了全球的广泛关注。 (3)核工业用机器人:国外的研究主要集中在机构灵巧,动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手,以及半自主和自主移动机器人。已完成的典型系统,如美国ORML基于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器,加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统,德国的C7灵巧手等 (4)地下机器人:地下机器人主要包括采掘机器人和地下管道检修机器人两在类。主要研究内容为:机械结构、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信及遥控技术。目前日、美、德等发达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等大型管道检修用的机器人,各种采机器人及自动化系统正在研制中。 (5)医用机器人:医用机器人的主要研究内容包括:医疗外科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。美国已开展临场感外科(telepresence surgery)的研究,用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科(telematics)计划、袖珍关节式机器人运动过程的教学软件的开发 第 9 页 机器人(biomed)计划以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究,并已取得一些卓有成效的结果。 (6)建筑机器人:日本已研制出 20 多种建筑机器人。如高层建筑抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、擦玻璃机器人等,并已实际应有和。美国卡内基梅隆重大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设机器人、内墙安装机器人等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工方法等基础研究。英、德、法等国也在开展这方面的研究。 (7)军用机器人:近年来,美、英、法、德等国已研制出第二代军用智能机器人。其特点是采用自主控制方式,能完成侦察、作战和后勤支援等任务,在战场上具有看、嗅和角摸能力,能够 自动跟踪地形和选择道路,并且具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。 如美国的Navplab自主导航车、 SSV半自主地面战车,法国的自主式快速运动侦察车(DARDS),德国MV4爆炸物处理机器人等。目前美国ORNL正在研制和开发Abrams坦克、 爱国者导弹装电池用机器人等各种用途的军用机器人。 可以预见,在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域,成为人类良好的助手和亲密的伙伴。 1.3 机器人的研究热点和发展趋势 目前国际机器人界都在加大科研力度,进行机器人共性技术的研究,并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下10个方面: (1)工业机器人操作机结构的优化设计技术:探索新的高强度轻质材料,进一步提高负载/自重比,同时机构向着模块化、可重构方向发展。 (2)机器人控制技术:重点研究开放式,模块化控制系统,人机界面更加友好,语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化,以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外,离线编程的实用化将成为研究重点。 (3)多传感系统:为进一步提高机器人的智能和适应性,多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法,特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。 关节式机器人运动过程的教学软件的开发 第 10 页 (4)机器人的结构灵巧,控制系统愈来愈小,二者正朝着一体化方向发展。 (5)机器人遥控及监控技术,机器人半自主和自主技术,多机器人和操作者之间的协调控制,通过网络建立大范围内的机器人遥控系统,在有时延的情况下,建立预先显示进行遥控等。 (6)虚拟机器人技术:基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术,实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。 (7)多智能体(multi-agent)调控制技术:这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理,感知与学习方法,建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。 (8)微型和微小机器人技术(micro/miniature robotics):这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白,因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命, 并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响,微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。 (9)软机器人技术(soft robotics):主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处,因此其结构材料多为金属或硬性材料,软机器人技术要求其结构、 控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的,机器人对人是友好的。 (10)仿人和仿生技术:这是机器人技术发展的最高境界,目前仅在某些方面进行一些基础研究。 1.4 计算机仿真技术及仿真软件 机器人的诞生和机器人学的建立,无疑是20世纪人类科学技术的重大成就。集群若那集力学、机械学、电子学、生物学、控制论、人工智能等多门学科知识于一体,是一项综合性很强的新技术,由于实际应用范围的不同,以及研究进程的局限,人们对于机器人的智能化程度的要求也不相同。 随着机器人研究的不断深入和机器人领域的不断发展, 机器人仿真技术作为机器人设计与研究的安全可靠、灵活方便的工具在也得以很快的发展,并在机器人的研制、设计、开发、应用中发挥越来越重要的作用。将仿真技术应用于机器人研究中可以对机器人的运动学、动力学、轨迹规划和控制算法进行仿真计算,可以仿真关节式机器人运动过程的教学软件的开发 第 11 页 机器人的各种操作过程,并对仿真的结果进行分析处理。一个完善的机器人仿真系统可以对机器人的运动学、动力学、轨迹规划和控制算法进行仿真计算,仿真机器人的各种操作过程,并对仿真的结果进行分析处理。 机器人仿真技术不依赖于实际的机器人设备,具备安全、简便、代价低廉的特点,是研究机器人系统及其相关技术的有效手段和得力工具,在机器人的研制、设计、开发、应用中发挥着越来越重要的作用。机器人仿真研究和应用的一个重要方面是机器人本身的设计和研究,包括机器人的运动学、动力学分析以及各种规划和控制方法的研究;各一个方面是以机器人为主体的自动化生产线,它包括机器人工作战的设计、机器人的选型、离线编程和碰撞检测等。另外,机器人仿真系统还可以用于机器人的教学和培训等。 1.4.1 国外仿真技术发展现状 国外很早便认识到机器人仿真在机器人研究和应用方面的重要作用, 并从上个世纪70年代就开始这方面的研究工作。美国Cornell大学开发一个通用的交互式机器人图形仿真系统INEFFABELLE,改系统可建立机器人及其作业环境的模型,并具有图形显示功能。Michigan大学开发了一个机器人图形编辑工具系统PROGRESS,此系统为菜单驱动和光标控制,并能用2D图形符号来仿真外界传感器和执行部件。自上世纪80年代以来,国外已经建成了许多用于机器人工作站设计和离线编程的仿真系统并形成了一些成熟的CAD软件包。美国McAuto公司开发了机器人仿真系统PLACE,主要用于机器人工作站的设计;Computervision公司开发了软件包Robographix,可对8种常用的机器人进行仿真;德国Karlsruke大学研制的机器人多指爪图形仿真系统,用来对多指手爪抓取控制方面的研究;以色列OSHAP公司推出ROBCAD机器CAD仿真系统软件,在国际上应用十分广泛,它是运行在SG图形工作站上的大型机器人设计、仿真和离线编程系统。 近年来广大的科研工作者在机器人仿真方面做了大量的工作, 国内外已有许多机器人设计和研究仿真软件问世,其中有一些是专为 MOTOMAN 机器人开发的软件包。 MathWorks 公司采用 MATLAB 语言编写了一个 Robotics-toolbox,此机器人工具箱在 MATLAB 环境下运行,采用模块结构,子模块包括正向运动学、逆向运动学、动力学、轨迹规划、多自由度控制、仿真环境等;澳大利亚联邦科学与工业研究组织制造业科学家 Peter I.Corke 长期进行机器人控制的研究,并于 1996 年开发了一套基于 Matlab 的机器人控制仿真工具包,该工具包中有大量的函数用来对关节式机器人运动过程的教学软件的开发 第 12 页 MOTOMAN 机器人进行运动学、动力学等的控制及仿真 :Clemson 大学机器人控制工作组于 2000 年开发了在 Linux 和 Windows 两种环境下均可使用基于 Matlab 的MOTOMAN 机器人控制仿真软件,该软件可对机器人在校准模式、笛卡儿空间控制模式、关节空间控制模式等多种模式下进行控制与仿真,其仿真平体 :2002 年Richar Gourdeau 教授完成了一个机器人操作臂控制仿真的 c+软件包。 该软件包提供类似 Matlab 特性的矩阵功能,该软件可求解机器人各种参数如雅可比阵等,并可对运动学,动力学问题进行计算。 1.4.2 国内仿真技术发展现状 国内从上世纪 80 年代后期起,许多单位也开始从事机器人设计的研究工作。上海交通大学机器人研究所的俞文伟和邓建一研制开发了一套机器人图形仿真软件 ROSIDY,改软件以国内外普遍使用的 AUTOCAD 作为其图形支持,通过对AUTOCAD 的二次开发使其能直接为机器人仿真服务: 清华大学的崔培莲和孙增圻开发研制的 PCROBSN-微机机器人仿真系统,采用了模块化机构,具有一定的通用性和可移植性,便于用户进行拓展,整个系统由机器人语言、轨迹规划、运动学和动力学、控制系统仿真、图形数据输出等模块组成;在国家高技术计划自动化领域智能机器人专题中,清华大学,浙江大学、沈阳自动化所、上海交大等单位承担了机器人系统仿真的研制任务,并研制成功一个大型的机器人仿真软件。 1.4.3 机器人仿真技术应用前景 随着机器人技术的高度综合和计算机集成制造技术(CIM)的发展,机器人仿真技术也越显其重要性,并显示出了旺盛的生命力。机器人仿真技术的研究越来越成为人们关注的焦点之一。 仿真(simulation)就是用模型(物理模型或数学模型)代替实际系统进行实验和研究。它所遵循的原理是相似原理,即把几何相似及数学相似作为数学-物理仿真。 所谓物理仿真就是依据实际系统制作一套物理装置, 作为模型进行实验研究。而数学仿真则是应用数学相似原理,构成数学模型并在计算机上进行实验研究,亦及计算机仿真。计算机仿真通常是先以数学模型表征出实验系统的特性、规律,再用计算机对这些数学模型(通常是一组微积分方程或差分方程)求解的过程。实际上,计算机仿真又包括模拟计算机仿真,数字计算机仿真及模拟/数字混合仿真,关节式机器人运动过程的教学软件的开发 第 13 页 而通常所说的计算机仿真指的就是数字计算机仿真。 仿真技术的关键在于要抓住事物的本质,从而在计算机上再现该事物的基本特征,否则会造成仿真的失真 采用计算机进行仿真一般来说要经过以下步骤: (1) 确定仿真的目的以及仿真的基本要求; (2) 建立一次化模型:将待研究系统用演绎法或实验法或实验法抽象出表达式或信好流图,以建立原系统得数学模型; (3)建立二次化模型;将一次化模型通过一定的变换,使之成为能在计算机上运行的仿真模型; (4)仿真程序设计及运行:对仿真的具体流程进行程序设计并在计算机上加载模型进而求解出仿真计算结果; (5)仿真结果的分析整理、精度判定,用实际值验证仿真结果。 由此可见,建模是仿真的先决条件,模型建立得是否准确恰当,直接影响着仿真结果的精度, 决定着它是否能够反映真实的情况。 所以在进行计算机仿真工作时,要把主要精力集中在仿真模型的建立及优化上。 机器人仿真技术不仅局限于单纯的机器人的机械手, 在更有效地利用视觉等传感器的辅助设计方面,在利用传感器的信息从而实现机器人运动的离线编程方面,以及其他方面都提出了更高和更广泛的要求。为了满足这些要求,必须极大地提高作为仿真技术核心的环境模型的表达能力,在仿真技术与CAD/CAM技术相结合方面,在仿真技术中引起推理机制方面都有学多急待解决的研究课题。另外,将结果分析和运动分析的仿真技术和支持机器人编程的仿真技术有机结合在一起也是必须的,否则就不能形成完善的机器人仿真系统。 从现阶段仿真技术所达到的水品来看, 还不可能毫厘不差地如实建立实际环境的模型,即通过仿真技术所建立的环境模型总是与实际环境有一定的差异。此外,在建模过程中还存在由于测量误差、 示教方法和传感器性能的不完善带来的不确定因素。如何最大限度地消除这些不确定因素环境模型的仿真系统的性能,这些都是机器人仿真技术中需要进行研究和开发的重大课题。关于它的研究起源于20世纪70年代,但由于受计算机软硬件水平的影响,很难得到广泛应用。而且三维运动仿真一直是在昂贵的图形工作站上进行,使得条件有限的单位无法进行深入研究,这无疑制约了它的发展。近年来,个人微机 (PC)无论是在硬件还是在软件方面都有了很大的发展,人们在微机上进行了大量机器人三维运动仿真的研究,如在 AutoCAD关节式机器人运动过程的教学软件的开发 第 14 页 中通过播放线型模型构成的幻灯片文件来仿真,还有用 C 语言绘制图形仿真。文中通过对一个机器人机械手三维运动仿真系统的介绍和分析,讨论在 Windows环境下使用 OpenGL 实现三维实时运动仿真的一些基本可行的方法。 由于该系统中涉及较多的机器人正、逆运动学方程求解问题,因而采用 Visual C+6.0 作为编程语言,一方面可以方便地调用 OpenGL,另一方面有利于算法的实现。 在机器人离线控制系统的开发中,机器人模型的三维图形仿真实现是重要的一个环节。机器人的三维图形仿真,就是要建立一个精确且逼真的机器人模型以及机器人工作环境。同时,为实现机器人离线编程、碰撞检测,图形仿真系统还应该能方便地获取和存储机器人模型位置及状态信息。目前,在机器人三维图形仿真的具体实现上,有各种方法。主要有: OpenGL 程序设计, Open Inventor 程序设计, Cortonas SDK 的运用。选择合适的实现方法,在缩短开发周期,满足系统控制要求的基础上达到理想的显示效果,是机器人离线编程控制系统开发工作的一部分。比较这三种方法,它们都是以 OpenGL 作为图形核心的,但是各有其应用特色和技术侧重点。 较为常用的是 OpenGL 程序设计。 但是它没有提供事件处理和窗口管理4,对于目前面向对象的程序开发者来说,是一个缺憾。为了建立逼真的机器人模型以及达到更为理想的运动仿真效果, VRML 技术开始引入机器人三维图形仿真工程, Open Inventor 程序设计和 Cortonas SDK 就是采用 VRML 进行机器人建模的,模型逼真,动画效果好,响应快,易于实现方便的操纵界面,程序编制比 OpenGL 程序设计更为快捷。 以码跺机器人手臂为例,分别以三种方法进行机器人三维建模仿真实验,实验结果显示,采用 Cortonas SDK 可以达到近乎理想的仿真效果。 1.5 本文研究主要内容 本文主要研究关节式机器人三维可视化仿真, 即以MOTOMAN机器人作为被控对象和可视化模型,在VC环境下建立机器人控制仿真系统的可视化仿真平台,在该仿真平台对机器人进行控制仿真研究。在建立机器人可视化模型的基础上,首先研究机器人正向运动学与逆向运动学问题,然后进行仿真平台设计,开发仿真软件并对运动学问题以及动力学问题分别进行了仿真研究。 主要内容包括: 第一部分:课题背景与主要研究内容 第二部分:机器人结构和控制过程分析。 关节式机器人运动过程的教学软件的开发 第 15 页 第三部分:机器人可视化仿真平台建立。 第四部分:建立仿真系统三维模型。 第五部分:开发仿真系统软件。 第六部分:运动过程仿真演示。 第七部分:经济分析报告 第八部分:给出结论和提出有待进一步讨论的问题。 研究重点和难点: (1)码垛机器人结构和控制过程分析。 (2)建立Windows下的仿真系统平台,建立仿真系统数学模型。开发仿真系统软件。 (3)运动过程仿真演示。 (4)工业机器人实验指导书则要求具有空间三维曲线的示教与再现功能。 关节式机器人运动过程的教学软件的开发 第 16 页 第二章 机器人仿真运动结构和控制过程分析 随着中国社会市场经济的不断发展, 石油化工工业也在不断地向技术型转换,在设备上自动化的趋势也逐渐向高科技,高效率发展码垛是将25kg的聚乙烯颗粒包装袋以一定的编组形式在底盘上码成垛,再装到汽车上运走。 机器人动作灵活,占地面积小。由于重复精度不高,因此使机器人的传动系统和控制系统简单。码垛机器人可以适应各种不同的环境,只要改变手部的形状,不用改变机身的形状和大小,码垛机器人主要用于石油化工后续设备的自动化,最普遍的就是在聚乙烯聚丙烯的成品包装上的应用就可以抓起不同的物料, 完成码垛任务。 该机器人有五个转动关节,分别为肩部转动关节、大臂摆动关节、小臂仰伏关节、小臂仰伏关节、腕部仰伏关节、腕部转动关节。其实,手爪部分也是有运动的,但其手爪是可以更换的,这样手爪形状不定,所以这里不加以考虑。机械手的各杆件都是板焊成的框架,内部是液压缸,关节部都是安放轴的实体。但是对机械手进行运动、动力分析,对杆件进行受力分析时,按照实体分析很麻烦,所以对机械手各杆件进行简化,把各杆都简化成实体杆件。 图 2.1 机器手臂结构简图 关节式机器人运动过程的教学软件的开发 第 17 页 图 2.2 机械手机构简图 图2.2即为该机械手机构简图(其中各关节的坐标系设置采用下关节设置法,按右手法则确定坐标轴的位置关系)。 2.1 机器人的运动学分析 (1) 机械手运动学参数 各关节坐标系都以转动轴线为Z轴而建立的。表21为机械手各关节的转角范围及各杆件的尺寸, 表中各偏转尺寸是此关节坐标系的坐标原点在前一坐标系中的坐标值。 表 2-1 机械手坐标参数 X,Y,Z 方向向量 杆件 关节转动变量 X Y Z 1 1(-160-+160) 0 0 0 2 2(-30-+40) D2=107mm A1=73mm D1=145mm 3 3(-30-+30) A2=300mm 0 0 4 4(-30-+30) A3=300mm 0 0 5 5(0-+180) D5=396mm A5=23mm A4=10mm (2)机械手连杆参数与D-H坐标系 本机械手有五个关节组成,从基座开始到手部形成一个开式链,其中基座与肩部、肩部与大臂、大臂与小臂、小臂与腕部分别形成一个转动副,在一定摆角范围内做关节式机器人运动过程的教学软件的开发 第 18 页 相对转动,腕部有一个360的自回转运动。这样基础坐标系就可以建立在基座上,其余五个关节上都固接一个坐标系, 从而从基础坐标系到任意关节都可以通过坐标变换来确定它们之间的运动关系,即运动方程。如图2.3所示为本机械手的D-H坐标系。 图 2.3 机械手 D-H 坐标系 表 2-2 机械手的连杆参数 关节 关节转动变量i i-1 ai-1 di 1 1 0 0 I1 2 2 -90 I5 I6 3 3 90 I2 I7 4 4 0 I3 0 5 5 90 I8 I4 表中i-1=从zi-1到zi绕xi-1旋转的角度; di=从xi-1到xi沿着zi测量的距离; 关节式机器人运动过程的教学软件的开发 第 19 页 i=从xi-1到xi绕zi旋转的角度; ai-1=从zi-1到zi沿着xi-1测量的距离。 Ai-1代表连杆i1的长度,因此规定ai-1=0;而ai-1,di和i的值可以为正为负。表中:I1=145mm;I2=300;I3=300;I4=456;I5=100;I6=90;I7=20;I8=15; (3)机械手运动方程的建立 连杆坐标系i相对于I-1的变换 Tii1成为连杆变换。显然, Tii1与1ia 、1i 、di和i这四个连杆参数有关。因此,可以把
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